Добыча рассола - Brine mining
Добыча рассола - это добыча полезных материалов ( элементов или соединений ), которые естественным образом растворяются в рассоле . Рассол может представлять собой морскую воду , другие поверхностные воды , грунтовые воды или сверхсолевые растворы из нескольких отраслей промышленности (например, текстильной промышленности). Он отличается от добычи раствора или выщелачивания на месте тем, что в этих методах закачивается вода или химические вещества для растворения материалов, находящихся в твердом состоянии; при добыче рассола материалы уже растворены.
Рассолы являются важными источниками поваренной соли ( NaCl ), кальция , йода , лития , магния , калия , брома и других материалов, а также потенциально важными источниками ряда других веществ. Добыча рассола способствует минимизации отходов и восстановлению ресурсов.
История
Около 500 г. до н.э. древние китайцы вырыли сотни колодцев с рассолом, глубина некоторых из которых превышала 100 метров (330 футов). Крупные залежи рассола под землей пробурены путем бурения скважин. Возводились бамбуковые башни, похожие по стилю на современные нефтяные вышки. Бамбук использовался для изготовления канатов, обсадных колонн и буровых вышек, поскольку он был стойким к соли. Железные клинья были подвешены к инструменту из бамбукового троса, прикрепленному к рычагу на платформе, построенной на вершине башни. Для работы вышки требовалось от двух до трех человек, которые прыгали с рычага, который двигал железный клин, вбитый в землю, чтобы вырыть яму достаточно глубоко в земле, чтобы попасть в рассол.
Типы рассолов, используемых для добычи полезных ископаемых
Промышленные рассолы включают как поверхностные воды (морская вода и соленые озера), так и грунтовые воды (мелкие рассолы под солеными или сухими озерами и глубокие рассолы в осадочных бассейнах). Рассол, выносимый на поверхность геотермальными энергетическими скважинами, часто содержит высокие концентрации минералов, но в настоящее время не используется для коммерческой добычи полезных ископаемых.
Морская вода
Морская вода использовалась как источник морской соли с доисторических времен, а с недавних пор - магния и брома. Калий иногда извлекают из выпи, оставшейся после осаждения соли. Океаны часто называют неиссякаемым ресурсом.
Соленые озера
Есть много соленых озер с соленостью выше морской, что делает их привлекательными для добычи полезных ископаемых. Примеры - Мертвое море и Большое соленое озеро. Кроме того, некоторые соленые озера, такие как озеро Натрон в Восточной Африке, по химическому составу сильно отличаются от морской воды, что делает их потенциальными источниками карбоната натрия.
Рассолы неглубоких подземных вод, связанные с солеными или сухими озерами
Подземные воды под солеными или сухими озерами часто содержат рассолы с химическим составом, аналогичным химическому составу озер или бывших озер.
На химический состав неглубоких рассолов, используемых для добычи полезных ископаемых, иногда влияют геотермальные воды. Это верно для ряда мелководных рассолов на западе Соединенных Штатов, таких как озеро Сирлс в Калифорнии.
Геотермальные рассолы
Геотермальные электростанции часто выносят рассол на поверхность в процессе работы. Этот рассол обычно повторно закачивают в землю, но были проведены некоторые эксперименты по извлечению минералов перед повторной закачкой. Рассол, выносимый на поверхность геотермальными энергетическими установками, использовался на экспериментальных установках в качестве источника коллоидного кремнезема ( Вайракей , Новая Зеландия и Маммот-Лейкс, Калифорния) и как источник цинка ( Солтон-Си , Калифорния). Бор был извлечен примерно в 1900 году из геотермального пара в Лардерелло, Италия. Также исследовалось извлечение лития. Но по состоянию на 2015 год устойчивой добычи полезных ископаемых из геотермальных рассолов в промышленных масштабах нет.
Глубокие рассолы в осадочных бассейнах
Концентрация растворенных твердых веществ в глубокой реликтовой воде варьируется от гораздо меньшей, чем в морской воде, до десятикратного общего содержания растворенных твердых веществ в морской воде. Как правило, общие концентрации растворенных твердых веществ (TDS) увеличиваются с глубиной. Большинство глубоких подземных вод, классифицируемых как рассолы (с общим количеством растворенных твердых веществ, равным или превышающим таковое в морской воде), преимущественно относятся к типу хлорида натрия. Однако преобладание хлорида обычно увеличивается с увеличением TDS за счет сульфата. Соотношение кальция и натрия обычно увеличивается с глубиной.
Присутствие грунтовых вод с TDS выше, чем в морской воде, в некоторых случаях связано с контактом с соляными пластами. Однако чаще считается, что более высокая TDS глубоких отложений является результатом того, что осадки действуют как полупроницаемые мембраны. Поскольку отложения уплотняются под давлением захоронения, растворенные вещества менее подвижны, чем вода, что приводит к более высоким концентрациям TDS, чем в морской воде. Двухвалентные частицы, такие как кальций (Ca +2 ), менее подвижны, чем одновалентные частицы, такие как натрий (Na + ), что приводит к обогащению кальцием. Отношение калия к натрию (K / Na) может увеличиваться или уменьшаться с глубиной, что считается результатом ионного обмена с отложениями.
Промышленный рассол
Некоторые отрасли промышленности производят рассолы в качестве побочных продуктов. Такими отраслями промышленности являются молочная, текстильная, кожевенная, нефтяная промышленность и т. Д. Таким образом, полезные материалы можно извлекать и повторно использовать.
Материалы, извлеченные из рассолов
Многие рассолы содержат более одного рекуперированного продукта. Так , например, мелкий рассол под Сёрлсом , штат Калифорния , является или являлся источником буры , поташа , брома , литии , фосфата , кальцинированной соды и сульфата натрия .
Соль
| Источник | Концентрация соли |
|---|---|
| Морская вода | 129,500 мг / л (129,5 г / л) |
Соль ( хлорид натрия ) была ценным товаром с доисторических времен, и ее извлечение из морской воды также восходит к доисторическим временам. Соль добывается из морской воды во многих странах мира, но большая часть соли, представленной сегодня на рынке, добывается из твердых месторождений эвапорита .
Соль производится как побочный продукт при извлечении калия из рассола Мертвого моря на одном заводе в Израиле ( Завод Мертвого моря ) и другом в Иордании (Арабский солевой завод). Общее количество соли, выпадающей в результате солнечного испарения на заводах Мертвого моря, составляет десятки миллионов тонн ежегодно, но очень мало соли продается.
Сегодня соль из рассолов грунтовых вод обычно является побочным продуктом процесса извлечения других растворенных веществ из рассолов и составляет лишь небольшую часть мирового производства соли. В Соединенных Штатах соль добывается из поверхностного рассола в Большом Соленом озере , штат Юта, и из неглубокого подповерхностного рассола в озере Сирлс , Калифорния.
Сульфат натрия
В 1997 году около двух третей мирового производства сульфата натрия было извлечено из рассола. Два завода в США, в Сирлс-Лейк, Калифорния, и Сигрейвс, Техас , извлекали сульфат натрия из неглубоких рассолов под сухими озерами.
Кальцинированной соды
Кальцинированная сода ( карбонат натрия ) извлекается из неглубоких подземных рассолов в озере Сирлс, Калифорния. Кальцинированная сода ранее добывалась в Эль-Караколе, Экатепек , в Мехико , из остатков озера Тескоко .
Коллоидный кремнезем
Рассолы, выносимые на поверхность в результате производства геотермальной энергии, часто содержат растворенный кремнезем в концентрации около 500 частей на миллион. На ряде геотермальных заводов прошли пилотные испытания по извлечению коллоидного кремнезема , в том числе в Вайракей, Новая Зеландия, Маммот-Лейкс, Калифорния, и в Солтон-Си, Калифорния. На сегодняшний день коллоидный кремнезем из рассола не получил промышленного производства.
Поташ
| Место расположения | Концентрация калия | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 380 мг / л (0,38 г / л) | Морская вода |
| Океан | 17,700 мг / л (17,7 г / л) | Морская вода, выпь, оставшаяся после осаждения солей |
| Шахта Салар де Оларос , Аргентина | 5730 мг / л (5,73 г / л) | Мелкий рассол под высохшим озером |
| Салар-де-Атакама , Чили | 19,400 мг / л (19,4 г / л) | Мелкий рассол под высохшим озером |
| Соленое озеро Да-Чайдам, Китай | 22500 мг / л (22,5 г / л) | Соленое озеро |
| Мертвое море, Израиль и Иордания | 6200 мг / л (6,2 г / л) | Соленое озеро |
Калий получают из поверхностного раствора Мертвого моря на заводах в Израиле и Иордании. В 2013 г. рапа Мертвого моря обеспечила 9,2% мирового производства калийных удобрений. По состоянию на 1996 год Мертвое море, по оценкам, содержало 2,05 миллиона тонн хлорида калия, самого большого запаса калия в рассоле, кроме океана.
Литий
| Место расположения | Концентрация лития | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 0,17 мг / л (0,00017 г / л) | Морская вода |
| Клейтон-Вэлли , Невада | 300 мг / л (0,30 г / л) | Мелкий рассол под высохшим озером |
| Корнуолл , Соединенное Королевство | 220 мг / л (0,22 г / л) | Геотермальные воды |
| Бассейн Парадокс , Юта | 142 мг / л (0,142 г / л) | Рассол на глубине (скважина Cane Creek) |
| Шахта Салар де Оларос , Аргентина | 690 мг / л (0,69 г / л) | Мелкий рассол под высохшим озером |
| Солтон-Си, Калифорния | 270 мг / л (0,27 г / л) | Геотермальный рассол |
В 2015 году на подземные рассолы приходилось около половины мировой добычи лития . В то время как морская вода содержит около 0,17 мг / л (0,00017 г / л), подземные рассолы могут содержать до 4000 мг / л (4,0 г / л), что более чем на четыре порядка больше, чем в морской воде. Типичные коммерческие концентрации лития составляют от 200 до 1400 мг / л (1,4 г / л).
Крупнейшие операции проводятся на мелководном рассоле под дном высохшего озера Салар-де-Атакама в Чили , который по состоянию на 2015 год давал около трети мировых запасов. Солевые операции в основном предназначены для калия; добыча лития в качестве побочного продукта началась в 1997 году.
Считается, что неглубокий рассол под Салар-де-Уюни в Боливии содержит крупнейшие в мире ресурсы лития, которые, по оценкам, составляют половину или более мировых запасов. По состоянию на 2015 год коммерческая добыча не производилась, за исключением пилотной установки.
Промышленные залежи мелководных литиевых рассолов под высохшими озерами имеют следующие общие характеристики:
- Засушливый климат
- Закрытый бассейн с сухим или сезонным озером
- Тектоническое проседание
- Магматическая или геотермальная активность
- Богатая литием материнская порода
- Проницаемые водоносные горизонты
- Достаточно времени для концентрирования рассола
В 2010 году Simbol Materials получила грант в размере 3 миллионов долларов от Министерства энергетики США на пилотный проект, направленный на демонстрацию финансовой осуществимости извлечения высококачественного лития из геотермального рассола. Он использует рассол с геотермальной электростанции Featherstone мощностью 49,9 мегаватта в Имперской долине в Калифорнии . Simbol пропускает извлеченную из растений жидкость через ряд мембран, фильтров и адсорбционных материалов для извлечения лития.
В 2016 году MGX Minerals разработала запатентованный процесс проектирования (предварительный патент США № 62/419 011) для потенциального извлечения лития и других ценных минералов из высокоминерализованного рассола нефтяных месторождений. Компания приобрела права на разработку более 1,7 миллиона акров рассольных пластов в Канаде и Юте. По данным MGX, независимая лаборатория Исследовательского совета Саскачевана проверила технологию извлечения лития из нефти MGX Minerals в апреле 2017 года.
Бор
| Место расположения | Концентрация бора | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 4,6 мг / л (0,0046 г / л) | Морская вода |
| Салар-де-Оларос, Аргентина | 1050 мг / л (1,05 г / л) | Мелкий рассол под высохшим озером |
| Бассейн Парадокс, Юта | 829 мг / л (0,829 г / л) | Рассол на глубине (скважина Cane Creek) |
Бор извлекается из неглубоких рассолов под озером Сирлс в Калифорнии компанией Searles Valley Minerals. Хотя бор является основным продуктом, калий и другие соли также извлекаются как побочные продукты.
Рассол под Салар-де-Оларос в Аргентине является коммерческим источником бора, лития и калия.
Примерно в 1900 году бор был извлечен из геотермального пара в Лардерелло, Италия.
Йод
| Место расположения | Концентрация йода | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 0,06 мг / л (6,0 × 10 -5 г / л) | Морская вода |
| Газовое месторождение Канто, Япония | 160 мг / л (0,16 г / л) | Глубокий рассол в осадочном бассейне |
| Морроу песчаник, Оклахома, США | 300 мг / л (0,30 г / л) | Глубокий рассол в осадочном бассейне |
| Бассейн Парадокс Юты | 596 мг / л (0,596 г / л) | Рассол на глубине (скважина Cane Creek) |
Рассолы являются основным источником йода во всем мире. Основные месторождения находятся в Японии и США . Йод извлекается из глубоких рассолов, закачиваемых на поверхность в качестве побочного продукта при добыче нефти и природного газа. Морская вода содержит около 0,06 мг / л (6,0 × 10 -5 г / л) йода, в то время как подземные рассолы содержат до 1560 мг / л (1,56 г / л), что более чем на пять порядков больше, чем морская вода. Считается, что источником йода является органический материал в сланцах , которые также образуют нефтематеринскую породу для связанных углеводородов.
Япония
Безусловно, крупнейшим источником йода из рассола является Япония, где богатая йодом вода производится совместно с природным газом. Извлечение йода началось в 1934 году. Сообщалось, что в 2013 году его добывали семь компаний. Японские йодные рассолы получают в основном из морских отложений с возрастом от плиоцена до плейстоцена . Основным продуктивным районом является газовое месторождение Южный Канто на восточно-центральном побережье острова Хонсю . Содержание йода в рассоле может достигать 160 частей на миллион.
Бассейн Анадарко, Оклахома
С 1977 года йод добывают из рассола песчаника Морроу пенсильванского возраста в бассейнах Анадарко . северо-запада Оклахомы. Рассол находится на глубине от 6000 до 10000 футов и содержит около 300 частей на миллион йода.
Бром
| Место расположения | Концентрация брома | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 65 мг / л (0,065 г / л) | Морская вода |
| Океан | 2,970 мг / л (2,97 г / л) | Морская вода, выпь, оставшаяся после осаждения солей |
| Формация Смаковер, Арканзас, США | От 5000 до 6000 мг / л (от 5,0 до 6,0 г / л) | Глубокий рассол в осадочном бассейне |
| Мертвое море, Израиль и Иордания | 10000 мг / л (10 г / л) | Соленое озеро |
| Paradox Basin Юта | 12,894 мг / л (12,894 г / л) | Рассол на глубине (колодец Кейн-Крик) |
Все производство брома в мире производится из рассола. Большая часть извлекается из рассола Мертвого моря на заводах в Израиле и Иордании, где бром является побочным продуктом восстановления калийных удобрений. Заводы в Соединенных Штатах ( см .: Производство брома в Соединенных Штатах ), Китае, Туркменистане и Украине извлекают бром из подземных рассолов. В Индии и Японии бром восстанавливается как побочный продукт при производстве морской соли.
Магний и соединения магния
| Место расположения | Концентрация магния | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 1350 мг / л (1,35 г / л) | Морская вода |
| Океан | 56,100 мг / л (56,1 г / л) | Морская вода, выпь, оставшаяся после осаждения солей |
| Мертвое море, Израиль и Иордания | 35200 мг / л (35,2 г / л) | Соленое озеро |
| Бассейн Парадокс, Юта | 42,995 мг / л (42,995 г / л) | Рассол на глубине (скважина Cane Creek) |
Первое коммерческое производство магния из морской воды было зарегистрировано в 1923 году, когда некоторые солнечные соляные фабрики в районе залива Сан-Франциско, Калифорния, извлекли магний из выпечки, оставшейся после выпадения солей.
Компания Dow Chemical начала производить магний в небольших масштабах в 1916 году из глубинных подповерхностных рассолов в бассейне Мичигана . В 1933 году компания Dow начала использовать процесс ионного обмена для концентрирования магния в рассоле. В 1941 году, когда во время Второй мировой войны потребовался магний для самолетов, компания Dow открыла крупный завод во Фрипорте, штат Техас , по добыче магния из моря. Ряд других заводов по извлечению магния из рассола был построен в США, в том числе один рядом с заводом Фрипорт в Веласко . В конце Второй мировой войны все остановились, кроме завода во Фрипорте, штат Техас, хотя завод Веласко был возобновлен во время Корейской войны. Магниевый завод в Фрипорте работал до 1998 года, когда компания Dow объявила, что не будет восстанавливать установку после повреждения ураганом.
Поскольку металлический магний извлекается из рассола в процессе электролиза, экономика чувствительна к стоимости электроэнергии. Компания Dow разместила свой завод на побережье Техаса, чтобы использовать дешевый природный газ для производства электроэнергии. В 1951 году Norsk Hydro запустила завод по производству магния из морской воды в Геройе, Норвегия, который снабжался недорогими гидроэлектроэнергиями. Два завода по производству магния с морской водой в Техасе и Норвегии производили более половины первичного магния в мире в 1950-х и 1960-х годах.
По состоянию на 2014 год единственным производителем первичного металлического магния в Соединенных Штатах была компания US Magnesium LLC, которая извлекала металл из поверхностного соляного раствора Большого Соленого озера на своем заводе в Роули, штат Юта .
Завод Мертвого моря в Израиле производит магний как побочный продукт при добыче калия.
Цинк
| Место расположения | Концентрация цинка | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 0,01 мг / л (1,0 × 10 -5 г / л) | Морская вода |
| Солтон-Си, Калифорния | 270 мг / л (0,27 г / л) | Геотермальный рассол |
Начиная с 2002 года, CalEnergy извлекала цинк из рассолов на своих геотермальных электростанциях в Солтон-Си, Калифорния. При полном производстве компания надеялась производить 30 000 метрических тонн цинка с чистотой 99,99% в год, что принесет примерно столько же прибыли, сколько компания получила от геотермальной энергии. Но установка по извлечению цинка не работала, как ожидалось, и в 2004 году извлечение цинка было остановлено.
Вольфрам
| Место расположения | Концентрация вольфрама | Источник |
|---|---|---|
| Океан | 0,0001 мг / л (1,0 × 10 -7 г / л) | Морская вода |
| Озеро Сирлс, Калифорния | 56 мг / л (0,056 г / л) | Мелкий рассол под высохшим озером |
Некоторые приповерхностные рассолы на западе США содержат аномально высокие концентрации растворенного вольфрама . Если восстановление когда-либо окажется экономичным, некоторые рассолы могут быть значительным источником вольфрама. Например, рассолы под озером Сирлс, Калифорния, с концентрациями около 56 мг / л (0,056 г / л) вольфрама (70 мг / л (0,070 г / л) WO 3 ), содержат около 8,5 миллионов коротких тонн вольфрама. Хотя 90% растворенного вольфрама технически извлекается ионообменными смолами , извлечение неэкономично.
Уран
| Источник | Концентрация урана |
|---|---|
| Морская вода | 0,003 мг / л (3,0 × 10 -6 г / л) |
В 2012 году в исследовании Министерства энергетики США, основанном на японских исследованиях 1990-х годов, был протестирован метод извлечения урана из морской воды , который, как они пришли к выводу, может извлекать уран по цене 660 долларов США за килограмм. Хотя это все еще в пять раз превышало стоимость урана из руды, количества урана, растворенного в морской воде, было бы достаточно, чтобы обеспечить ядерное топливо на тысячи лет при нынешних темпах потребления.
Золото
| Источник | Концентрация золота |
|---|---|
| Морская вода | 0,000004 мг / л (4,0 × 10 -9 г / л) |
Попытки извлечь золото из морской воды были обычным делом в начале 20 века. Некоторые люди утверждали, что могут экономично извлекать золото из морской воды, но все они либо ошибались, либо действовали умышленно. Прескотт Джернеган в 1890-х годах занимался мошенничеством с добычей золота из морской воды в Соединенных Штатах . Британский мошенник устроил такую же аферу в Англии в начале 1900-х годов.
Габер (немецкий изобретатель процесса Габера ) провели исследование по извлечению золота из морской воды в усилии , чтобы помочь заплатить Германии «s репараций после Первой мировой войны . Исходя из опубликованных значений от 2 до 64 частей на миллиард золота в морской воде, коммерчески успешная добыча казалась возможной. После анализа 4000 проб воды со средним показателем 0,004 частей на миллиард, Хаберу стало ясно, что добыча невозможна, и он остановил проект.