Новые методы извлечения критических минералов из геотермальных жидкостей

Глобальный переход к возобновляемой энергии и электрификации усилил спрос на критические минералы — литий, редкоземельные элементы, кобальт и другие, которые необходимы для батарей, ветряных турбин и электронных устройств. Традиционная добыча этих материалов часто несет значительные экологические и социальные издержки, побуждая исследователей искать более устойчивые источники. Один многообещающий рубеж лежит под нашими ногами: геотермальные жидкости. Эти горячие, нагруженные минералами рассолы, обычно выносимые на поверхность для производства энергии или отопления, содержат растворенные количества ценных элементов. Новые методы добычи направлены на восстановление этих минералов одновременно с производством геотермальной энергии, создание системы двойного выхода, которая уменьшает отходы, снижает воздействие на окружающую среду и обеспечивает внутренние цепочки поставок для критических материалов. Эта статья исследует природу геотермальных жидкостей, рассматривает передовые технологии добычи и оценивает их потенциал для изменения минерального снабжения для чистого энергетического будущего.

Понимание геотермальных жидкостей и их минерального содержания

Геотермальные жидкости происходят из дождевой воды или древней морской воды, которая просачивается глубоко в земную кору, где она нагревается магмой или горячей породой. При высоком давлении и температуре эти жидкости растворяют минералы из окружающих пород, становясь рассолами, богатыми широким спектром элементов. Точный состав варьируется в зависимости от местоположения, но общие составляющие включают:

• Литий — критический для перезаряжаемых батарей в электромобилях и сетевых хранилищах.
• Марганец и цинк — используются в сталелитейном производстве, сплавах и электронике.
• Редкие земные элементы (REEs) — неодим, диспрозий и другие, имеющие решающее значение для постоянных магнитов.
• Цезий и рубидий — используются в специализированной электронике и катализаторах.
• Силика и бор — промышленные минералы с множественным применением.

Не все геотермальные поля созданы равными. Солтонское море в Калифорнии печально известно своим высокосоленым, богатым литием рассолом, который, по оценкам, содержит достаточно лития, чтобы удовлетворить значительную часть мирового спроса. Другие известные регионы включают Восточноафриканский разлом, полуостров Рейкьянес в Исландии, вулканическую зону Таупо в Новой Зеландии и Верхний Рейн-Грабен в Европе. Каждый представляет уникальные химические профили и проблемы для добычи. Ключом является проектирование процессов, которые могут обрабатывать высокие температуры (часто 150-350 ° C), высокую соленость и тенденции к масштабированию при достижении конкурентоспособных по стоимости темпов восстановления.

Новые технологии экстракции

Традиционные методы извлечения минералов из рассолов основаны на испарительных прудах или химических осадках, которые являются медленными, интенсивными и экологически проблематичными. Новые методы сосредоточены на селективном, энергоэффективном и масштабируемом разделении. Ниже приведены наиболее перспективные категории, каждая из которых имеет вариации, адаптированные к конкретным минералам и рассолам.

1. Процессы разделения мембран

Мембранные технологии используют полупроницаемые барьеры для выборочного отделения растворенных ионов от воды. Они привлекательны, потому что они работают непрерывно, требуют относительно низкой энергии и могут быть настроены на конкретные отторжения ионов. Ключевые мембранные методы в стадии разработки включают:

• Нанофильтрация (NF) и обратный осмос (RO) — Модифицированные мембраны с индивидуальными размерами пор и поверхностными зарядами могут предпочтительно проходить или отклонять моновалентные по сравнению с многовалентными ионами. Например, NF может концентрировать литий, позволяя проходить натрию и хлориду, улучшая восстановление ниже по течению.
• Перенос Осмоса (FO) — Использует концентрированный раствор для вытягивания воды через мембрану, концентрируя рассол и снижая потребление энергии по сравнению с RO. Это особенно перспективно для гиперсоленых геотермальных рассолов.
• Мембранная дистилляция (MD) — Движет водяной пар через гидрофобную мембрану с использованием температурного градиента. MD может производить воду высокой чистоты при концентрации минералов для добычи. Интегрированные системы MD могут использовать отработанное тепло от геотермальных электростанций, повышая общую эффективность.
• Электродиализ (ED) и обратный электродиализ — Применяют электрические поля для перемещения ионов через селективные ионообменные мембраны. Эти методы могут напрямую восстанавливать литий или другие целевые ионы с высокой чистотой, и они набирают тягу в пилотных демонстрациях.

Мембранные процессы еще не являются пробкой и игрой для всех геотермальных рассолов. Мембранное загрязнение от масштабирования кремнезема и органического вещества остается основным препятствием. Исследователи разрабатывают противообрастающие покрытия и периодические протоколы очистки для продления срока службы мембран. Несмотря на эти проблемы, несколько компаний, включая Geo40 в Новой Зеландии и Lilac Solutions в США, продвинули извлечение на основе мембран на коммерческие пилотные этапы.

2. Электрохимическая экстракция

Электрохимические методы используют электрический потенциал для управления направленными окислительно-восстановительными реакциями, которые либо растворяют, либо высаживают минералы из раствора. Они обеспечивают точный контроль над селективностью и могут быть интегрированы в существующую инфраструктуру геотермальных установок. Известные подходы включают:

• Электропоглощение — Обычно используется для извлечения металлов, таких как цинк и медь, этот метод применяет ток для нанесения металла на электрод. Для геотермальных жидкостей электропобеда может непосредственно производить пластины из марганца или цинка высокой чистоты, устраняя необходимость в химических реагентах.
• Электрохимическая экстракция лития (ELE) — Использует литий-селективный электрод или мембрану, которая при приложенном напряжении интеркалирует ионы лития, исключая другие катионы. Литий позже высвобождается в чистый раствор для полоски, что приводит к высокочистому литиевому продукту. Такие компании, как EnergySource Minerals и Standard Lithium, масштабируют процессы ELE.
• Капитулятивная деионизация (CDI) — Пары электродов, которые адсорбируют ионы при применении электрического поля; обращение полярности поглощает их в концентрированный поток. CDI был продемонстрирован для восстановления лития из геотермальных рассолов, хотя масштабирование остается на ранней стадии.
• Электрокоагуляция — Использует жертвенные электроды для генерации коагулянтов, которые связывают и осаждают минералы. Это может удалить неприятные элементы, такие как мышьяк или кремнезем, прежде чем нацелиться на ценные компоненты.

Электрохимические методы являются перспективными с точки зрения их избирательности и низкого химического следа, но они требуют стабильного электроснабжения и электродов, которые могут выдерживать высокотемпературные, коррозионные рассолы. Достижения в материалах электродов (например, оксид марганца лития, фосфат железа лития) расширяют эксплуатационные окна.

3. Биовыщелачивание и биоремедиация

Биовыщелачивание использует метаболическую активность микроорганизмов для разрушения минерально-носящих твердых веществ или для растворения металлов из жидкостей. В то время как обычно используется в добыче меди и золота, его применение к геотермальным рассолам зарождается, но растет. Микробы, такие как Acidithiobacillus ferrooxidans и Sulfolobus , процветают в горячих, кислых средах и могут окислять сульфидные минералы или катализировать осаждение целевых элементов. Для геотермальной экстракции биовыщелачивание может применяться двумя способами:

• Прямое биологическое поглощение — Некоторые бактерии и водоросли накапливают металлы из раствора посредством биосорбции или биоаккумуляции. Затем металл-нагруженная биомасса собирается и обрабатывается. Это особенно эффективно для редкоземельных элементов и драгоценных металлов при низких концентрациях.
• Косвенное биовыщелачивание — Микроорганизмы генерируют ликсивианты (например, железо железа, серная кислота), которые химически растворяют минералы из твердых фаз, которые затем могут быть восстановлены обычными средствами.

Биовыщелачивание предлагает низкие эксплуатационные расходы и экологические преимущества, но его кинетика медленная и требует тщательного контроля рН, температуры и питания. Исследователи разрабатывают термофильные (теплолюбивые) бактерии, чтобы противостоять экстремальным условиям геотермальных рассолов, и изучают биоэлектрохимические системы, которые сочетают микробную активность с электрохимическим восстановлением. Полевые испытания в Солтон-Си и в Исландии показали многообещающие результаты для селективного восстановления лития и редкоземельных элементов с использованием местных микробных консорциумов.

4. Адсорбция и обмен ионами

Твердые сорбенты, такие как ионообменные смолы, функционализированный кремнезем, металлоорганические каркасы (MOF) и литий-алюминиевые слоистые двойные гидроксиды (LDH), могут избирательно захватывать целевые ионы из раствора. Сорбент контактирует с геотермальным рассолом, загружается нужным минералом, а затем элюируется небольшим объемом реагента для получения концентрированного раствора. Этот подход хорошо зарекомендовал себя для извлечения лития из рассолов и в настоящее время адаптируется для геотермальных жидкостей. Ключевые преимущества включают высокую селективность даже в сложных химиках рассола, быструю кинетику и способность работать при умеренных температурах. Такие компании, как IBAT (Комплексная батарея и технология) и Eramet коммерциализируют процессы ионообмена для восстановления лития. Основная проблема заключается в долговечности сорбента - повторяющаяся циклизация в горячих, подверженных масштабированию рассолах ухудшает производительность с течением времени. Исследования фокусиру

5. Добыча растворителей (добыча жидкостей)

В экстракции растворителя используются органические реагенты, избирательно связывающиеся с целевыми ионами металлов в водном рассоле, перенося их в несмешиваемую органическую фазу. После разделения металл удаляется из растворителя в чистый водный раствор, получая концентраты высокой чистоты. Этот метод созревает в гидрометаллургической промышленности для производства меди, никеля и редкоземельных элементов. Для геотермальных рассолов экстракция растворителя может достигать высоких коэффициентов разделения для таких элементов, как литий, цезий и редкоземельные элементы. К числу проблем относятся потеря растворителя, образование эмульсии и необходимость больших объемов оборудования. Для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду разрабатываются непрерывные центробежные экстракторы и передовые растворители (например, ионные жидкости, глубокие эвтектические растворители).

Интеграция с геотермальными электростанциями

Наиболее экономически убедительный сценарий заключается в интеграции добычи полезных ископаемых непосредственно в существующие геотермальные установки, превращении рассола отходов в поток доходов. На установках с двойным циклом геотермальная жидкость проходит через теплообменник для испарения вторичной рабочей жидкости; затем охлаждаемый рассол повторно впрыскивается. Отводя боковой поток на единицу извлечения - после рекуперации тепла, но до реинжектора - производители могут захватывать минералы, не нарушая выработку электроэнергии. Этот подход уже осуществляется на нескольких участках:

• Солтон-Море, Калифорния — Несколько проектов (например, Controlled Thermal Resources, EnergySource, Berkshire Hathaway Energy) направлены на извлечение лития из геотермального рассола, производимого электростанциями района. Объемы производства могут достигать десятков тысяч тонн в год.
• Рейкьянес, Исландия — HS Orka в сотрудничестве с научно-исследовательскими институтами эксплуатирует опытную установку по извлечению диоксида кремния и цинка из геотермального рассола.
• Таупо, Новая Зеландия — Geo40 коммерциализировала добычу кремнезема из геотермальных жидкостей, производя кремнезем высокой чистоты для фармацевтической и стоматологической промышленности. Компания в настоящее время пилотирует добычу лития с использованием мембранных и ионообменных процессов.

Интеграция снижает дополнительные капитальные затраты на оборудование для добычи, использует доступное отработанное тепло для этапов термической регенерации и избегает дополнительного бурения. Кроме того, добыча полезных ископаемых может уменьшить масштабирование и засорение в скважинах реинжекторной добычи, улучшая долговечность установок - беспроигрышная для операторов.

Преимущества новых методов экстракции

Переход от обычной добычи к извлечению геотермальной жидкости предлагает несколько различных преимуществ:

• Низкий экологический след — Никаких открытых ям, никаких хвостохранилищ, минимальные нарушения на суше. Геотермальная добыча использует существующие скважины и поверхностное оборудование, при этом большинство жидкостей повторно впрыскиваются.
• Сокращение потребления воды — Многие традиционные процессы добычи требуют огромного количества пресной воды. Геотермальные рассолы уже находятся под землей; добыча полезных ископаемых не потребляет дополнительной воды.
• Более высокая селективность — Продвинутые мембраны, электроды и сорбенты могут нацеливаться на конкретные элементы с высокой чистотой, избегая необходимости в энергоемких этапах рафинирования.
• Сопроизводство — Добыча полезных ископаемых может сочетаться с производством электроэнергии, теплоснабжением или даже производством пресной воды посредством мембранной дистилляции, создавая несколько потоков дохода.
• Безопасность внутренней цепочки поставок — Геотермальные ресурсы географически широко распространены, уменьшая зависимость от горстки стран (например, Китай для редкоземельных элементов, Чили для лития).

Проблемы и соображения

Несмотря на эти преимущества, до широкого коммерческого внедрения остаются несколько барьеров:

• Сложность раствора — Каждое геотермальное поле имеет уникальную химию; методы добычи должны быть настроены, увеличивая время разработки и затраты.
• Шкаль и загрязнение — кремнезем, карбонат кальция и другие осадки покрывают оборудование и снижают эффективность. Часто необходимы предварительные этапы обработки, такие как дозирование антискаланта или контролируемое осаждение.
• Экономическая жизнеспособность (FLT:0) – Цены на минеральные ресурсы колеблются, а затраты на добычу по-прежнему относительно высоки. Для стимулирования инвестиций могут потребоваться субсидии, углеродные кредиты или нормативные мандаты.
• Экологические нормы — Инъекция обедненного рассола должна соответствовать стандартам качества грунтовых вод. Должны содержаться остаточные химические вещества из процессов извлечения (например, органические растворители).
• Общественное и общественное признание — Геотермальное развитие может вызвать обеспокоенность по поводу индуцированной сейсмичности, прав на воду и землепользования.

Будущие перспективы и направления исследований

Область добычи полезных ископаемых из геотермальных жидкостей быстро развивается, что обусловлено растущим спросом на критически важные минералы и растущим интересом к модели круговой экономики.

• Инновации в области материаловедения — Разработка мембранных, электродных и сорбентных материалов, устойчивых к загрязнению и регенерируемых в течение тысяч циклов.
• Интенсификация процессов — объединение нескольких операций блока (например, мембранной фильтрации, электродиализа и ионного обмена) в компактные, непрерывные системы для уменьшения площади и капитальных затрат.
• Предиктивное моделирование — Использование геохимических и технологических моделей для прогнозирования изменений состава со временем и оптимизации стратегий добычи.
• Оценка жизненного цикла — Комплексный экологический и экономический анализ для сравнения добычи геотермальных полезных ископаемых с обычной добычей полезных ископаемых и принятия политических решений.
• Более широкое сотрудничество — Партнерства между геотермальными операторами, химическими компаниями, университетами и государственными учреждениями (например, Управление геотермальных технологий Министерства энергетики США) ускоряют развертывание технологий.

Ожидается, что в течение следующих пяти лет несколько пилотных проектов достигнут коммерческого масштаба. Успех проектов по литию в Солтон-Си станет серьезным: если они окажутся экономически жизнеспособными, это может вызвать волну инвестиций в другие геотермальные месторождения по всему миру. Между тем, исследования по добыче редкоземельных элементов из геотермальных рассолов - хотя и на более ранней стадии - могут открыть новый внутренний источник для этих критически важных элементов.

Заключение

Новые методы извлечения критических минералов из геотермальных жидкостей представляют собой сдвиг парадигмы в восстановлении ресурсов. Превращая поток отходов в ценный источник лития, редкоземельных элементов и других элементов, эти технологии обещают уменьшить деградацию окружающей среды, укрепить цепочки поставок и улучшить экономику геотермальной энергии. В то время как технические и экономические проблемы остаются, быстрые инновации в мембранной науке, электрохимии и биотехнологии закрывают разрыв. При продолжающихся инвестициях и сотрудничестве геотермальные жидкости могут вскоре стать основным источником материалов, необходимых для обеспечения перехода чистой энергии. Для дальнейшего чтения обратитесь к списку критических минералов USGS , DOE Geothermal Technologies Office и недавним исследованиям в Природоустойчивость по добыче минералов из рассолов.