Добыча металлов из морской воды
Обновлено: 17.05.2024
От редакции сайта: Добыча золота из морей и океанов дело не новое. В начале прошлого века американские старатели обнаружили золото в галечниках на берегу Берингова моря. Они же основали город Ном. Для добычи золота из-под воды придумывали самые разные способы и устройства.
Старательская добыча золота продолжается возле Нома до настоящего времени. Любители изобретают драги (см.рис.слева), работают под водой в теплых гидрокостюмах, добывая золото для себя и своей страны.
Небольшой обзор по теме подводной разраотки недр приведен ниже. В дальнейшем, мы будем поддерживать эту тему, дополняя обзор новыми статьями, так как добыча полезных ископаемых в океане, несомненно, будет развиваться.
Золотая лихорадка в бездне
William J. Broad
Новый подход к пониманию морской геологии привел к открытию под водой сотен сульфидных рудных тел, что стало причиной возникновения среди стран, компаний, бизнесменов новой золотой лихорадки — морской! Началась настоящая погоня за лицензиями на участки морского дна. Теперь добытчики, мотивируемые сокращающимися ресурсами на земле и высокими ценами на золото и серебро, заняты сбором образцов и оцениванием месторождений стоимостью в миллиарды долларов.
Еще совсем недавно скептики сравнивали добычу на дне океана с разработкой полезных ископаемых на Луне. Но развитие морской геологии и прогнозы об истощении запасов металлов в ближайшее десятилетие, привели к тому, что сегодня горная промышленность «спускается» на дно океана, — это уже становится реальностью.
Экологи поднимают тревогу, утверждая, что риски при добыче на морском дне велики и не изучены. На это мировая горная промышленность отвечает серией успешных исследований, открытий и оптимистичными конференциями. Теперь технологическое развитие сосредоточено на создании новых роботов, сенсоров и другого оборудования. Некоторые технологии пришли из нефтегазовой добычи на поверхности земли, например, специальные разведочные устройства и буры, спускаемые с корабля на длинном тросе и вгрызающиеся в морское дно. В общем, разрабатываемое подводное оборудование уже позволяет искать и извлекать потаенные богатства.
Сегодня значительные силы горной промышленности, поддерживаемые на правительственном уровне в Китае, Японии и Южной Корее, брошены на охоту за сульфидными месторождениями в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах. Также частные компании, такие как «Odyssey Marine Exploration», уже провели сотни глубоководных разведочных операций в вулканических тихоокеанских зонах рядом с островными государствами Фиджи, Тонга, Вануату, Новая Зеландия, Соломоновы Острова и Папуа-Новая Гвинея.
Бывшее ранее не особо востребованным подразделение ООН, занимающееся распределением прав на добычу в море,— «International Seabed Authority» — неожиданно начали осаждать вопросами по поводу этих сульфидных месторождений.
Поскольку страны тихоокеанского региона контролируют распределение прав на добычу полезных ископаемых в своих территориальных водах, то прийти с ними к согласию порой бывает довольно трудно.
Попытки добывать полезные ископаемые были предприняты еще 60–70-е годы, но тогда прибыль была настолько мала, что никогда не покрывала высокие затраты на разведку, подъем со дна и транспортировку.
Перемены начались в 1979 году с открытия «черных курильщиков» — гидротермальных источников срединно-океанических хребтов. Из них в океаны под высоким давлением в сотни атмосфер поступает высокоминерализованная горячая вода. «Курильщики» покрывают 46000 миль вулканических трещин, создавая своего рода «сетку».
Ученые выяснили, что «курильщики» сформировались в результате того, что горячая вода, поднимавшаяся через вулканические породы, встречалась с холодной, и это приводило к осаждению различных минералов, медленно объединявшихся в «насыпи» и «столбы». Один такой «столб» высотой в 15-этажное здание, названный «Годзилла», найден у побережья штата Вашингтон.
Первая волна открытий показала, что эти вулканические источники минерального сырья дают убежище тысячам удивительных морских существ. Затем обнаружили, что эти «холмы» и «столбы», неважно, горячие они или холодные, новые или старые, активные или неактивные, состоят из комплекса минералов, содержащего внушительные количества меди, серебра и золота.
Сегодня, даже совсем не богатые месторождения (например, меди) на поверхности отрабатываются современнейшей дорогостоящей техникой, хотя многие промышленные руды содержат ничтожно малые концентрации металла — всего полпроцента. В то время как океанские разведчики обнаружили на дне руду с 10-процентной концентрацией (и выше) и не только меди, но и золота и серебра.
15 лет назад первую лицензию на подводный участок получила компания «Nautilus Minerals» (Канада). Она выиграла право на разработку на 2000 квадратных милях вулканического морского дна возле Папуа-Новой Гвинеи. Но фирма не спешит переходить непосредственно к добыче, а вот разведка у «Nautilus Minerals» поставлена на «отлично»: компания занимается исследованием сотен различных мест дна Тихого Океана, обнаружив уже не один десяток перспективных с точки зрения подводной добычи участков.
В прошлом году «Nautilus» получил 20-летнюю лицензию на разработку богатого (10 тонн золота и 125000 тонн меди) месторождения на глубине около мили в Море Бисмарка на юго-западе Тихого Океана. «Nautilus» возможно начнет добычу в следующем году. Сейчас компания занята строительством роботов высотой около 8 метров, которые будут собирать и перекачивать сульфиды на поверхность. Затем минералы на баржах будут транспортироваться в ново-гвинейский порт Рабаул.
Эксперты по всему миру пристально следят за работой «Nautilus», за тем, как компания избегает острых экологических вопросов и использует новейшие технологии. «Любой успех станет катализатором для других горнодобывающих компаний», — говорит российский морской геолог и президент «Института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана» Георгий Черкашов.
Правительства многих странах заинтересовано в морской добыче полезных ископаемых. Китай - крупнейший потребитель золота, меди и других промышленных металлов, не ждал подтверждений успешности добычи на океанском дне. Когда в мае 2010 года были приняты правила разведки сульфидов, представители Пекина в тот же день подали заявку от своей страны. В прошлом году Китай подписал контракт на получение исключительных прав на разработку 3860 квадратных миль вулканической расселины в Индийском Океане. Генеральный секретарь «Агентства по минеральным ресурсам океана» Дзин Дзанкай сказал журналистам, что такие месторождения «помогут Китаю соответствовать высокому спросу» на металлы.
Тем временем, крупнейший импортер медного концентрата Китая и один из крупнейших в мире переплавщиков компания «Tong Ling» недавно подписала соглашение с «Nautilus» на поставку со дна Тихого Океана более чем 1 миллиона тонн в год сульфидных руд. Кроме того, страна разрабатывает устройство для разведки сульфидизированных участков, способное погружаться на большие глубины и названное в честь мифического дракона «Jiaolong».
Россия «заразилась» глубоководной лихорадкой в 2011 году, а Франция и Южная Корея в мае этого года. Совсем недавно Сеул получил право на разведку в водах Фиджи.
Океанограф из Университета Вашингтон Джон Дилэйни, изучавший вулканическую активность на океанском дне в течение десятков лет, говорит, что экологическая опасность от проектов, реализующихся в открытом океане, возможно, меньше, чем от проектов, которые реализуются в территориальных водах островных государств Тихого Океана. «Они больше заботятся о своей экономике, чем об экологии», — сказал мистер Дилэйни в интервью.
Дополнительная информация по теме
Nautilus Minerals уходит на глубину (читать)
Судан и Саудовская Аравия продолжают строить планы на морскую добычу (читать)
Стружков Ф. Э., Чаунское райгру. Полезные ископаемые со дна моря. Колыма, 1969, №12
Химические ресурсы Мирового океана
Мировой океан — огромный природный резервуар, заполненный водой, которая представляет собой сложный раствор различных химических элементов и их соединений. Некоторые из них извлекаются из воды и используются в производственной деятельности человека и, будучи компонентами солевого состава океанских и морских вод, могут рассматриваться как химические ресурсы.
Из 106 известных химических элементов 70 найдено в океанских и морских водах. Концентрация лишь нескольких из них превышает 1 г/л. К ним относятся: хлористый натрий (27,2 г/л), хлористый магний (3,8 г/л), сернокислый магний (1,7 г), сернокислый кальций (1,3 г). Только 16 элементов находятся в океане в количестве более 1,1 мг/л, содержание остальных измеряется сотыми и тысячными долями миллиграмма в литре воды. Из-за ничтожно малых концентраций их называют микроэлементами химического состава вод Мирового океана.
При очень малых концентрациях веществ и элементов в 1 литре океанской воды их содержание достигает весьма внушительных размеров в сравнительно больших объемах вод. В каждом кубическом километре морской воды растворено 35 млн. тонн твердых веществ. В их числе 19,8 млн. тонн поваренной соли, 9,5 млн. тонн магния, 0,89 млн. тонн серы, 31 тыс. тонн брома, 10 тонн алюминия, 3 тонн меди, 3 тонн урана, 0,3 тонн серебра, 0,04 тонн золота и т.п.
Учитывая громадный объем вод Мирового океана, суммарное количество растворенных в них химических элементов и их соединений исчисляется колоссальными величинами. Их общий вес равен 50*10 15 тонн. Большую часть (99,6 %) солевой массы океана образуют соединения натрия (77,68 %), калия (2,1 %), магния (9,18 %), а также сульфаты магния (6,39 %) и кальция (3,7 %). На долю всех остальных составляющих раствора приходится лишь 0,4 %.
Добыча химических ресурсов океана
Из разнообразных и огромных запасов химических богатств океанов и морей в настоящее время добывается очень небольшая часть их, хотя во многих из них ощущается острый дефицит. Объясняется это тем, что еще не созданы эффективные технические способы извлечения многих полезных компонентов из морской воды. В настоящее время используются только те химические ресурсы Мирового океана, добыча которых из океанских вод экономически выгоднее получения их из аналогов на суше. Принцип рентабельности лежит в основе морского химического производства, к главным видам которого относится получение из морской воды поваренной соли, магния, калия и брома. Степень сложности и особенности технологии извлечения этих веществ из вод Мирового океана в промышленных масштабах определяются состоянием и взаимодействием химических элементов в морской воде.
Сравнительно простая форма такого химического соединения, как поваренная соль, обусловливает относительную простоту и крупные объемы ее добычи. Из морской воды соль выпаривают в естественных условиях бассейновым способом, для чего применяются специальные бассейны. Этот способ базируется на закономерной последовательности выпадения в осадок различных солей при увеличении концентрации рассола. Таким образом, в результате испарения из морской воды вначале осаждаются известняк и доломит, а на заключительной стадии — хлориды. Бассейновый способ пока еще малоэффективен, так как из 1000 м 3 морской воды получают примерно 1,3 тонн соли. Остальная часть поваренной соли и других ценных веществ — соединения магния, галоиды — вместе с маточным рассолом спускается в море.
Несмотря на этот недостаток, добыча поваренной соли из морской воды достигает 6-7 млн. тонн в год, что равно 1/3 ее мирового производства. Крупные предприятия по добыче поваренной соли из океанских и морских вод имеются на побережьях Болгарии, США, Англии, Франции, Италии, Индии, Китая, Турции, Филиппинских островов. В США, например, около 5% потребляемой поваренной соли вырабатывается из морской воды.
Поваренная соль используется главным образом в пищевой промышленности, куда идет соль высокого качества, содержащая не менее 96% NaCI. При его более низких концентрациях (94 — 95%) соль направляется на промышленные нужды: для получения соды, едкого натра, соляной кислоты, гипса и других продуктов. Низкосортная (90 — 91% NaCI) соль применяется в холодильных установках, а также идет на различные бытовые нужды.
В водах Мирового океана растворено большое количество магния. Хотя его концентрация в морской воде относительно невелика (0,13%), однако она намного превышает содержание других металлов, кроме натрия. Морской магний встречается преимущественно в виде хлористых и в меньшей степени сернокислых легкорастворимых соединений. Поскольку эти соли кристаллизуются одновременно, извлекать магний из морской воды простым испарением невозможно. Поэтому сначала его отделяют от натрия, калия и кальция, окисляя до нерастворимой окиси магния, и уже ее подвергают электрохимической обработке.
Первая тонна морского магния была получена в 1916 г. в Англии. С тех пор его производство неуклонно развивалось. В настоящее время Мировой океан дает свыше 40% мирового производства магния. Кроме Великобритании, которая на 50% удовлетворяет свою потребность в этом металле, извлекая его из морской воды, аналогичное производство развито в США (оно дает 80% потребления), во Франции, Италии, Канаде, Мексике, Норвегии, Тунисе, Японии, Германии и некоторых других странах. В настоящее время магний применяется для изготовления различных легких сплавов и огнеупорных материалов, цемента, а также во многих других отраслях хозяйства Спрос на него быстро увеличивается и в значительной мере будет удовлетворяться магнием, полученным из морской воды.
Концентрация калия в океанских и морских водах весьма невелика. К тому же он находится в них в виде двойных солей, образуемых с натрием и магнием, поэтому извлечение калия из морской воды — химически и технологически сложная задача. Промышленная добыча «морского» калия основана на обработке морской воды специально подобранными химическими реагентами (дипикриламин) и сильными кислотами. В зависимости от применяемой кислоты получают соответствующую калийную соль.
Калий начали добывать из морской воды в годы первой мировой войны, когда его основные месторождения на суше, в Страсбурге и Эльзасе, дававшие около 97% мирового производства, были захвачены Германией. В это время морской калий стали получать в Японии и Китае. Вскоре после первой мировой войны его начали добывать и другие страны. В настоящее время только одна Япония добывает из морской воды 10 тыс. тонн калия в год. Калийные соли используются как удобрения в сельском хозяйстве и как ценное химическое сырье в промышленности.
Хотя концентрация брома в Мировом океане незначительна (0,065%), он был первым веществом, которое начали добывать из морской воды, поскольку из минералов суши, где он содержится в ничтожно малых количествах, его извлечь практически невозможно.
Поэтому мировое производство брома (примерно 100 тонн в год) в основном базируется на его добыче из морской воды. Заводы по производству морского брома есть в США (их годовая продукция оценивается в 23 млн. долл.), в Великобритании и Японии. Строительство таких предприятий проектируется в Канаде, Аргентине, Индии и в других странах, что позволит увеличить добычу брома из морской воды. Обычно заводы выпускают бром в виде различных соединений, необходимых потребителям.
Помимо этих основных веществ, которые в настоящее время океан дает человеку, большой интерес для производства представляют и микроэлементы, растворенные в его водах.
К ним, в частности, относятся извлекаемые из морской воды пока в небольших количествах литий, бор, сера, а также перспективные по технологическим и экономическим причинам золото и уран. Некоторые страны интенсивно разрабатывают промышленные методы извлечения золота из морской воды, но ощутимые результаты пока еще не достигнуты: все современные технологии остаются малоэффективными.
Стремление стран к обеспечению своих нужд ядерным горючим ставит на повестку дня добычу урана из океанских вод. Установки для этой цели разрабатываются в Великобритании, Германии и Японии. Так, японские специалисты провели эксперимент, показавший реальную возможность извлечения урана из морской воды. Для этого использовался высокоэффективный абсорбент, в состав которого входили активированный уголь, гидроокиси титана и других металлов. Установка с этим фильтром позволяет извлекать из воды в среднем 0,5-0,6 мг урана на 1 грамм собственного веса абсорбента. Это первый шаг в деле промышленной добычи урана из морской воды.
Краткое рассмотрение современного использования химических богатств океанов и морей показывает, что уже в настоящее время извлекаемые из соленых вод соединения и металлы вносят существенный вклад в мировое производство. Морская химия наших дней дает 6-7% доходов, получаемых от освоения ресурсов Мирового океана. Вместе с тем это перспективная отрасль океанского хозяйства, развитие которой связано с решением таких важных проблем, как, например, разработка технологии более полного извлечения солей при бассейновом способе добычи поваренной соли, создание рентабельных методов получения из морской воды важнейших микроэлементов в промышленных масштабах, повышение эффективности добычи и т. п. В этом направлении в разных странах ведутся теоретические исследования и конструкторские разработки.
Неприкосновенный золотой запас океана
Сто лет назад Фриц Габер предпринял попытку добывать золото из морской воды
Проект Фрица Габера закончился неудачей, как и все другие попытки аккумуляции золота из океана химическими методами, и до, и после него. Но мысль о добыче золота из морской воды не оставляет ученых: сейчас они делают ставку на моделирование процессов биоаккумуляции металлов морскими организмами. С золотом в обозримом будущем это вряд ли получится, но для некоторых тяжелых и переходных металлов шансы на успех уже появились.
Спаситель нации
Попытка Габера извлечь золото из морской воды в промышленных масштабах изучена историками науки вдоль и поперек. В апокрифическом варианте эта история гуляет по электронным энциклопедиям и соцсетям. Если коротко, дело было так. Движимый патриотическим долгом профессор Технологического института Карлсруэ Фриц Габер решил наладить процесс соосаждения золота из морской воды с сульфатом свинца и последующим извлечением из осадка драгоценного металла с тем, чтобы этим золотом Германия расплатилась по репарациям со странами, победившими ее в Первой мировой войне. Они требовали от Германии 132 млрд золотых марок (эквивалент 50 тыс. тонн золота), и взять такую сумму в 1920 году немцы могли разве что из Мирового океана. Во всяком случае, профессору Габеру, пообещавшему попробовать высосать эти тысячи тонн золота из морской воды, его соотечественники поверили сразу и безоговорочно.
Химик он был гениальный и удачливый, к тому же большой патриот Германии. Придумал, как получать аммиак в буквальном смысле из воздуха. В 1918 году ему присудили за это Нобелевскую премию по химии. А еще раньше, в 1913 году, в Германии по технологии Габера заработал первый завод по синтезу аммиака — как символ избавления от импортозависимости от чилийской и индийской селитры, которая лимитировала производство удобрений и взрывчатки в рейхе накануне великой войны. И в годы войны Габер внес неоценимый научный вклад в создание немецкого Wunderwaffe того времени — боевых отравляющих веществ. Ну как было не поверить в успех его нового патриотического предприятия, и ему поверили даже промышленники и банковский капитал. Немного помявшись, они все-таки вложились в его проект и финансировали на протяжении пяти лет, с 1922 по 1927 год.
Сам Габер тоже, без сомнения, верил если не в промышленный, то в научный успех своего проекта по извлечению золота из морской воды, иначе не взялся бы за него, рискуя репутацией ученого и добрым именем честного человека. Наверняка ему было известно про неудачную попытку Уильяма Рамзая, тоже нобелевского лауреата по химии (1904), сделать это в Англии. Знал он и про многочисленные патенты других менее титулованных химиков на добычу золота из морской воды, ни один из которых не был реализован на практике. И, конечно же, слышал про аферы жуликов, эксплуатировавших веру в науку неученого народа.
Самой яркой такой аферой прославился некий пастор из Новой Англии, который, по данным американских газет того времени, собрал с акционеров основанного им общества по аккумуляции золота из моря почти миллион долларов и сбежал с деньгами, оставив акционерам пару «аккумуляторов золота», которые при ближайшем рассмотрении оказались кастрюлями-скороварками. Рамзай, кстати, создал траст для добычи золота, причем это долгое время держалось в тайне, поэтому там обошлось без скандала, по крайней мере публичного. Таким образом, возникает вопрос: на что надеялся Габер, не считал же он всерьез, что кругом дураки, один он умный.
Аналитика подвела
Исходной ошибкой Фрица Габера была неверная оценка концентрации золота в морской воде, но то была не его вина. У Габера не было оснований не доверять десяткам, если не сотням серьезных научных работ, сделанных серьезными учеными, по измерению содержания золота в водах Мирового океана. Во всех этих исследованиях их авторы оценивали концентрацию золота в морской воде в интервале от 2 до 64 мкг/л, или, как сейчас принято писать в научных работах по геохимии микроэлементов,— от 2 до 64 ppb (parts per billion — частей на миллиард).
А это означало, что в одном кубометре (тонне) морской воды содержится от 2 до 65 мг золота. Не густо, как говорится, но зато это были гарантированные миллиграммы, а их источник был в буквальном смысле бездонный. Много позже стало известно, что еще в декабре 1919 года на торжествах при вручении ему Нобелевской премии в Стокгольме (чек на премию1918 года Габер получил только через год после заключения Компьенского перемирия) он имел беседу со Сванте Аррениусом (автором теории электролитической диссоциации) насчет перспектив извлечения золота из морской воды.
Нобелевский лауреат Аррениус, кстати, был одним из тех серьезных ученых, которые оценивали концентрацию золота в океане в микрограммовых количествах на литр воды и даже рассчитал общее содержание золота в Мировом океане — 8 млрд тонн, что при уровне ежегодной мировой добычи золота в то время в 500 тонн выглядело заманчиво. Экономические расчеты показывали, что расходы на довольно затратные процедуры предварительного концентрирования золота из огромных объемов морской воды и затем окончательного его соосаждения окупятся и из каждых 10 мг металла, извлеченных из тонны морской воды, 2 мг золота пойдут в прибыль.
Но все расчеты, как научные, так и бухгалтерские, пошли прахом, как только Габер приступил к осаждению золота из морской воды. Его в осадке практически не было по одной простой причине: концентрация золота в морской воде оказалась на три порядка меньше, чем предполагалось. В лаборатории Габера было проанализировано несколько тысяч проб воды из разных точек Мирового океана, но везде содержание золота было максимум на уровне тысячных миллиграмма на тонну воды.
С точки зрения морской геохимии Габер проделал важную и полезную работу — уточнил концентрацию золота в морской воде фактически по всей акватории Мирового океана. Результаты этой грандиозной работы он опубликовал в 1927 году в статье «Золото в морской воде» в одном из номеров немецкого «Журнала прикладной химии» (Haber, F. «Das Gold im Meerwasser». 1927. Zeitschrift fur Angewandte Chemie. 40 (11): 303–314). Но с точки зрения рентабельности свой проект ему следовало закрыть, что он и сделал в том же 1927 году.
Задним числом понятно, почему так получилось: аналитические методы измерения столь малых количеств вещества были несовершенны, столь же несовершенны были и методы выделения чистого вещества из смесей, не было возможности строго проконтролировать загрязнение анализируемого образца химическими реактивами и т. д. Помимо прочего Габер в ходе своего проекта во многом усовершенствовал методики микроанализа, но и после него с появлением принципиально новых методов и приборов — сначала пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, а потом масс-спектрометрии — концентрация золота в морской воде каждый раз снижалась.
Когда Габер приступил к работе по извлечения золота из моря, концентрация этого металла в морской воде измерялась в ppb, когда он свернул свой проект — в ppt (part per trillion — частях на триллион), сейчас — в ppq (parts per quadrillion — частей на квадриллион). На сегодняшний день концентрация золота в морской воде оценивается в 10–30 ppq. Понятно, что за один век золота в морской воде не стало меньше в миллион раз, просто измерения его концентрации стали намного точнее. И в абсолютном выражении золота в океане, как это ни печально, на тот же порядок стало меньше: при средней концентрации 10 ppq его в Мировом океане всего-то 15 тыс. тонн, а не 8 млрд тонн, как считал Сванте Аррениус.
Золото Талмуда
Неудача Габера не остановила ученых, они и после его признания в невозможности добычи золота из морской воды упорно продолжали это делать. А чуть раньше публикации финальной статьи Габера в 1927 году 11 мая 1925 года газета The New York Times сообщила своим читателям: «Мечту об извлечении золота из морской воды возродил одесский профессор Талмуд, чьи эксперименты уже признаны достаточно успешными, чтобы побудить отдел технических наук Высшего совета народного хозяйства СССР предоставить в его распоряжение лабораторию и оказать содействие в материалах и средствах для дальнейшего изучения возможности развития процесса в экономически выгодном масштабе».
Фамилия Талмуд достаточно редкая даже в Одессе, но в те годы там было сразу два химика с такой фамилией — Давид Львович Талмуд и Израиль Львович Талмуд, родные братья, выпускники Одесского химического института на улице Коминтерна (б. Дворянской). Давиду тогда было 25 лет, его брату Израилю — 23 года, так что едва ли кто-то из них имел профессорское звание (хотя в те времена было возможно и такое). Сейчас трудно установить, кто из них добыл из моря близ Одессы столько золота, чтобы просить товарища Рыкова, возглавлявшего ВСНХ, дать ему лабораторию и грант на дальнейшие исследования. Но от «одесского золота» ничего, кроме заметки в NYT (и, вероятно, в советских газетах, откуда ее переписал американский корреспондент), в истории науки не осталось.
Наверное, это было к лучшему, иначе в деле Рыкова, Бухарина и прочих «правотроцкистов», осужденных и расстрелянных в 1938 году, могли фигурировать и братья Талмуды. А они прожили долгую и достойную жизнь. Старший, Давид, стал известным коллоидным химиком, основателем глобулярной теории строения белков, членом-корреспондентом АН СССР с 1934 года, лауреатом Сталинской премии, кавалером орденов Ленина и Отечественной войны. Младший, Израиль, пошел по производственной линии, дослужился до директора Волховского алюминиевого завода, откуда ушел на руководящую должность в ГКНТ, был награжден Ленинской премией за разработку технологии комплексной переработки нефелинового сырья на глинозем, сопродукты и цемент. Про золото из морской воды ни один из них больше никогда публично не упоминал.
Стальные зубы и латунные челюсти
Не успела окончательно растаять надежда на извлечение золота из морской воды химическими методами, как появилась новая идея. Она лежала, как говорится, на поверхности. Еще в викторианские времена, когда морская геохимия накапливала данные, двигаясь сплошным фронтом вширь и вглубь Мирового океана, стало известно, что некоторые металлы, которые в океане содержатся в следовых количествах, на грани тогдашних методов их обнаружения, морские организмы накапливают в своих тканях до миллиграммовых величин на килограмм живого веса. Иными словами, ученые вернулись на тот уровень содержания металлов в океане, который Габер счел рентабельным для морской добычи золота.
Разумеется, никто не собирался извлекать миллиграммы золота из планктона, бентоса и рыб, сжигая их тоннами, да и золота в них в таких количествах не было, а были железо, никель, кобальт и другие металлы, которые не представляли такого интереса, чтобы искать иной способ их добычи взамен традиционной металлургии. Прицел был другой: детально изучить процесс биоаккумуляции металлов гидробионтами, а потом смоделировать его в промышленных масштабах применительно к золоту.
Насколько популярна эта идея была в предвоенные годы говорит хотя бы то, что она попала на страницы фантастического романа Григория Адамова «Тайна двух океанов», который вышел в 1938 году. Там сын советского дипломата пионер Павлик предельно четко формулирует задачу, которую надо решить Цою, химику подводной научной экспедиции и секретарю комсомольской ячейки на подлодке «Пионер»: «Эти проклятые моллюски высасывают из морской воды золото. Мы их заставим высасывать это золото для нас! Мы их превратим в фабрики золота! В советские фабрики золота!»
К сожалению, эта задача была в те годы невыполнима даже для секретаря комсомольской организации и еще долго оставалась таковой для менее социально ответственных ученых. Сдвиг наметился только в 1960-е годы, когда Кеннет Тоув и Хайнц Ловенстам из Смитсоновского института (США) обнаружили у морского моллюска криптохитона Стеллера настоящие металлические зубы, точнее зубцы на радуле, ротовой терке, которой моллюск соскребает с камней на дне обрастания — его обычную пищу. А если еще точнее, то металлическими были не сами зубцы, которые состоят, как и наши зубы, из фосфатов кальция, а кончики зубцов. На микрофотографиях, сделанных учеными, было видно, что на кончики зубцов моллюска словно каким-то сказочным дантистом надета стальная коронка из магнетита (FeO·Fe2O3) с острым концом и режущими краями.
Хитоны — одни из самых древних и примитивных моллюсков, панцирь на их спине состоит из пластин, сочлененных подвижно, как у броненосца, и они могут, как те же броненосцы или ежики, сворачиваться шариком. Криптохитон Стеллера, довольно крупное существо длиной до 40 см и весом до 2 кг, водится в американских прибрежных водах от Калифорнии до Аляски, у нас — от Камчатки до Японии. Люди его ловили и поедали тысячи лет, пока не задумались: как же сами хитоны не ломают себе зубы, если в буквальном смысле грызут камни. Результат этого любопытства оказался впечатляющим.
Потом железные терки обнаружились у других моллюсков-детритоедов, например у морских блюдечек. Они водятся и в морях, и в пресных водах, их панцирь похож на коническую шляпу китайского или вьетнамского крестьянина. Только у них «коронки» на зубах не магнетитовые, а из другого минерала — гетита (FeOOH). Хорошо изучен и процесс минерализации радулы моллюсков железом. Ее внутренний, погруженный в ткани глоточной стенки конец, где формируются молодые зубцы, прозрачен и целиком состоит из органического вещества. По мере того как старые рабочие зубцы снашиваются, новые передвигаются наружу, приобретают сначала красновато-коричневую окраску, а затем становятся черными и блестящими — железными.
Вскоре металлические челюсти, только не железные, а латунные, обнаружили у многощетинковых червей глицерид ученые из лаборатории Морской биологической ассоциации Великобритании в Плимуте. Глицериды, крупные хищные черви размером до полуметра, питаются донными рачками-бокоплавами. При поимке жертвы глицерида выворачивает глотку, образуя мускульный хоботок, на конце которого обнажаются четыре симметричные челюсти черного цвета, похожие на крючки. Они захватывают рачка и, сдавливая его, прокалывают его хитиновый панцирь. В тело жертвы впрыскивается яд, а затем глотка с умерщвленным бокоплавом втягивается внутрь. Понятно, что и в этом случае в эволюции шел отбор на особо прочные кончики челюстей, способные проколоть довольно прочный хитиновый панцирь жертвы. Как показал химический анализ и микрофотографии срезов челюстей, на их кончиках тоже были металлические чехольчики практически из чистой меди с легирующей добавкой цинка, то есть настоящие латунные коронки.
Молекулярная металлургия
Железные зубы моллюсков и латунные челюсти полихет — самые любопытные примеры морской «биометаллургии», но примеров накопления металлов гидробионтами на сегодня известно уже множество. Например, «медные» жабры сидячих многощетинковых червей из семейства амфаретид, черви прикреплены к дну и убежать от рыб, которые откусывают их торчащие наружу жабры, не могут, зато могут накопить в жабрах медь до ядовитого для рыб количества. Или асцидии, которые в клетках ванадоцитах в целомической жидкости (аналоге крови высших животных) накапливают ванадий до концентрации в миллион раз выше, чем в морской воде. И так далее.
При этом природа снабжает моллюсков железными зубами, а полихет — латунными челюстями без сопутствующей разведки и добычи руды, ее обогащения, доменных печей, литья и прочих энергоемких горных и металлургических технологий, а тихо, незаметно, без видимых усилий. Как именно, это и пытаются выяснить ученые. Ведь помимо прочего океан в отличие от наземных рудных месторождений — возобновляемый источник металлов.
Сегодня впервые после проекта Габера это направление науки переживает ренессанс, исследования ученых снова финансируются, а они со своей стороны в заявках на гранты рисуют такие заманчивые картины практического использования их результатов в будущем, до каких не додумался бы не только Павлик, но даже секретарь партийной организации подводной лодки «Пионер». Вот только до реализации морской металлургии хотя бы в лабораторных условиях пока, увы, далеко.
С недавних пор биоаккумуляцией металлов заинтересовались молекулярные биологи, которые сейчас исследуют транскриптом тканей радулы хитона. На первом этапе им удалось выяснить, что наиболее экспрессированные транскрипты на неминерализованных участках содержат гены ферритина, а на минерализованных — ферменты митохондриальной дыхательной цепи. Также исследователи выделили 22 белка в минерализованной области, среди которых был обнаружен один совершенно новый — RTMP1. Именно эти белки и станут предметом дальнейших исследований минерализации оксида железа у хитонов. А пока самым важным из белков, участвующих в процессе минерализации, считается ферритин, который формирует белковую клетку-ловушку, в которой помещается до 4500 атомов железа в форме минерала магнетита.
Что же касается золота, то оно биологически инертно и в процессах биоаккумуляции не замечено. Вроде бы есть данные насчет каких-то видов бактерий, копящих золото, но они требуют проверки, после истории с золотом Габера подобные вещи воспринимаются критически.
Добыча золота из морской воды — вопрос времени?
Золото попадает в моря и океаны различными путями. Прежде всего, оно выносится реками, которые на своем пути размывают золотосодержащие породы, растворяют некоторое количество освободившегося золота и несут в своих потоках мельчайшие золотые пылинки. Так, согласно расчетам, река Амур ежегодно выносит в Татарский пролив более 8 тонн золота, что превышает годовую добычу ряда золотодобывающих стран.
Часть золота попадает в море из метеоритного вещества. В книге Л.В.Фирсова указывается, что ежегодно в атмосфере земли распыляется около 3500 тонн метеоритного вещества, в котором находится примерно 18 кг золота. Следовательно, только за последний миллион лет в земной атмосфере было распылено 18 тысяч тонн золота, большая часть которого в конечном итоге попала в Мировой океан.
По наблюдениям французских ученых вулкан Этна на острове Сицилия ежедневно вместе с пеплом выбрасывает в атмосферу в виде мельчайших частиц 2,5 кг золота.
Золото также попадает в океан из золотосодержащих горных пород, имеющих выходы к береговой зоне или на морском дне. Так, в районе полуострова Рейкьянес (Исландия) ученым удалось найти термальный источник, рядом с которым концентрация золота в миллионы раз превышает концентрацию в обычной морской воде. Специалисты Центра океанических исследований им. Гельмгольца (англ. Helmholtz Centre for Ocean Research, GEOMAR) в Киле (Германия) установили, что в геотермальных водах Рейкьянеса содержится по меньшей мере 10 т золота. Согласно их предположению, во время циркуляции по подземным породным колонкам морская вода аккумулирует частицы драгоценного металла, и обратно она поступает, уже насыщенная золотом.
Большая часть золота осаждается и накапливается в морских осадках, но мельчайшие частицы остаются во взвеси морской воды.
Идея извлечения золота, взвешенного в морской воде, — не нова, ей уже более 150 лет. В 1872 году британский химик Эдвард Сонстадт сообщил, что обнаружил золото в морской воде. Это открытие подтолкнуло к действию как изобретателей, так и мошенников всех мастей.
Самая крупная афера того времени попала на первые полосы газет. Прескотт Форд Джерниган, священник из Новой Англии, заявил, что изобрел машину, собирающую золото из морской воды. Он назвал ее «Золотым накопителем» (от англ. “Gold Accumulator”). Его устройство якобы работало на электричестве и ртути. Джерниган вместе со своим другом Чарльзом Фишером учредили целую компанию, Electrolytic Marine Salts Company. Чтобы найти финансовую поддержку своему детищу, они объявили, что в водах одного только пролива Лонг-Айленд столько золота, сколько хватит на оплату всех долгов и наполнения казны США. Более того, для потенциальных инвесторов даже была организована демонстрация процесса извлечения.
К концу 1898 года компании удалось собрать миллион долларов, и они открыли фабрику в Любеке (штат Мэн), намереваясь выпустить тысячу «Золотых накопителей». Но скоро все стало меняться, некоторые инвесторы решили поподробнее взглянуть на деятельность предприятия… Когда правда всплыла, Джерниган бежал в Европу и смог таким образом избежать тюрьмы, а о Фишере до сих пор ничего не известно.
Однако этот громкий скандал не смутил прочих изобретателей. По другую сторону Атлантики Генри Клэй Булл (Henry Clay Bull) подал заявку на патент, в котором он описал метод «всасывания золота из соленой воды». Этим патентом так никто никогда и не воспользовался.
Патенты по добыче золота из морской воды в начале XX века сыпались, как из рога изобилия. Однако все попытки не давали главного — золота.
Одну из наиболее серьезных попыток решить проблему сделал немецкий химик Фриц Габер. В 1920 году в Германии был тайно создан комитет по поиску способа извлечения золота из морской воды. Для работы были созданы методики точнейшего анализа содержания золота (с чувствительностью до 1×10 -10 г/л), а также методы повышения концентрации его в воде (до 10 тысяч раз). После трех лет секретной работы над этой проблемой Габер уверовал в свое дело: если доверять его анализам, то вода океана содержит в среднем от 5 до 10 мг золота на кубический метр.
Экономические расчеты были обнадеживающими: добыча нескольких миллиграммов золота на тонну морской воды покроет производственные затраты, а превышающие это количество 1 или 2 мг пойдут в прибыль.
Осуществление проекта согласились финансировать такие концерны, как «Предприятие по выделению серебра и золота» (Degussa) во Франкфурте-на-Майне и «Банк металлов». Габер начал создавать свою плавучую опытную лабораторию. Он хотел планомерно обойти Мировой океан, чтобы исследовать, в каких его водах больше всего золота.
На перестроенной канонерке «Метеор», которую переоборудовали в «океанографическое исследовательское судно», исследователи вышли в море в апреле 1925 года. Они должны были возвратиться из своего путешествия в начале июня 1927 года.
Циркулируя туда-сюда между побережьями Америки и Африки, экспедиция отобрала свыше 5000 проб воды, которые были отосланы в специальных запломбированных сосудах в институт в Берлин-Далеме. Еще несколько сот проб были получены с других кораблей из бухты Сан-Франциско и с побережий Гренландии и Исландии. Советские коллеги прислали Габеру образцы воды из Северного Ледовитого океана.
В мае 1926 года в докладе «Золото в морской воде» Фриц Габер впервые открыл тайну — он сообщил о шансах получения золота из морской воды. И приведенные им данные были уничтожающими: «Золота из Мирового океана не будет!».
Оказалось, что результаты первых анализов были неверные! В расчеты вкрались методические ошибки, которые давали завышенное содержание золота в морской воде. Слишком велика была вера в классическое химическое пробирное искусство! Кроме того, вначале не было навыков по разделению микроколичеств золота и серебра, в результате чего выделялось золото вместе с серебром. Не была учтена возможность занесения микроколичеств золота извне. Золото в виде следов присутствует повсюду: в реактивах, сосудах, посуде. Это небольшие количества, но их достаточно, чтобы исказить результат микроанализа и привести к завышенным значениям.
Профессору Габеру потребовалось длительное время, чтобы найти источники ошибок и исключить их. С помощью усовершенствованного метода он смог определить с достоверностью даже миллионную часть миллиграмма (10 -9 г) золота. В итоге вместо 5–10 мг золота в кубическом метре морской воды Габер нашел лишь тысячную долю: в среднем от 0,005 до 0,01 мг. Только у побережья Гренландии содержание золота возросло приблизительно до 0,05 мг/м 3 . Однако золото такой концентрации можно было найти лишь в воде, полученной после таяния пакового льда.
Габер исследовал также золотоносную реку Рейн. Он учитывал тот факт, что еще сто лет назад в землях Бадена на приисках этой реки добывали золото для чеканки своих монет. Габер обнаружил в среднем 0,005 мг золота на кубический метр воды. С водой Рейна уплывает ежегодно почти 200 кг золота, растворенного в более чем 63 миллиардах кубических метров воды. Однако кто его добудет? Габер не видел возможности для рентабельного извлечения такого золота. С его точки зрения рейнское золото не представляло ничего привлекательного.
Разочарованный ученый считал, что, возможно, где-нибудь в Мировом океане и существуют пространства, в которых благородные металлы находятся в концентрациях, благоприятствующих их промышленному осовению. Но Габер смирился: «Я отказываюсь искать сомнительную иголку в стоге сена».
В 1941 году в газете Times был опубликован материал, в котором говорилось, что некий профессор разработал метод получения золота на основе процесса извлечения бромида. Изобретатель Колин Финк даже подал заявку на патент, но его идея так и не была реализована.
Американский исследователь Генри Балл более 30 лет назад установил, что в морской воде золото содержится в виде иодида. Иодид золота (AuI) — твердое вещество лимонно-желтого цвета с плотностью 8,25 г/см 3 , разлагается на элементы при нагревании до 177 °С. Восстанавливается диоксидом серы или монооксидом углерода до золота. В результате исследований Балл предложил извлекать золото из морской воды с помощью негашеной извести. По его расчетам, на 4,5 тыс. тонн воды требуется всего 1 тонна извести. Принцип действия установки Балла был прост. Во время прилива морская вода поступает в бассейн, где смешивается с известковым молоком. Через определенный промежуток времени, уже будучи отработанной, через сливную трубу она сбрасывается обратно в море. Остающийся на дне осадок перекачивается в отстойник, откуда транспортируется к месту переработки для извлечения золота.
Для реализации этого способа требуются многомиллионные вложения в строительство бетонной плотины, а также укладки труб для отвода отработанной воды в море.
Инженер Русских В.И. предложил более дешевый и безотходный способ извлечения золота. Он предлагал использовать вместо негашеной извести золу тепловых электростанций. Эта зола содержит не менее 10% негашеной извести, поэтому для обработки 4,5 тысяч тонн морской воды потребуется примерно 10 тонн золы. В настоящее время отвалы золы от тепловых электростанций составляют более 10 млрд тонн. Она используется очень мало. Простой расчет показывает, что данный метод в тысячу раз менее затратен, чем другие способы извлечения золота из воды. Кроме того, уже в настоящее время этот способ легко окупит себя в течение года, даже при условии 20% извлечения золота из морской воды. В случае попутного извлечения из морской воды редких, благородных рассеянных металлов время окупаемости сократится в несколько раз.
Наиболее сложное в реализации этого способа — это выбор места строительства затопляемого бассейна. Идеальное место должно быть расположено недалеко от водных течений, с регулярными приливами и отливами, берег должен быть из твердых пород (например, гранита, известняка и т.п.), вдалеке от населенных пунктов, рядом с железнодорожными путями. Выполнение этих требований позволит снизить стоимость сооружения бассейна.
Ионообменные смолы — новые надежды
Значительные исследования по извлечению золота из морской воды были выполнены после разработки технологии извлечения золота из растворов с помощью ионообменных смол. Такие смолы захватывают частицы золота и накапливают их. Сегодня ионообменные смолы широко используются в промышленности на золотоизвлекательных фабриках, где с их помощью золото извлекается из цианистых растворов. Смола после насыщения золотом в специальных установках очищается от золота и может использоваться повторно, что снижает стоимость процесса.
Предлагается еще несколько способов извлечения золота с использованием смол. Один из них заключается в том, что смолой покрываются днища океанских кораблей. Пока корабль плывет, смола собирает золото из воды. Через некоторое время смолу с днища корабля можно снять и извлечь из нее золото.
Еще одна идея — покрыть ионообменной смолой специальные плавучие уловители в виде сетей или полотнищ. Корабль тащит за собой уловитель, и когда смола «насытится» золотом, уловитель отправляют на очистку.
Полимерная губка: новый метод извлечения золота из воды
В журнале Американского химического общества была опубликована статья, в которой говорилось о том, что ученые нашли новый метод извлечения золота из электронного лома, сточной и морской воды, то есть практически из чего угодно. На основе ионов железа, 1,3,5-бензолтрикарбоксилата и поли-пара-фенилендиамина была разработана специальная полимерная структура. Полимер действует как губка, сорбируя и удерживая золото. Затем губка уничтожается, а драгоценный металл извлекается.
Некоторые исследователи полны энтузиазма и оптимизма по поводу данного метода. Его создатели заявляют, что каждый грамм полимерной губки может поглощать 1 г золота. При этом технология позволяет извлекать до 99% драгоценного металла из жидкости всего за 2 минуты.
Ограниченные испытания метода в лабораторных условиях показали достаточно привлекательные результаты, но до того момента, когда с его помощью в действительности можно будет извлекать золото из морей и океанов, еще далеко.
Бактерии-золотоизвлекатели
Интересную идею по извлечению золота из морской воды предложили ученые Гейдельбергского университета и Немецкого центра исследования рака. Они полагают, что осаждать драгоценный металл из жидкости помогут специальные бактерии Delftia acidovorans. Эти микроорганизмы встречаются только рядом с месторождениями золота, адаптированы к окружающей среде и способны усваивать металл из растворов даже с низкой концентрацией. Исследователи выделили необходимые гены и внедрили их в более распространенные бактерии типа E.coli. Заявка на патент уже подана.
Что ожидать в будущем
Экономика извлечения золота зависит прежде всего от его содержания в морской воде. До сих пор данные по этому вопросу неоднозначные. Разработанный и освоенный в последние десятилетия нейтронно-активационный метод анализа состава жидкостей позволил провести интересные исследования. Сотрудники научно-исследовательского судна «Михаил Ломоносов» вели исследования именно этим способом.
В тропической зоне Атлантического океана они проанализировали на золото 89 проб морской воды, взятых в разных точках и на разной глубине, даже с глубины более пяти километров. По данным исследований, средняя концентрация драгоценного металла в морской воде значительно выше ранее установленной. В некоторых пробах золота оказалось почти в тысячу раз больше, чем можно было ожидать. Это подтверждает высказанное ранее предположение о том, что в разных местах и на разных глубинах содержание золота меняется очень значительно.
Случится ли это когда-нибудь?
То, что золото содержится в морской воде — сомнений не вызывает. Даже несмотря на то что его концентрации низкие, общее количество золота в Мировом океане оценивается в тысячи тонн. Этого достаточно, чтобы привлекать ученых и инвесторов. Сложность заключается не в извлечении золота как такового, а в рентабельности процесса. При сегодняшнем уровне развития техники задача извлечения золота из морской воды разрешима, но экономически выгодного способа пока не предложено. Любой проект обречен, пока на получение драгоценного металла стоимостью 1 долл. будет необходимо тратить 2 доллара.
Но цена золота растет. Количество месторождений золота на суше уменьшается. Исследования океана продолжаются. Поэтому, кто знает, откуда будет выгоднее добывать золото через несколько десятков или сотен лет?
Источники
- Уральская горная энциклопедия 3 том
- Извлечение золота из морской воды. Автор Y.G. Kuzemtsev | опубликовано 20 августа 2010.
Читайте также: