未来我们从哪里获得矿物?

世界上的矿物逐渐耗尽。科学家正在寻找一些新的矿物来源,并研究如何从废料中回收矿物。

年纪稍大的人肯定记得以前那种很厚的电子管电视机。在这种电视机的内部,高速电子束轰击荧光屏上的多种磷光材料,让荧光屏发出各色的光。这些光转瞬即逝,却在人眼视网膜视觉暂留效应的作用下,让人感知到连贯的画面。虽然电子管电视机的成像原理不复杂,但要找到合适的磷光材料却不容易。在很长一段时间里,荧光屏中的红色磷光材料亮度始终偏低,因此电视机制造商不得不调低荧光屏上蓝色和绿色的亮度,这导致早期的电视画面普遍暗淡。直到氧化铕这种能发出明亮红光的材料出现,才完美解决了这个问题。今天,铕在其他领域仍然发挥着重要作用:它是生产LED发光单元和钞票荧光墨水的重要材料。

不仅是铕,任何一种元素都有其难以替代的重要作用。例如,稀有金属铼拥有3180℃的超高熔点,且机械}生能极为优异,因此铼是制造高性能喷气发动机的重要金属之一。“歼20”战斗机所使用的代号为“太行”的涡扇发动机就采用了铼镍合金。广泛應用的锂电池需要锂这种最轻的金属元素作为阳极材料,这样制造出来的电池寿命长、蓄电能力强。同时,锂电池还需要钴来稳定其内部的多层结构。虽然“碲”字有个石字旁,碲却是一种准金属元素,是制造光伏面板的必需原料之一。此外,添加了镝的永磁铁即便在非常高的温度下也能保持磁性,因此镝是制造风力发电涡轮机不可或缺的元素。

要知道,地球内部各种元素的丰度(含量)在46亿年前地球诞生之时就已基本确定。要维持社会运转,人类必须开采更多矿物。今天,为了弥补日益减少的矿物库存,越来越多的找矿者将目光对准北极和深海,甚至对准在太空中高速运动的小行星。

北极圈

位于北极圈内的北欧国家拥有悠久的采矿历史,矿业一直是北欧诸国的支柱产业之一:芬兰的奥加马铁矿从1530年起已运营至今;瑞典法伦大铜山矿区的历史可以追溯到10世纪时的维京时代;同样位于北极圈内的俄罗斯西伯利亚苔原上遍布着大小钯矿场,今天全世界钯矿石年产量的40%来自那里。钯具有很强的气体吸附能力,是制造净化汽车尾气的三元催化器和燃料电池的重要原料金属之一。

北极圈的严寒气候和糟糕地形条件,很大程度上限制了采矿活动。2012~2016年,北极圈国家对各自主要矿物的丰度进行了一次全面盘点,整理出了一份矿藏清单,其中包括位于格陵兰岛的一座全世界最大的稀土矿。随着北极圈气温逐渐升高,包括格陵兰在内的许多北极圈腹地的气候不会像今天这样恶劣,采矿条件将极大改善,因此将会有越来越多的采矿活动在这些地区开展。

深海

在凡尔纳著名科幻小说《海底两万里》中,“鹦鹉螺号”潜水艇的艇长尼莫曾经说过:“海洋下面有铁矿、锌矿、银矿和金矿,开采起来并不难。”有趣的是,在《海底两万里》出版后的第三年,小说中的预言变成了现实——科学家真的在海底发现了小说中提到的大部分矿物。

1873年,英国勘探船“HMS挑战者号”从海底打捞出了许多土豆大小的“黑疙瘩”。进一步分析显示,其中含有锰、铁、镍和钴等金属。这些黑疙瘩被称为“多金属结核”。在随后的150年里,人类又在海床上发现了另外两种重要的高品质金属矿物,分别是大型块状硫化物(通常分布在板块交界地带,其中含有铜、银和金)和富钴结壳(在全世界各地的海底火山都有分布,太平洋有大型分布带)。

由于高品质金属矿物的陆地储量逐年递减,不少矿业公司开始计划开采海底矿物。相比陆地开采,海床开采矿物的优势突出:在海床开采矿物无须动迁当地居民;海洋面积是陆地的两倍多,矿物储量巨大。虽然目前全世界还未正式进行任何形式的深海采矿作业,但一些国家和企业正在做这方面的尝试,例如巴布亚新几内亚离岸海床的“大型块状硫化物开采计划”。

小行星

人类不但已经登上了月球,甚至已经可以利用探测器直接从小行星上获取样本。早在1996年,美国宇航局就将探测器着陆在爱神星这颗近地小行星上,并对其进行了采样。此后,科学家又对小行星进行了多次采样,使我们对小行星的构成也有了更深入的了解。

在最靠近地球的2万多颗小行星中,700多颗属于金属小行星,具有不同的开采潜力。虽然捕捉金属小行星代价高昂,但只要小行星中存在一定比例的贵金属,花重金捕获它们也是值得的。以铂为例,只要矿石中的铂含量达到百万分之五,矿业公司开采、冶炼铂矿石就有利可图。只要一颗直径在几百米的小行星的铂含量超过百万分之十,就有捕获它的经济价值。而在这700多颗金属小行星中,至少50颗能达到这个标准。

目前科学家最看好的目标是“小行星3554”和“小行星6178”。这两颗金属小行星的直径为2.5~3千米。如果它们的主体元素构成比例与取样相同,则它们总共含有至少1万吨黄金和10万吨铂金。此外,它们还含有约1000万吨的铁和镍。这样算下来,虽然捕获这类金属小行星的代价高昂,但依然不失为一笔划算的生意。

除了从大自然中开采矿物,从废旧材料中回收的矿物也是重要的矿物来源。经过一个世纪的工业活动,我们有了大量的废弃物,其中有可回恢的矿物。科学家正在开发的清理垃圾的技术,有望把垃圾变成财富。

污水

藻华、河水酸化、土壤重金属化……企业生产活动排放的污水如果没有妥善处理,会带来许多环境问题。虽然废水中的重金属元素含量过低,或许达不到回收利用的经济要求,但这些元素对环境的确有很强的破坏性。然而,在越来越严格的环保法规下,废水导致的环境污染问题正在逐渐得到解决。

不同来源的废水中有害成分千差万别。生活废水和畜禽养殖场废水中的主要有害元素是含氮、含硫化合物,这些物质溶解在水中会使水体富营养化,大大促进藻类、水葫芦等水生植物生长。海水淡化工厂产生的含盐卤水中的主要污染物是重金属和稀土元素。全球范围内的海水淡化生产平均每年会产生140亿吨含盐卤水,其中大部分会被排进海洋。

从废水中提炼金属的难度不亚于从矿石中冶炼金属,其中最大的难点在于如何只提炼出需要的金属元素。为了达到这个目的,研究人员设计出了只和特定重金属离子结合的“捕集剂”。通过与重金属离子结合并生成不溶于水的沉淀物或絮状物,捕集剂可以帮助我们从污水中提炼重金属元素。例如,某种经过基因编辑的细菌能够合成特殊的捕集蛋白质,它只与水体中的汞离子结合,从而可以起到富集汞的作用。

不仅是重金属,氮、磷等营养元素也可以通过类似技术从废水中同收,以大大抑制藻华暴发。一些企业甚至可以利用从废水中提炼的氮、磷、钾等元素制成肥料,销售给农民。2018年,澳大利亞科学家研制出了一种可以从含盐卤水及其他有关的废水中提炼锂的材料。

固体废物

在第二次世界大战期间,由于矿石运输路线受阻和经济问题,主要参战国不得不反复利用资源。例如,战场上的弹壳在当时是必/须回收的。今天,城市资源回收在节能和环保方面依然有重要意义。例如,相比电解铝,回收利用铝可以节省95%的能源,并减少95%的生产排污。

城市资源回收面临的最大挑战是废旧商品资源分散,汇集难度巨大。此外,不少商品在设计时并没有考虑到拆解的便利性,因此从废旧商品中拆解并回收特定资源并不简单。

当然,资源回收商早有应对之道。废旧硬盘和风力涡轮机中所使用的铷铁硼磁铁回收起来相对容易,只需要将其从设备上拆除下来,再粉碎成粉末,然后再运至生产企业,经过熔化和铸造等工艺,新的铷铁硼磁铁就诞生了。耍回收类似三元催化器和电路板这类金属元素种类多、每种金属元素含量少的商品,就要通过高温使其熔化,再利用不同金属具有不同熔点的特性,分别对不同金属进行分离并回收。

气体废物

1913年,人类首次从工厂排放的废气中大规模提取氮气和氢气,并利用哈柏法将两者合成氨气,用于进一步生产化肥和炸药。而在哈柏法出现之前,欧洲的化肥和炸药生产严重依赖产自秘鲁的海鸟粪便(其中含有丰富的硝酸盐)。

今天,科学家希望从空气中回收另一种资源——碳。人类燃烧化石燃料让大量的含碳温室气体释放到大气中,引起冰盖融化、洪水频发等各种环境问题。沿岸地区海平面迅速上升和各种极端气候问题,迫使我们直面碳排放过多的现状。2018年,联合国发布的一份报告中提道:碳捕集是减缓甚至逆转气候变化带来的严重后果所必须的技术。

尽管大气中二氧化碳的含量只有0.04%(按体积计),捕集难度大,但还是有企业迎难而上:英国某企业开发出了一种专门用于捕集二氧化碳的风扇矩阵。在其内部,碱性溶液从有起伏的塑料表面缓慢向下流淌,并与进入设备的竖直流动空气充分接触。碱性溶液能吸附空气中的二氧化碳,液体和气体的流动模式则尽可能增加气液接触面积。采用这种设备的试点工厂每天可固定约1吨二氧化碳。据估算,一个标准规模的固碳工厂每年可固定100万吨二氧化碳。

此外,冰岛一家公司掌握了回收地热发电厂排放的二氧化碳并制成甲烷的技术。虽然这种技术听上去很美好,但并不能大范围推广,因为一方面二氧化碳制甲烷需要消耗大量能量,另一方面甲烷燃烧后依然会产生二氧化碳。因此,这项技术更适合小规模使用于无法方便获取电能的偏远地区。

只有能够可持续发展、对环境友好的科技才具有推广意义,采矿活动和资源回收也不例外。未来,我们会更集约化使用各种矿物资源,并尽可能减少获取矿物过程中造成的环境污染。例如,一些镍矿场已经能回收利用90%的生产用水。未来,高效、绿色地使用矿物资源会逐渐成为越来越多国家的规范。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:01。
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