'Kho báu' khổng lồ ở đại dương: 60 năm vẫn chưa vớt lên được!

Ảnh minh họa

Các nhà khoa học vốn biết rằng có nhiều khoáng chất và kim loại tồn tại, hòa tan trong nước biển và trong nước của các đầm phá/ hồ nước mặn.

Ước tính tổng cộng, có khoảng50.000.000.000.000.000.000tấn (50 tỷ tỷ tấn) khoáng chất và kim loại hòa tan trong tất cả các biển và đại dương trên thế giới.

Tính riêng uranium, người ta ước tính rằng các đại dương trên thế giới chứa hơn 4 tỷ tấn uranium.

Theo Đại học Stanford (Mỹ), nước biển chứa 47 khoáng chất và kim loại. Nhiều nhất là clorua, với nồng độ 18.980 phần triệu (ppm) trong nước biển, natri (10.561 ppm), magiê (272 ppm), lưu huỳnh (884 ppm), canxi (400 ppm), kali (380 ppm), brom (65 ppm), carbon vô cơ (28 ppm) và stronti (13 ppm). Tiếp theo là bor (4,6 ppm), silic (4 ppm), cacbon hữu cơ (3 ppm), nhôm (1,9 ppm), flo (1,4 ppm), nitơ ở dạng nitrat (0,7 ppm), nitơ hữu cơ (0,2 ppm) , rubidi (0,2 ppm), liti (0,1 ppm), phốt pho ở dạng phốt phát (0,1 ppm), đồng (0,09 ppm), bari (0,05 ppm), iốt (cũng 0,05 ppm), nitơ ở dạng nitrit (cũng 0,05 ppm) và nitơ ở dạng amoniac (một lần nữa 0,05 ppm).

Tiếp đến là asen (0,024 ppm), sắt (0,02 ppm), phốt pho hữu cơ (0,016 ppm), kẽm (0,014 ppm), mangan (0,01 ppm), chì (0,005 ppm), selen (0,004 ppm), thiếc (0,003 ppm), xêzi (0,002 ppm), molypden (cũng 0,002 ppm) và uranium (0,0016 ppm), gali (0,0005 ppm), niken (cũng 0,0005 ppm), thori (cũng 0,0005 ppm), xeri (0,0004 ppm), vanadi (0,0003 ppm), lantan (cũng 0,0003 ppm), yttrium (cũng 0,0003 ppm), thủy ngân (0,0003 ppm), bạc (cũng 0,0003 ppm), bitmut (0,0002 ppm), coban (0,0001 ppm) và cuối cùng là vàng (0,000008 ppm).

Biết được những khoáng chất và kim loại này tồn tại ở nước biển là một chuyện, chiết xuất chúng khỏi nước biển lại là một việc hoàn toàn khác.

Các nhà nghiên cứu tiếp tục đề xuất và tìm cách phát triển các quy trình thực tế để chiết xuất các kim loại khác từ nước biển và nước muối. Một đề xuất được các nhà nghiên cứu ở Singapore đưa ra từ năm 2012 là sử dụng vi khuẩn cụ thể để chiết xuất kim loại từ nước muối được sản xuất như một chất thải để khử muối. Quốc đảo này đang tìm cách sản xuất 9 triệu lít nước ngọt mỗi ngày thông qua quá trình khử muối vào năm 2060, điều này sẽ tạo ra một lượng lớn nước muối. Thay vì chỉ được đổ trở lại biển, loại nước muối này có thể được xử lý sinh học để chiết xuất canxi, magiê, kali và lưu huỳnh trong nó.

Trung bình, mỗi một triệu lít nước chứa 300 kg magiê, 900 kg lưu huỳnh, 400 kg canxi và 400 kg kali. Điều này có thể dẫn đến việc Singapore, vốn là quốc gia không có tài nguyên thiên nhiên, phát triển một ngành công nghiệp 'khai thác' trị giá 4,5 tỷ đô la.

Nhật Bản là trung tâm hàng đầu thế giới về nghiên cứu chiết xuất kim loại từ nước biển. Nước này bắt đầu nghiên cứu lấy uranium từ nước biển trong những năm 1960, cũng như Đức và Ấn Độ (hợp tác với Pháp). Cả ba nhà máy thí điểm đã phát triển và cả ba nhà máy đều sử dụng nguyên tắc hấp phụ (trong đó các nguyên tử, ion hoặc phân tử của một nguyên tố dính vào một bề mặt ). Người Nhật đã đạt được thành công lớn nhất trong việc thu hồi uranium.

Vào khoảng năm 2009, bằng cách sử dụng sợi làm từ amidoxime, xếp thành những dải bện dài 60 m neo dưới đáy biển, người Nhật được cho là đã thu hồi uranium với chi phí 140 USD / 0,45kg , khi giá thị trường uranium là 120 USD / 0,45kg.

Ở Mỹ, các nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge được tập trung vào việc phát triển vật liệu hấp phụ và họ đã được nhiều cải tiến. Vật liệu có tên là HiCap, có thể chiết xuất uranium nhiều hơn từ năm đến bảy lần, nhanh hơn bảy lần so với các chất hấp phụ tốt nhất trước đây.

Nếu giá uranium quay trở lại mức cao hơn đã thấy vào giữa những năm 2000, công nghệ này rất có thể chứng minh được tính khả thi về mặt kinh tế. Và, tất nhiên, những cải tiến hơn nữa về hiệu suất khai thác có thể được thực hiện trong những năm tới, tiếp tục làm giảm chi phí thu được uranium từ nước biển.

Mới đây nhất, người Trung Quốc đã tạo ra loại vật liệu mới được lấy cảm hứng từ tính chất dạng fractal của các mạch máu có thể hấp thụ lượng uranium từ nước biển nhiều hơn 20 lần so với các phương pháp tiếp cận trước đây. Trong nước biển tự nhiên, một gram vật liệu như vậy có thể chiết xuất được 9,03 miligam uranium.

Nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc tin rằng, với vật liệu lọc uranium từ nước biển mới này, họ sẽ sớm có được nguồn nhiên liệu hạt nhân dồi dào, phục vụ cho các nhà máy điện hạt nhân đồng thời đáp ứng được nhu cầu hiện tại của con người.

Trong khi đó, người Nhật tiếp tục tìm cách khai thác lithium từ nước biển. Tất nhiên, lithium là yếu tố cần thiết để tạo ra pin lithium-ion rất quan trọng trong thế giới ngày nay, cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại di động, cũng như xe điện và cung cấp nguồn điệntrên các máy bay thế hệ mới nhất.

Cần phải chỉ ra rằng hầu hết nguồn cung cấp lithium hiện tại trên thế giới đến từ Nam Mỹ, được chiết xuất từ nước muối được bơm lên bề mặt và thả vào các ao nông, nơi quá trình bốc hơi loại bỏ nướcvà các chất rắn còn lại được thu gom và xử lý.

Nhu cầu lithium dự kiến sẽ vượt cung trong những năm tới. Kết quả là, vào năm 2014, Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Vương quốc Anh đã dự đoán rằng vào năm 2030, việc chiết xuất lithium từ nước biển có thể khả thi về mặt thương mại.

Hơn 60 năm kể từ khi nước Nhật tìm cách 'vớt'uranium lên từ nước biển, việc khai thác khoáng chất và kim loại từ đại dương đến nay chưa có nhiều dấu hiệu khả quan, tuy nhiên, quá trình này không phải là câu chuyện khoa học viễn tưởng. Nó đang diễn ra ngay bây giờ và có khả năng tăng lên trong tương lai.

Các tài nguyên khoáng sản chính hiện đang được khai thác và có thể sẽ được khai thác trong tương lai gần:

Muối, hoặc natri clorua, xuất hiện trong nước biển với nồng độ khoảng 3%. Số lượng muối có sẵn trong tất cả các đại dương lớn đến mức nó có thể đảm bảo nhu cầu của con người trong hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm.

Mặc dù muối được khai thác trực tiếp từ đại dương ở nhiều quốc gia bằng cách làm bay hơi nước và để lại muối còn lại, thì hầu hết trong số gần 200 triệu tấn muối sản xuất hàng năm được khai thác từ các lớp muối lớn. Những lớp muối này, hiện đã bị chôn vùi sâu, đã bị bỏ lại khi nước từ các đại dương cổ đại bốc hơi trong các vùng biển nông hoặc các lưu vực ven bờ, để lại những lớp muối dày còn sót lại.

Giống như natri và clo của muối, kali xuất hiện với số lượng lớn trong nước biển, nhưng nồng độ trung bình của nó là khoảng 1.300 phần triệu (hoặc 0,13%) - nói chung là quá thấp để cho phép khai thác kinh tế trực tiếp.

Tuy nhiên, muối kali xuất hiện trong nhiều chuỗi bay hơi dày cùng với muối thông thường và được khai thác từ những tầng này với tốc độ hàng chục triệu tấn mỗi năm. Các muối kali được lắng đọng khi nước biển bay hơi xuống còn khoảng một phần hai mươi so với thể tích ban đầu.

Magiê, hòa tan trong nước biển với nồng độ khoảng 1.000 phần triệu, là kim loại duy nhất được chiết xuất trực tiếp từ nước biển. Hiện nay, khoảng 60% kim loại magiê và nhiều muối magiê được sản xuất ở Mỹ được chiết xuất từ nước biển bằng phương pháp điện phân. Phần còn lại của kim loại magiê và muối được chiết xuất từ lớp trầm tích đại dương cổ đại nơi các muối kết tủa trong bốc hơi hoặc hình thành trong quá trình diagenesis. Các khoáng chất chính được khai thác là magnesit (MgCO3) và dolomit (CaMg [CO3]2).

Các lưu vực đại dương tạo thành địa điểm bồi tụ cuối cùng của các trầm tích bị xói mòn từ đất liền và các bãi biển là nơi có lượng cát còn sót lại lớn nhất. Phần lớn các bãi biển và trầm tích gần bờ được khai thác tại địa phương để sử dụng trong xây dựng, sản xuất thủy tinh và điều chế kim loại silic. Trầm tích sỏi thường không đồng nhất hơn nhưng xảy ra theo cùng một cách và được xử lý rộng rãi để làm vật liệu xây dựng.

Đá vôi (đá bao gồm canxi cacbonat) đang hình thành rộng rãi trong các đại dương nhiệt đới đến bán nhiệt đới trên thế giới ngày nay do kết quả của sự lắng đọng bởi các sinh vật sinh học khác nhau, từ động vật thân mềm đến san hô và thực vật.

Phần lớn đá vôi được sử dụng trực tiếp ở dạng cắt hoặc nghiền, nhưng phần lớn cũng được nung (nấu) để chuyển thành xi măng sử dụng cho mục đích xây dựng. Thạch cao (canxi sunfat hydrat) là khoáng vật trầm tích, chúng được khai thác và sử dụng để xây dựng.

Dưới đáy đại dương sâu thẳm có chứa một lượng cực lớn các nốt sần có đường kính từ cm đến decimet. Mặc dù thường được gọi là nốt mangan, chúng thường chứa nhiều sắt hơn mangan, nhưng lại tạo thành nguồn mangan lớn nhất được biết đến.

Bất chấp sự phong phú và giàu có của kim loại chứa trong các nốt mangan (sắt, mangan, đồng, coban và niken), vẫn chưa có cách kinh tế nào được phát triển để khai thác những tài nguyên này từ đáy đại dương sâu thẳm. Do đó, những nốt sần đa kim loại dồi dào này vẫn là nguồn tiềm năng cho tương lai.

Kim loại gần núi lửa và lỗ thông hơi thủy nhiệt dưới đáy biển

Các cuộc điều tra dưới lòng đất về các đới rạn nứt đại dương đã phát hiện ra rằng các mỏ giàu kẽm và đồng, cùng với chì, bạc và vàng liên quan, đang hình thành tại các vị trí có lỗ thông hơi thủy nhiệt dưới đáy biển.

Những trầm tích giàu kim loại này hình thành nơi nước biển luân chuyển sâu đã hòa tan các kim loại từ các tảng đá bên dưới và thải ra đáy biển lạnh dọc theo các vết đứt gãy lớn. Các mỏ kim loại giàu có này ngày nay chưa được khai thác vì vị trí xa xôi của chúng dưới biển sâu.

Trầm tích sa thạch là sự tích tụ của các khoáng chất kháng và không hòa tan đã bị xói mòn từ vị trí hình thành ban đầu của chúng và lắng đọng dọc theo các dòng sông hoặc ở rìa đại dương. Phần quan trọng nhất trong số các mỏ này chứa vàng cám, thiếc, titan và kim cương.

Ngày nay, phần lớn thiếc và nhiều kim cương đá quý trên thế giới được thu hồi bằng cách nạo vét trầm tích đại dương gần bờ để tìm khoáng chất được các con sông mang ra biển. Trước đây, vàng sa khoáng (vàng cám) đã được thu ở Nome, bang Alaska, Mỹ. Một lượng lớn khoáng sản titan sa khoáng xuất hiện trong trầm tích bãi biển và gần bờ, nhưng việc khai thác ngày nay thường chỉ giới hạn ở các bãi biển hoặc các mỏ trên bờ vì chi phí cao hơn và những hạn chế về môi trường của khai thác biển.

Các đại dương trên thế giới, với tổng thể tích hơn 500 triệu km khối, chứa hơn 97% tổng lượng nước trên Trái đất. Tuy nhiên, hàm lượng muối 3,5% của nước này khiến nó không thể sử dụng được cho hầu hết các nhu cầu của con người.

Việc khai thác nước ngọt từ nước biển đã được thực hiện trong nhiều năm, nhưng chỉ cung cấp một phần rất nhỏ lượng nước được sử dụng và vẫn khá đắt đỏ so với các nguồn nước trên đất liền. Các tiến bộ công nghệ, đặc biệt là thẩm thấu ngược, tiếp tục làm tăng hiệu quả khai thác nước ngọt. Tuy nhiên, những hạn chế về địa lý và sự phụ thuộc vào chi phí năng lượng thế giới đặt ra những rào cản lớn đối với việc khai thác quy mô lớn.