Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) tin rằng các đại dương trên thế giới chứa một trong những trữ lượng khoáng sản quan trọng chưa được khai thác lớn nhất.

Chúng bao gồm lithium, magiê, mangan, coban và các nguyên tố đất hiếm, những chất thiết yếu cho ngành điện tử và năng lượng sạch.

Trước đó, Mỹ đã sản xuất phần lớn magiê từ biển trước khi chuyển sang nhập khẩu hoàn toàn vào những năm 1990. Rào cản khiến cho người Mỹ phải dừng hướng khai thác này là tỷ suất tiêu tốn năng lượng quá cao trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng.

Vượt qua rào cản tiêu tốn năng lượng khổng lồ

TS Chinmayee Subban, nhà hóa học tại PNNL cho biết, trở ngại lớn nhất trong việc chiết xuất các khoáng chất quan trọng từ nước biển là nồng độ của chúng cực kỳ thấp. Trong khi magiê tương đối dồi dào, liti và niken lại có mặt với số lượng nhỏ hơn nhiều. Điều này có nghĩa là các kỹ sư phải xử lý một lượng nước khổng lồ để chiết xuất chúng.

Với quy trình cũ (phương pháp Dow): Họ trộn nước biển với vôi (canxi oxit) trong các bể chứa khổng lồ để tạo ra kết tủa magie hydroxit. Sau đó, họ dùng axit clohydric để chuyển hóa nó thành magie clorua. Cuối cùng, qua quá trình sấy khô phức tạp, họ nung nóng muối này lên tới 900^oC rồi dùng điện phân nóng chảy để tách ra kim loại magie nguyên chất.

Các công nghệ mới hiện nay tập trung vào các phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp giúp giảm tới 50% năng lượng tiêu thụ và cắt giảm phần lớn lượng khí thải.

PNNL đang thử nghiệm phương pháp chuyển hóa muối magie thành một chất phản ứng cơ kim nhờ chất xúc tác, sau đó phân hủy nó thành kim loại magie ở nhiệt độ dưới 300^oC.

Ngoài ra, để tiết kiệm hơn nữa, họ cũng xem xét đến mô hình cộng sinh với các nhà máy khử muối.

Nước biển thông thường có nồng độ magie khá loãng (chỉ khoảng 1,3 kg mỗi mét khối). Việc bơm và lọc một lượng nước biển khổng lồ chỉ để lấy magie là rất tốn kém. Vì vậy tích hợp trực tiếp hệ thống khai thác vào các nhà máy lọc nước ngọt từ biển để sử dụng nước thải của các nhà máy này là nước muối (brine) đậm đặc gấp đôi nước biển thông thường.

Bằng cách sử dụng lò phản ứng dòng đồng chảy nhỏ gọn, người ta có thể dẫn dòng nước muối này chảy qua dung dịch natri hydroxit để thu hồi trực tiếp magie hydroxit siêu tinh khiết một cách dễ dàng.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một lò phản ứng dòng chảy đồng thời liên tục đưa nước biển tiếp xúc với natri hydroxit. Tại điểm hai chất lỏng gặp nhau, magie hydroxit có độ tinh khiết cao sẽ hình thành và có thể được thu gom.

Một phân tích cho thấy, việc kết hợp công nghệ này với nhà máy khử muối Carlsbad của California có thể sản xuất 524.000 kg magie hydroxit mỗi ngày trong trường hợp thu hồi hoàn toàn.

Các dự án mới (như của startup Tidal Metals được chính phủ Mỹ tài trợ) hướng tới việc vận hành toàn bộ quy trình tách lọc magie hoàn toàn bằng điện gió hoặc điện mặt trời. Mục tiêu là tạo ra dòng "Magie xanh" có lượng phát thải carbon bằng không

Và nhiều nguyên tố hiếm khác

Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách sử dụng mọi sản phẩm phụ được tạo ra trong quá trình khai thác. Sau quá trình chiết xuất magiê, dung dịch nước muối đậm đặc có thể được dẫn qua màng điện phân lưỡng cực (BPMED). Quá trình này tạo ra cả hóa chất axit và bazơ cần thiết cho các bước xử lý tiếp theo.

Thay vì loại bỏ axit này, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng nó có thể hoạt động hiệu quả hơn axit clohydric thương mại trong việc chiết xuất niken từ olivine. Axit được điều chế từ BPMED đã chứng minh hiệu quả hơn 37% trong việc tách chiết niken so với các loại axit thông thường trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Scott Edmundson, Thạc sĩ Khoa học, nhà thực vật học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Biển của PNNL khẳng định: "Các sản phẩm phụ còn lại cũng có thể hỗ trợ nuôi trồng thủy sản biển”.

Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng nước biển có tính axit nhẹ từ quy trình BPMED có thể thúc đẩy sự phát triển của tảo và cho phép các hệ thống trong tương lai đồng thời thu hồi khoáng chất trong khi sản xuất hóa chất, nhiên liệu, phân bón và sinh khối.

Mặc dù công nghệ này vẫn còn gặp phải những trở ngại về kỹ thuật và chi phí, các nhà nghiên cứu tin chắc rằng phương pháp này có thể tạo ra nguồn cung cấp khoáng sản thiết yếu trong nước và bền vững hơn.