Сырьевой кризис и проблемы добычи металлов из морской воды

Руководитель: , учитель химии и экологии высшей категории лицея №1 г. Кунгура.

Web-адрес: http://lyceum-kungur.narod.ru/Fedorova.doc

Введение.

Трудно переоценить роль Мирового океана в жизни человечества. Он во многом определяет лик планеты в целом, в т. ч. ее климат, круговорот воды на Земле. В океане пролегли жизненно важные водные пути, соединяющие материки и острова. Колоссальны его биологические ресурсы. Шельф Мирового океана располагает огромными запасами нефти и газа, крупными запасами железно-марганцевых руд и других полезных ископаемых. Человечество еще только приступает к использованию энергетических ресурсов Мирового океана, в т. ч. энергии приливов.

Меня очень заинтересовала эта тема, я захотела рассмотреть эту глобальную проблему, связанную с недостатком минеральных ресурсов Земли, и предложить пути её решения.

Основной целью работы является рассмотрение перспектив использования минеральных ресурсов Мирового океана и наиболее удобных и выгодных способов их добычи. Я планирую осветить роль Мирового океана в жизни современного и будущего поколений людей, рассмотреть вопросы освоения минеральных богатств Мирового океана.

Сырьевой кризис и проблемы добычи металлов из морской воды.

Сырьевой кризис - эта гло­баль­ная про­б­ле­ма связана, пре­ж­де всего, с ог­ра­ни­чен­но­стью ва­ж­ней­ших ор­га­ни­че­с­ких и ми­не­раль­но-сырь­е­вых ре­сур­сов пла­не­ты.

В ми­ре дей­ст­ви­тель­но су­ще­ст­ву­ет ряд при­род­ных ог­ра­ни­че­ний. Так, ес­ли брать оцен­ку ко­ли­че­ст­ва то­п­ли­ва по трем ка­те­го­ри­ям: раз­ве­дан­ные, воз­мо­ж­ные, ве­ро­ят­ные, то уг­ля хва­тит на 600 лет, неф­ти – на 90, при­род­но­го га­за – на 50 ура­на – на 27 лет. Ины­ми сло­ва­ми, все ви­ды то­п­ли­ва по всем ка­те­го­ри­ям бу­дут со­жже­ны за 800 лет. Пред­по­ла­га­ет­ся, что к 2010 г. спрос на ми­не­раль­ное сы­рье в ми­ре уве­ли­чит­ся в 3 раза по срав­не­нию с се­го­д­няш­ним уров­нем. Ес­ли энер­го­про­из­вод­ст­во бу­дет рас­ти се­го­д­няш­ни­ми тем­па­ми, то все ви­ды ис­поль­зу­е­мо­го сей­час то­п­ли­ва бу­дут ис­т­ра­че­ны че­рез 130 лет, то есть в на­ча­ле ХХII в.

Борьба с сырьевым кризисом.

Как преодолеть создавшуюся кризисную ситуа­цию? Понятно, что необходимо экономить цветные и редкие металлы и по мере возможности заменять их другими, желательно синтетическими материа­лами. Но это удается далеко не всегда.

Еще один путь борьбы с сырьевым кризисом — сбор вторичного сырья, который в нашей стране приобрел уродливые формы, что косвенно свиде­тельствует об интенсивности кризиса. Но посколь­ку 100%-ный возврат металлов в оборот в принципе невозможен, использование вторсырья может толь­ко несколько отодвинуть сроки израсходования де­фицитных металлов. Земная кора еще очень мало исследована, а почти все рудники и шахты достигают глубин, не превышающих 2 км. Может быть, на глубинах 10 или 20 км имеются еще неоткрытые богатые месторождения металличес­ких руд? Отрицать такую возможность нельзя, но современный уровень развития техники не позво­ляет рассчитывать на разработку глубинных место­рождений.

Мировой океан как источник сырья.

Наибольшие надежды в противодействии гло­бальному сырьевому кризису предоставляет Миро­вой океан.

- Океан занимает 71% поверхности Земли, а объем его водных масс в 18 раз превышает распо­ложенный выше уровня моря объем материков.

- В океане имеются все известные на Земле минералы — в растворенном состоянии, во взвеси или в виде донных отложений.

- Минеральные запасы океана непрерывно растут, так как реки и водные потоки несут в моря тысячи тонн обломочного материала. Подсчитано, что в результате эрозии земной по­верхности в океан ежегодно попадает 3,3 млрд. т твердого вещества. Не менее 4 млн. т в год составля­ют осадки космогенного происхождения. Одним словом, запасы минеральных веществ увеличива­ются в объеме большем, чем современный объем добычи полезных ископаемых. В морской воде в растворенном и коллоидном состояниях находятся почти все элементы Периодической таблицы. Каж­дый килограмм морской воды содержит 35 г раство­ренных минеральных веществ.

Легко подсчитать, что если извлечь из Мирового океана все растворенные соли, то ими можно по­крыть земную сушу слоем толщиной около 200 м, а если полностью извлечь содержащееся в морской воде золото, то, несмотря на его исчезающе малую концентрацию, на каждого жителя нашей планеты придется по 1,2 кг, а натрия — 4 млн. т на человека. Таким образом, сырьевой кризис, во всяком случае, применительно к металлическому сырью, челове­честву не угрожает.

Плюсы и минусы добычи минералов из морской воды.

Морская вода, по образному выражению академика - это “жидкая многоэлементная руда постоянного состава, содер­жащая почти все элементы периодической системы”. И она, как металлургическое сырье, име­ет много достоинств:

-Приблизительное постоянст­во состава морской воды обусловливает возможность применения одной и той же технологии извлечения из нее ценных компонентов в различ­ных районах Мирового океана.

-Благодаря огромной протяженности береговой линии "морские" место­рождения широко доступны.

-Отсутствует необхо­димость в поисковых и геологоразведочных рабо­тах, которые дороги, трудоемки и требуют больших затрат времени.

-Наконец, морское сырье уже подго­товлено для гидрометаллургической переработки — сложной и экологически опасной операции вскры­тия руды не требуется.

Морская вода как сырье имеет и весьма серьез­ные недостатки:

- Так, чрезвычайно богатый состав определяет большую сложность технологии выде­ления отдельных веществ из морской воды.

- Очень низкая концентрация микроэлементов влечет за со­бой необходимость переработки колоссальных объ­емов воды.

- Микроорганизмы, живущие в воде, вы­зывают биологическую коррозию применяемых материалов, а взвешенные в воде твердые частицы постепенно засоряют коммуникации.

Современное использование богатств Мирового океана.

Каково же современное состояние использова­ния минеральных богатств океана? Несмотря на по­стоянный рост во всем мире капиталовложений в разработку океанского сырья, сейчас в промышлен­ном масштабе из морской воды извлекают почти исключительно макрокомпоненты, прежде всего пресную воду. В засушливых районах вблизи круп­ных источников энергии (главным образом атом­ных электростанций) морскую воду подвергают дистилляции. Этим способом на всей планете полу­чают около 5 млн. м3 пресной воды в сутки. В СССР таким путем была решена проблема водоснабжения г. Шевченко (Актау) — одного из наиболее озеле­ненных городов Казахстана.

Вторым по масштабу производства является по­лучение из морской воды поваренной соли. Жители морских побережий издревле использовали мелко­водья для выпаривания соли из воды. Естественно, что такой процесс может быть реализован лишь в субтропических и тропических зонах, где велика интенсивность солнечной радиации. Жители север­ных районов с древних времен используют для по­лучения соли мороз: в результате вымораживания в природных условиях можно получить высококон­центрированные рассолы. В настоящее время сум­марное производство хлорида натрия из морской воды достигает 6 млн. т в год, что составляет около трети общей мировой добычи.

Существенный вклад вносит Мировой океан в ежегодную добычу магния. В общей сложности из морской воды добывают около 200 тыс. т этого ме­талла — почти половину мировой добычи. При по­лучении магния морскую воду сначала подщелачи­вают для осаждения основных карбонатов магния и кальция, осадок обрабатывают соляной кислотой, а затем полученные хлориды упаривают и высушива­ют для получения смеси безводных солей. Электро­лизом расплава хлоридов при температуре 720— 750°С получают металлический магний.

Следует упомянуть также о производстве йода, содержание которого в морской воде мало, но кото­рый концентрируется водорослями. Высушенные водоросли сжигают, золу выщелачивают водой, и свободный йод из полученного рассола выделяют действием хлора:

2Ι ˉ + С12 = 2С1ˉ + Ι2

Разработаны процессы и для извлечения из мор­ской воды брома. Так, в США производят около 40 тыс. т "морского" брома в год.

Извлечение микрокомпонентов из морской воды.

Все перечисленные компоненты морской воды (кроме иода) содержатся в ней в относительно вы­соких концентрациях, поэтому их извлечение — проблема не слишком сложная. Иначе обстоит дело с микрокомпонентами.

В принципе для концентрирования микроком­понентов из морской воды можно применять разно­образные методы: химическое и электрохимическое осаждение, экстракцию растворителями, флота­цию, сорбцию, мембранное и биологическое кон­центрирование и т. д. Однако на практике при рабо­те с большими объемами воды приходится сразу же отказаться от всех тех методов, которые влекут за собой использование растворов каких-либо реаген­тов из-за потребности в их гигантских количествах. Следовательно, такие процессы, как осаждение, экстракция, флотация, требующие предваритель­ной водоподготовки или введения в воду новых, не содержащихся в ней веществ, должны быть сразу отброшены.

Отказ от промышленного использования мемб­ранных процессов концентрирования микроэле­ментов из морской воды связан с малой скоростью их протекания. В этих процессах исходная вода не загрязняется, однако диффузия воды через осмоти­ческие мембраны происходит слишком медленно.

Концентрирование микроэлементов с помощью водорослей, моллюсков, планктона или других гидробионтов тоже медленный процесс. Тем не менее, если будет обнаружен в природе либо выведен мето­дами селекции или генной инженерии организм, способный избирательно обогащаться микроэле­ментами, то его культивирование (марикультура) может стать эффективным способом добычи сырья. Исследования в этом направлении интенсивно раз­виваются.

Однако главным направлением в области кон­центрирования микроэлементов из морской воды является сорбция. Это обусловлено простотой тех­нологии — контактированием легко разделяющихся фаз воды и твердого нерастворимого сорбента, на­личием широкого круга минеральных и органичес­ких сорбентов, их регулируемой селективностью по отношению к различным элементам. Существенно и то, что в гидрометаллургии и водоподготовке на­коплен большой опыт использования крупномас­штабных сорбционных процессов.

Сорбция.

Типы сорбентов.

СОРБЦИЯ (от лат. sorbeo - поглощаю), поглощение твердым телом или жидкостью различных веществ в (жидкостей либо газов) из окружающей среды. Поглощающее тело наз. сорбентом, поглощаемое - сорбитом (сорбтивом). Различают поглощение всем объемом жидкого сорбента (абсорбция), а также твердого тела или расплава (окклюзия) и поверхностным слоем сорбента (адсорбция).

Имеется три основных типа сорбентов: минеральные, органополимерные и гибридные. Первый тип представляет собой неорганические пористые тела с развитой поверхностью. Примером таких материалов является специальным образом приготовленный гидратированный диоксид титана. Достоинства минеральных сорбентов заключаются в их дешевизне, механической прочности, не набухаемости в морской воде. Сорбенты на основе орга­нических полимеров существенно дороже. Их пре­имущество состоит в очень высокой селективности, которая обеспечивается привитыми к основной це­пи полимера функциональными группами, специ­фически взаимодействующими с извлекаемым ио­ном. Пример таких сорбентов — полиакрилонитрил с привитыми амидоксимными группами. Третий тип сорбентов — гибридные — представляет собой мине­ральную матрицу, на поверхности которой закрепле­ны органические функциональные группы. Такие материалы сочетают в себе достоинства минераль­ных и органических сорбентов. Они прочны, имеют высокую удельную поверхность (100—300 м2/г), от­личаются высокими скоростями установления сорб­ционного равновесия. Они весьма селективны, что обусловлено возможностью закрепления на поверх­ности минеральных матриц любых функциональ­ных групп. Недостаток гибридных сорбентов - относительно высокая стоимость.

Задачи подбора сорбента.

Перечислим основные требования, которые предъявляются к сорбентам для извлечения микро­элементов из морской воды.

- Во-первых, это хоро­шие сорбционные характеристики: селективность — способность извлекать необходимое и "оставаться равнодушным" к ненужным в данном случае мак­рокомпонентам; максимальная емкость по отноше­нию к сорбированным соединениям; высокая ско­рость поглощения сорбата.

- Во-вторых, регенерация сорбента должна происходить в мягких условиях, при этом сорбент должен выдерживать без снижения качества многие десятки циклов сорбция—регенера­ция.

- В-третьих, сорбент должен быть механически прочен, иначе под действием струй воды и трения между частицами он превратится в пыль и будет унесен потоком воды.

- В-четвертых, сорбент должен быть абсолютно нерастворим в воде и стабилен по отношению к ней.

- В-пятых, сорбент должен быть устойчив к действию морских микроорганизмов. Это означает, что в его состав нельзя вводить био­генные элементы, такие, как, например, фосфор, либо надо добавлять в сорбционную композицию бактерицидные добавки.

- Кроме того, сорбент дол­жен быть дешев и получаться из недефицитного сы­рья.

Каждое из упомянутых требований чрезвычай­но важно, поскольку тем или иным образом влияет на рентабельность процесса извлечения. Амери­канские ученые подсчитали, что потери сорбента за счет любых химических или физических воздейст­вий в циклах сорбция-регенерация не должны пре­вышать 5% в год при стоимости 0,2 долл./кг.

Понятно, что подобрать отвечающий перечис­ленным требованиям эффективный сорбент мето­дом тыка никогда не удастся, это можно сделать только на основе глубокого понимания существа сорбционных процессов, имея развитую фундамен­тальную науку. Поэтому неудивительно, что наи­большие успехи в рассматриваемой области достиг­нуты в таких странах, как Япония, ФРГ, СССР, США. Существенно, что основные усилия специа­листов этих стран были направлены на разработку методов сорбционного выделения из морской воды урана — стратегического сырья. Интерес к таким ис­следованиям военно-промышленного комплекса обусловил довольно щедрое их финансирование.

Для реализации научного подхода к проблеме подбора эффективных сорбентов необходимо знать еще один важный параметр: в какой химической форме находится микроэлемент в морской воде. Это отнюдь не праздный вопрос. Конечно, если для щелочных металлов форма нахождения достаточно ясна заранее (с очень высокой вероятностью можно ожидать, что они находятся в виде гидратированных однозарядных ионов), то для переходных элементов исследование формы их нахождения составляет от­дельную и далеко не простую задачу. Морские гидрохимики приложили немало усилий, чтобы по­лучить такие, например, сведения: хром находится в морской воде в трех - и шестивалентном виде, при­чем Сг3+ на 85% в виде комплекса Cr(H20)4(OH)ˉ2, а на 15% в виде хромит-иона Сг0ˉ2, тогда как Сг6+ на 98% представлен хромат-ионом СгО42ˉ. Понятно, что без этих сведений нельзя подобрать сорбент, эффективно связывающий хром. А интересующий нас уран находится в море в виде сложного уранил-карбонатного иона [U02(C03)3]4ˉ.

В результате продолжительных исследований для извлечения микроэлементов из морской воды были предложены три основных типа сорбентов: минеральные, органополимерные и гибридные.

Экономические оценки процессов извлечения показывают, что при разработке сорбентов следует стремиться не к 100%-ной, а к так называемой груп­повой селективности, когда разработанный пре­имущественно для урана сорбент с высокой эффек­тивностью извлекает из морской воды также медь, хром, молибден, кобальт, ванадий. Это способству­ет снижению себестоимости извлекаемого урана.

Пример сорбции.

Рассмотрим теперь на примере урана, как про­исходит его сорбция на диоксиде титана. Гидрати­рованный диоксид титана является слабой кисло­той, поэтому вблизи поверхности сорбента вода имеет рН около 6. В этих условиях происходит дис­социация основной формы существования урана в морской воде — трикарбонатуранильного ком­плексного аниона

[U02(C03)3]4 - —* U022+ + ЗС032-,

устойчивого при характерном для морской воды рН = 8. Образовавшиеся уранил-ионы подвергаются гидролизу и осаждаются на поверхности сорбента в виде гидратированного оксида шестивалентного урана. По мере накопления в поверхностном слое этого оксида происходит топохимическая (твердо­фазная) реакция между гидратированными оксида­ми титана и урана с образованием титаната уранила

[U02(C03)]4- + ТiO2 • nН20 —►

—► U03 • ТiO2(n - 1)Н20 + 3C032- + 2Н+

Сконцентрированный таким образом уран можно смыть с поверхности сорбента малым количеством кислоты с получением раствора, пригодного для гид­рометаллургической переработки. А сорбент оказы­вается готовым к дальнейшему использованию.

Аналогичным образом можно написать схемы химического взаимодействия между поверхностны­ми активными группами других типов сорбентов и анионным комплексом урана.

Итак, можно считать, что проблема разработки достаточно эффективных сорбентов для концент­рирования микроэлементов из морской воды на принципиальном уровне решена, хотя, разумеется, работы в этом направлении продолжаются и можно надеяться, что в недалеком будущем будут созданы еще более эффективные и, что важно, более деше­вые сорбционные системы.

Означает ли сказанное, что можно приступать к строительству промышленных предприятий по из­влечению металлов из морской воды? Нет. Разра­ботка сорбентов является только одной и даже не самой сложной задачей в решении всей проблемы.

Массоперенос.

Задача массопереноса.

Как известно, концентрация металлов, которые можно добывать из морской воды, состав­ляет величину порядка 10-6 г/л. Следовательно, для добычи 1 т металла придется прокачать через на­полненные сорбентом трубы 109 м3 , то есть 1 км3 во­ды. Это при условии 100%-ного извлечения метал­ла. Реально же вряд ли можно надеяться на степень извлечения, большую 50%, и, если строить завод производительностью 1000 т металла в год, необ­ходимо предусмотреть энергетические затраты, обеспечивающие прокачивание через трубы с сор­бентом не менее 2000 км3 морской воды. Заметим, что эта величина примерно равна сумме годовых стоков Волги, Оби, Енисея, Лены и Амура. Понят­но, что стоимость потребной электроэнергии (даже если изыскать свободные энергоресурсы) много­кратно превысит все разумные пределы. К тому же надо учесть, что современные сорбционные промы­шленные фильтры обрабатывают водные растворы со скоростью, не превышающей 100 м3/ч на 1 м2 площади фильтра. Получается, что для обработки 5 км3 воды в сутки потребуются сорбционные уста­новки общей площадью фильтров около 5 км2. Даже весьма приблизительный расчет показывает, что предприятие подобной мощности займет сотню квадратных километров прибрежной зоны и потре­бует колоссальных капиталовложений.

Природный массоперенос морской воды.

А если использовать прокачивания воды через сор­бент естественными процессами перемещения океанской воды? Ведь вода в океанах и морях находится в непрерывном движении. Это и течения, и приливно-отливные явления, и, нако­нец, обычное волнение. Если бы удалось изыскать способ бесплатного массопереноса воды через сор­бент, проблема извлечения металлов существенно продвинулась бы вперед.

К настоящему времени разработаны несколько десятков проектов заводов, использующих природ­ный массоперенос морской воды, некоторые из них поражают воображение масштабностью и ориги­нальностью. Рассмотрим несколько таких идей. Шведские ученые предложили проект подводного комплекса в шельфовой зоне, основу которого со­ставляет построенная на глубине 200 м подводная плотина, перегораживающая океанское течение. В теле плотины предусмотрены отверстия для труб с сорбентом. Автоматическая система заменяет сорб­ционные массы по мере их насыщения металлом на свежие. Переработка и регенерация сорбента осу­ществляются на поверхности моря. В Японии и Италии выдвигались проекты подводных установок с рабочими элементами в виде сетей, изготовлен­ных из полимеров, поглощающих микроэлементы. Если такие сети установить в проливах с достаточно интенсивным течением, обеспечить непрерывное движение закольцованных сетчатых полотен через надводный регенератор и организовать гидрометал­лургический передел концентрата, то, по мнению автора проекта, проблема извлечения металлов принципиально была бы решена. В соответствии еще с одним проектом предлагается заранее подго­товленное дно мелководного пролива (несколько десятков квадратных километров) с течением сред­ней интенсивности засыпать слоем гранулирован­ного сорбента. По акватории пролива должны были бы передвигаться напоминающие драгу плавучие установки для подъема и регенерации сорбента. Полученный концентрат транспортировался бы на сушу для переработки.

Одной из наиболее проработанных идей являет­ся проект использования для сорбции микроэле­ментов плотин приливно-отливных электростан­ций. В теле такой плотины размещаются съемные фильтрующие сорбционные секции, которые по мере насыщения заменяются свежими. После реге­нерации фильтрующие секции используются вновь. Предварительные оценки показывают, что для фильтрования 1,5 км3 воды в сутки необходимо пе­регородить плотиной морской залив в районе с вы­сокими приливами, причем протяженность плоти­ны должна составить примерно 50 км. Понятно, что, хотя энергию на массоперенос тратить не при­дется, капитальные затраты на строительство упо­мянутой плотины будут весьма основательными, они составят несколько десятков миллиардов дол­ларов США. Отметим также, что инженерный опыт строительства плотин в морских глубинах в услови­ях сильных течений практически отсутствует. Тем не менее препятствия, связанные с высокой стои­мостью и технической сложностью добывающих предприятий, могут быть преодолены и наиболее продвинутые проекты могут быть реализованы. Од­нако на пути их реализации имеется еще одно серь­езное препятствие — экологические последствия.

Экологические последствия.

Прежде всего необходимо вспомнить, что Ми­ровой океан чрезвычайно важный, а для некоторых стран основной источник пищевых продуктов. Океан - регулятор климата практически на всей по­верхности нашей планеты. Наконец, океан - колы­бель жизни на Земле. Человечество пока сделало лишь первые шаги в освоении океана и его ресур­сов, но уже ясно, что пренебрежение экологически­ми требованиями приводит к катастрофическим последствиям.

Все океанические процессы, начиная от молеку­лярного уровня и кончая планетарными, такими, как течения и циклоны, связаны единой иерархиче­ской системой. В соответствии с законами эколо­гии любое вмешательство на низшем молекулярном уровне может сказаться в больших масштабах. При этом из-за ограниченности наших знаний послед­ствия вмешательства на молекулярном уровне мо­гут оказаться непредсказуемыми на планетарном. Казалось бы, общий объем Мирового океана равен 1 336 • 109 км3, а для нужд металлургии будет исполь­зоваться только 104 км3 (0,001%). Возможны ли в этом случае какие-либо крупномасштабные по­следствия? Ответ на этот вопрос, к сожалению, по­ложительный: да, нельзя исключить возможности серьезных и даже катастрофических последствий. Действительно, предприятия по извлечению микроэлементов должны располагаться вдоль бере­говой линии, там, где имеются достаточно мощные течения для обновления отработанной воды. Таким образом, отработанная морская вода, лишенная значительной части микроэлементов и отчасти де­газированная, попадает в прибрежную шельфовую зону, то есть в зону интенсивного рыболовства. Именно на шельфе Мирового океана сосредоточе­на основная масса его биологических ресурсов. Как отреагируют гидробионты на большие объемы слег­ка измененной морской воды, пока неясно. Работы в этом направлении проводятся в настоящее время во многих странах.

Железно-марганцевые конкреции.

Бурное развитие металлургии привело к устойчивому истощению месторождений железных руд. По различным оценкам геологов и экономистов, запасы железных руд будут исчерпаны на Земле к 2300г. Уже к 2000г. население Земли возрастет до 6,5 млрд. человек, и ему потребуется ежегодная выплавка более 50 млрд. тонн стали. Железо - второй среди металлов элемент по распространенности в земной коре. Доля его потребления среди других металлов - 95%. Мировые разведенные запасы железных руд составляли на 1985 год 232 млрд. т. Только четыре страны обеспечены собственной железной рудой: это наша страна - 100 млрд. т, Бразилия - 34 млрд. т, Канада - 26 млрд. т и Австралия - 21 млрд. т. В районе Курской магнитной аномалии сосредоточено около 30 млрд. т железных руд.

Колоссальные запасы железа сконцентрированы в железо-марганцевых конкрециях - комках размером с фасоль или репу, - находящихся на дне океанов и морей. Запасы железа в них оцениваются на 1984г. в 3000 млдр. т и они ежегодно увеличиваются на 10 млн. т.

Следует отметить, что морская вода не единст­венный источник океанического металлургическо­го сырья. Еще один источник минеральных бо­гатств Мирового океана - это так называемые железомарганцевые конкреции (рисунок 1). Обнаружено, что в некоторых районах дно океана практически полно­стью покрыто слоем конкреций - твердых сфериче­ских образований диаметром от единиц до несколь­ких десятков сантиметров. Состоят конкреции из смеси оксидов железа и марганца с довольно значи­тельными примесями оксидов молибдена, кобаль­та, хрома, никеля и других металлов (таблицы 1, 2). Конкреции за­легают непосредственно на поверхности дна на глубинах 2—5

км. Иногда толщина слоя конкреций достигает нескольких метров.

Происхождение конкреций.

В железно-марганцевых конкрециях примерно 20 процентов марганца, 15 железа, по 0,5 никеля, кобальта, меди и немало других редких на земле элементов. Таллия, например, в них в 50—100 раз больше, чем в осадочных породах суши. Ценнейшего металла — кобальта в конкрециях 2 миллиарда тонн, а мировые запасы его на суше не превышают миллиона тонн.

Во всех конкрециях марганца в 50 раз больше, чем растворено в океанах. В два раза больше в них кобальта. Но меди в два раза меньше. Никеля в 20 раз, а молибдена в 200 раз меньше, чем в окружающей воде. Почему?

Рисунок 2. Соотношение средних содержаний химических элементов.

Проблемы добычи железно-марганцевых конкреций.

Запасы железомарганцевых конкреций в Миро­вом океане оцениваются сотнями миллиардов тонн. Это означает, что они представляют собой важное перспективное сырье для цветной и черной метал­лургии. Однако на пути разработки этого сырья сто­ят серьезные трудности. В первую очередь это боль­шая глубина залегания. Для обеспечения нужд металлургии потребуется добывать миллионы тонн конкреций в год. Следовательно, предстоит изыс­кать новые инженерные решения, так как совре­менная технология подъема конкреций на поверх­ность океана с помощью лебедок и драг очень трудоемка и непроизводительна (Рисунок 3). Исследователи и инженеры промышленно развитых стран разраба­тывают проекты крупных надводных добывающих комплексов, а также подводные робототехнические системы, которые могли бы без участия человека производить поиск, добычу и транспортировку конкреций на плавучие базы. Важно отметить, что добыча конкреций не имеет таких опасных эколо­гических последствий, как извлечение микроэле­ментов из морской воды. Поэтому можно полагать, что промышленная добыча конкреций опередит концентрирование микроэлементов из морской во­ды и в ближайшие десятилетия станет реальностью. В заключение необходимо отметить, что рассмот­ренные в статье вопросы имеют по Большей части прикладной инженерно-технологический характер. Тем не менее их решение возможно только на осно­ве использования достижений фундаментальных естественных наук.

Рисунок 3. Метод ковшовой драги, механически сгребающий конкреции прикрепленным к канату ковшом.

Современные достижения

Ученые давно ищут способы, как воспользоваться таким богатством, и кое-что уже удалось осуществить. Например, во времена СССР военно-промышленный комплекс финансировал научные разработки по добыче из морской воды урана. Сегодня это уже хорошо отлаженная технология. Только если в годы холодной войны большая часть урана (не обязательно добытого из морской воды) шла на производство ядерного оружия, то сегодня его добыча актуальна для обеспечения работы атомных электростанций.

Например, в Институте геохимии и аналитической химии создана автоматизированная демонстрационная установка по комплексной безотходной переработке морской воды. Основные стадии технологии прошли пилотные испытания на установках, смонтированных в Охотском и Японском морях, на Сахалинской ГРЭС и одной из ТЭЦ Владивостока. Результатом испытаний стало экспериментальное подтверждение возможности добычи из морской воды чистых солей магния, калия, натрия, брома, лития и ценных микрокомпонентов.

В форме труб заложены "капсулы", заряженные гранулами сорбента, успешно вытягивающие металлы. Эта технология с успехом применяется у нас - на опытной Кольской приливной электростанции.

Шведские ученые, например, предложили проект подводного комплекса в шельфовой зоне, основу которого составляет построенная на глубине 200 метров подводная плотина, перегораживающая океанское течение. В Италии выдвигался проект подводных установок с рабочими элементами в виде сетей, изготовленных из полимеров, поглощающих микроэлементы. Если такие сети установить в проливах с достаточно интенсивным течением, то, по мнению авторов проекта, проблема извлечения металлов принципиально была бы решена.

У берегов Юго-Западной Африки на мелководье все дно перелопачено сложными устройствами, ищущими алмазы. В Токийском заливе за год перерабатывается 7 миллионов тонн железосодержащих песков. В Индонезии с помощью драг вместе с донным песком достают олово. Со специальных свайных островов в Мексиканском заливе добывают серу, а в Японии — каменный уголь. Во многих странах землечерпалки и земснаряды добывают со дна моря тысячи тонн песка и гравия.

Вывод.

Бурное ускорение исследований рудного потенциала океана началось в 60-70-х годах прошлого столетия в ходе конкуренции мировых держав за освоение стратегического пространства и стратегического сырья. По ресурсам некоторых видов рудного сырья океан не уступает континентам. Это относится в первую очередь к кобальт-марганцевым рудным коркам и фосфоритам, а в перспективе, видимо, и к сульфидам.

Результаты выполненных к настоящему времени поисково-разведочных работ, технических и технологических испытаний свидетельствуют о практической возможности освоения рудных ресурсов океана, включая обеспечение соответствующих природоохранных мероприятий.

Однако возобновление этого комплекса работ, приостановленных сейчас, в связи с изменением политической ситуации в мире, произойдет лишь при повышении экономической конкурентоспособности океанского рудного сырья, стоимость которого, по сравнению с континентальным, растет по мере истощения имеющихся ресурсов.

Рассмотренная в работе проблема использования минеральных ре­сурсов Мирового океана носит глобальный характер. Она может быть решена только при объединении усилий и ресурсов многих государств. Поэтому воз­никло широкое международное сотрудничество в научных исследованиях по освоению богатств морей и океанов, ежегодно созываются международные конференции, организуются интернациональные экспедиции. Немалое мес­то в изучении Мирового океана занимают работы советских исследователей.

Глобальность проблемы использования океанского минерального сырья заключается, однако, не только в том, что ее решение затруднительно для какой-либо одной страны. Дело еще и в возможных негативных последствиях осуществления крупномасштабных проектов вмешательства в жизнь океана.

Знакомство с проблемой освоения минеральных ресурсов Мирового океана наглядно демонстрирует, что, как и большинство других, она является междисциплинарной — ее никогда не смогут решить специалисты какого-либо одного профиля. Проблема эта представляет собой тесное переплетение химических, технологических, географических, экологических, экономических, биологических, энергетических и даже юридических задач.

Рефлексия

Эту тему мне предложил мой преподаватель, и даже само название работы заинтересовало меня. В ходе поиска всё новой и новой информации, я увлекалась все больше и больше и узнала очень много нового. Самым интересным для меня было изучение железо-марганцевых конкреций. Удовольствие доставило написание текста работы: в известные факты я смогла вставить все свои мысли, результаты исследования, выводы.

В процессе выполнения этой работы я не встретила на своём пути каких-либо огромных трудностей и проблем. Всё выполнялось в соответствии с планом, и, я считаю, в достаточной мере успешно.

Трудным для меня было публичное представление работы на но я смогла преодолеть свое волнение.

Самооценка.

Я искренне заинтересовалась этой темой и в процессе изучения этой темы узнала очень много интересных и занимательных вещей. Я считаю, что работа выполнена вполне успешно, подтверждением этому служит победа в Городской конференции научно-исследовательских работ учащихся. Эта работа мне поможет в моей будущей профессии, ведь я планирую связать свою дальнейшую жизнь с химией.