Добыча химических элементов мирового океана
Море — хранилище химических элементов
Овладей морем и ты сделаешься, властелином суши.
Народная английская песня
Мировой океан является неисчерпаемой кладовой химического сырья. В его водах практически растворена вся гамма элементов таблицы Менделеева. Правда, в настоящее время в воде морей и океанов из-за несовершенства методов химического анализа обнаружено всего лишь 44 химических элемента таблицы Менделеева, из которых 35 настолько незначительны, что вместе взятые по весу составляют всего лишь 0,02 г/л воды. В колоссальном объеме вод Мирового океана, составляющем 1370 млн. км 3 , содержатся неисчислимые количества магниевых, хлористых, кальциевых и других солей.
Кроме огромного количества солей, в водной толще океана хранится столько цветных металлов, что запасы всех месторождений земного шара по сравнению с ними ничтожны. В 1 л 3 морской воды содержится 0,008 мг золота.
Это бесконечно малая величина, лежащая почти на грани возможности ее определения. Но, учитывая весь объем воды в Мировом океане, вес золота, которое теоретически можно из нее извлечь, достигает потрясающей цифры — 10 млн. т. Из этого золота можно было бы отлить куб с высотой сторон 800 м.
В речной воде, выносимой в океаны и моря, также много растворенного золота. Только лишь Волга, протекающая в районе незолотоносных горных пород, ежегодно выносит в Каспийское море 640 тыс. т золота. Чтобы представить, насколько велико количество золота, ежегодно выносимое с волжской водой, достаточно вспомнить, что в России до 1917 г. добывалось всего лишь 35 т золота в год. Известно, что реки ежечасно выносят в океаны 13 млрд. м 3 воды. Следовательно, количество золота, поступающее в океаны с речной водой, исчисляется поистине огромными цифрами.
Однако океан упрямо бережет свое золото. Золото потеряет всякую ценность, утверждают многие ученые, если будет найден надежный способ извлечения его из морской воды. Чтобы взять у безмерно богатого океана хотя бы грамм золота, нужно затратить огромные средства.
Несколько десятилетий тому назад предлагаемые различные методы извлечения золота, чаще всего основанные на электролизе морской воды, вызывающем отложение золота на платиновом электроде, не дали положительных результатов, и «золотая лихорадка» в исследовательских лабораториях Европы окончилась безрезультатно.
Себестоимость золота, полученного из воды химическим методом, была значительно выше, чем цена золота, добытого из россыпей или золотоносных жил.
В водной толще морей и океанов, кроме золота, много драгоценного металла — серебра. Его в воде в 20 раз больше, чем золота.
Количество тория, находящего с каждым годом все большее применение в электронике, рентгенотехнике, ядерной технике и энергетике, а также являющегося сырьем для получения ядерного горючего, в морской воде достигает 300 млн. т. Молибден, идущий на изготовление специальных сортов стали, использующихся в электро- и радиотехнике, в химической промышленности, также растворен в морской воде в огромных количествах — примерно 300 млн. т. Молибден на суше является редким металлом: в земной коре его содержится 0,0003%. Ежегодная мировая добыча (без СССР) молибдена весьма незначительна — около 30 тыс. т.
В морской воде в виде йодистых солей натрия и калия находится йод. По самым средним подсчетам, в Мировом океане йода содержится 10 млрд. т.
Приведенные цифры показывают, что богатства, растворенные в водах океана, баснословны. Но как их извлечь?
Существует много вариантов решения сложной проблемы получения из водной толщи земного шара редких и драгоценных металлов в промышленных количествах.
В 1958 г. в Советском Союзе были созданы иониты — высокомолекулярные соединения из продуктов переработки нефти и природных газов, которые не растворяются в воде и в таких органических растворителях, как бензин, масло, спирт, эфир, ацетон. В то же время они имеют в своем составе активные химические группы, обладающие способностью, подобно щупальцам, захватывать отдельные составные элементы солей металлов морской воды. При этом они отдают предпочтение тяжелым, а следовательно, и более ценным элементам. К ним относятся уран, серебро, золото и другие химические элементы.
Способностью ионитов «притягивать» к себе многие вещества из растворов советские химики и решили воспользоваться для получения ценных металлов из морской воды.
Придав ионитам форму мелких шариков диаметром до 1 мм, они поместили их в фильтрующую двухметровую колонну, которую в 1959 г. на экспедиционном судне «Михаил Ломоносов» укрепили ниже ватерлинии и подключили к заборному кингстону. Атлантическая вода под собственным давлением устремилась через напорный бак в поглотительную колонну. Через колонну, заряженную ионитами, за 1516 часов прошло более 59 тыс. л воды. Затем колонну вскрыли. Оказалось, что на каждый килограмм ионитов-чудодействующей смолы — осело 0,15 г урана, 0,125 г серебра. Были обнаружены также стронций, висмут, цинк, медь, марганец, железо, алюминий, кремний, кальций, магний, натрий, золото.
В водах Атлантики при помощи ионитов удалось выявить большое содержание селена, по свойствам близкого к сере, но менее активного. Являясь очень ценным материалом, селен применяется в фотоэлементах, телевидении, оптических и сигнальных приборах, селеновых выпрямителях, автоматических выключателях, при получении рубиновых стекол. Мировое производство селена не достигает и 1 тыс. т в год. Это намного меньше, чем добывается золота, хотя селен незаменим во многих отраслях промышленности. Советские химики, применяя иониты, установили, что селена в водах Атлантики в 10 — 25 раз больше, чем серебра, и в 1000 раз больше, чем золота.
Различные виды ионообменных смол применялись не только для опытов на экспедиционных судах. На Московском монетном дворе через колонну с ионообменной смолой было пропущено 97 л производственных отходов. В этом растворе было много посторонних солей — около 200 г/л. Однако при помощи смол удалось получить 636,52 г золота. Теперь промывные воды многих советских ювелирных предприятий пропускаются через установки с ионообменными смолами. А ведь эти воды, содержащие от 16 до 130 г золота на литр, раньше спускались в канализационную сеть.
В настоящее время советские химики работают над созданием специальной группы ионитов, способных в больших количествах извлекать из сложной смеси элементов наиболее ценные из них. Вероятно, скоро наступит время, когда корабли, оборудованные специальными установками с волшебными зернами, смогут добывать в океанах многие драгоценные металлы. Возможно, для получения металлов из морской воды будет использована сила приливов и отливов. Тогда морская вода сама устремится в поглотительные установки. В этом случае экономическая выгода добычи золота и других ценных металлов не вызывает никаких сомнений.
Советские ученые и инженеры выдвинули идею использования давления воды на дне морей и океанов для проведения химических реакций в промышленных масштабах. Они считают делом недалекого будущего строительство химических предприятий в ложе морей и океанов, на которых будет использоваться давление воды. Неисчерпаемые богатства океанов будут служить сырьевой базой для таких подводных заводов.
Разработкой рациональных приемов извлечения из морских вод рассеянных в ней редких элементов, кроме химиков, заняты биологи. Они стремятся раскрыть секреты биохимического накопления растворенных в морской воде элементов и воспользоваться ими. По мнению советского гидробиолога Л. А. Зенкевича, биологический способ извлечения химических элементов из морских вод наиболее перспективен. Уже говорилось, что многие обитатели моря обладают изумительной способностью поглощать и кон-центрировать в своем организме некоторые химические элементы. Этой способностью обладают не только морские организмы, но и отдельные морские растения. Так, йод почти невозможно обнаружить в морской воде при помощи химического анализа, а в водорослях, особенно в морской капусте, его содержится в тысячу и сотню тысяч раз больше, чем в воде, окружающей растения. В теле асцидий, мешковидных или трубчатых животных, населяющих Кольский залив, содержится до 0,5% ванадия, тогда как в морской воде этого ценнейшего химического элемента всего лишь 0,0000005 %. Морские черви — голотурии, или, как их еще называют, «морские огурцы», также концентрируют ванадий; беспозвоночные моллюски поглощают медь, медузы — цинк, олово, свинец, простейшие организмы радиолярии, или корненожки — стронций, а некоторые виды морских трав — марганец. В морских водорослях — фукусах и ламинариях сконцентрировано много алюминия, в серных бактериях — серы. Ученые предполагают, что в недалеком будущем искусственное воздействие на морские организмы приведет к значительному усилению их способности поглощать и накапливать ценные элементы и, таким образом, позволит создать на морском дне большие плантации растений и животных-«металлургов», которые будут планомерно снабжать промышленность ценными цветными металлами.
В настоящее время за рубежом для отделения примесей серы от угля уже предпринимаются попытки использовать некоторые виды бактерий, питающихся окислами серы и поедающих в большом количестве сернистый пирит.
Известно, что главными составными частями морской воды являются те химические соединения, которые определяют соленость воды и содержатся в ней в особенно больших количествах. К ним относятся хлористый натрий, магний, кальций, калий, стронций, сульфаты, бром, фтор и бор.
Количества главнейших составных частей Мирового океана выражаются астрономическими цифрами (в тоннах).
Огромные запасы солей делают воды Мирового океана своеобразной кладовой, из которой хлористый натрий (поваренная соль) стали добывать раньше, чем другие соли.
В Объединенной Арабской Республике соль начали выпаривать в морских лагунах еще в древние времена. Солеварение в древней Руси считалось доходным промыслом.
Несомненно, что французские слова, представляющие видоизмененную латынь «soldat» и «solaire» (жалованье), происходят от слова «sel» — «соль». Римляне расплачивались со своими наемниками солью. Даже в наше время в Сахаре продуктом обмена, заменяющим деньги, служит соль.
На некоторых побережьях дальневосточных морей соляной промысел насчитывает двухтысячелетнюю давность. Здесь для перекачивания морской воды из одного бассейна в другой и перемалывания соли употреблялись в старину ветряные мельницы. Сейчас в прибрежной илистой полосе, постепенно переходящей в морское дно, на многие десятки километров тянутся соляные промыслы. На берегу из ила возведены дамбы с отдельными разрывами для узких каналов. Пространство за дамбами разделено на множество квадратных бассейнов, отгороженных один от другого дамбами меньшего размера. Благодаря ничтожному уклону местности, бассейны строятся во много рядов, и с самолета такие промыслы напоминают шахматную доску. Продольные и поперечные каналы служат средством сообщения: по ним ходят джонки, вывозящие соль. Местами на более широких дамбах сооружены шоссейные дороги. Это сложное хозяйство создалось, но характер самого промысла пока мало изменился. Соль сгребают, отвозят на тачках и складывают в громадные штабеля вручную. Труд этот очень тяжел.
Волокуша для подводной фотографии
На соляном сырье работают многие химические заводы. Илистые берега некоторых дальневосточных морей удобны для создания соляных промыслов, потому что на тонком по составу грунте через дамбы не происходит фильтрации.
В Испании, Португалии, Франции, Италии, США и некоторых других странах в настоящее время, как и в глубокой древности, соль из морокой воды добывается в соляных испарительных бассейнах.
Производительность их невелика: из 1000 м 3 воды получают всего 1,8 т соли.
Соляные промыслы
Добычей соли из морской воды примитивными способами заняты тысячи рабочих на побережьях многих морей и океанов. Так, в Таиланде площадку на берегу моря, использующуюся для получения соли, сначала укатывают вручную при помощи огромного валика, а затем заливают морской водой. Осевшую после испарения влаги соль собирают, промывают и отправляют во все концы страны.
Богатейшим источником химического и минерального сырья является Мертвое море, представляющее по существу соленое озеро. В 1 л воды Мертвого моря содержится 275 г различных солей. Вода этого моря отличается такой плотностью, что человек держится на поверхности без всяких усилий. Если эта морская вода попадет в глаза, они болезненно горят. Вкус воды солено-горький. Исключительная концентрация воды обусловлена засушливым климатом, который способствует интенсивному испарению воды.
По подсчетам ученых, запасы солей в Мертвом море следующие (в млн. т):
Эти запасы могли бы полностью удовлетворить мировую потребность в течение 100 лет.
На берегах Мертвого моря поваренную соль из морской воды добывают в соляных бассейнах.
В Советском Союзе залив Кара-Богаз-Гол, как и Мертвое море, является естественным испарительным бассейном и богатейшим источником химического сырья. Концентрация солей в воде залива достигает 300 г/л.
Карабогазские рассолы, содержащие сульфит натрия, калия, магния, брома, сернокислые соли, хлористый магний, применяются в стекольной, текстильной, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности. Из воды Кара-Богаз-Гола добывается в больших количествах глауберова соль (мирабилит), из которой изготовляют высококачественные удобрения для полей.
В последние десятилетия в связи с понижением уровня Каспийского моря приток вод из моря в залив значительно сократился, в результате чего здесь уменьшилось отложение солей.
Вода Кара-Богаз-Гола не единственный источник химического сырья. Под дном залива обнаружены три мощных пласта соли. Эксплуатация среднего из них ведется с 1963 г. Запасы соли в этом пласте настолько велики, что некоторые скважины при помощи нагнетания в них воды, растворяющей соль, дают рассола в среднем 500 м 3 в час. Добыча соли широко развита также в заливе Сиваш (Азовское море), в Кучукском озере Алтайского края. На этом озере в 1960 г. применен оригинальный способ добычи соли. Летом миллионы кубометров горько-соленой, богатой глауберовой солью воды гигантского Кучукского озера были перекачаны мощными насосами в соседнее озеро небольших размеров. Наступившие зимой сильные морозы не смогли сковать льдом озеро, но заставили соль осесть на дно. Спустя некоторый период времени вода была снова перекачана в Кучукское озеро. Слой осевшей соли достиг 1,5 м. По предварительным данным, Кучукский сульфатный комбинат получил около 1300 тыс. т соли. Добыча соли при низких температурах воздуха в нашей стране подобным способом осуществлялась впервые.
Мировое потребление соли составляет 22 млн. т в год. Из этого количества 8 — 9 млн. т составляет соль, добытая из морской воды. В США и Англии выпариванием из морской воды добывается 6 млн. т соли в год. Такой способ получения соли экономически выгоден по сравнению с шахтным или рудничным (из осадочных пород земной коры — соляных копей).
В Индией из морской воды ежегодно добывают 1,5 млн. т соли, в Испании — 800 тыс. т, Италии — 600 тыс. т и Франции — 500 тыс. т.
Соль — это основное сырье для химической промышленности. Ее широко применяют для получения соды, едкого натра, соляной кислоты, гипохлорита (жавелевой воды), хлоратов и т. д. Последние в свою очередь используются для производства сложных органических и неорганических веществ.
При смешивании соли с толченым льдом происходит понижение температуры до -20°, поэтому соль применяют в холодильной промышленности. Соль употребляется также для очистки жиров, масел и в мыловарении. С глубокой древности человек использует соль для засолки мяса, рыбы и других продуктов. У некоторых народов соль до сих пор служит единственным средством заготовки продуктов.
Добыча магния
Соль как пищевой продукт необходима человеку в количестве 8 кг в год. Запасы поваренной соли в водах Мирового океана, как уже отмечалось, достигают астрономической цифры — 38 000 000 млрд. т. Если запасы соли, залегающей в осадочной толще земной коры, когда-нибудь истощатся, то океан сможет обеспечить человечество солью на протяжении 2 млрд. лет.
Морская вода является также неистощимым источником ценного химического сырья — хлористого магния, из которого получают магний — ковкий, пластичный металл, входящий в состав специальных сплавов. Главная особенность магния — его исключительная легкость: плотность этого металла 1,7, тогда как у алюминия, который тоже считается легким металлом, она равна 2,7. Магний в 4,5 раза легче железа.
На суше магний добывают из горных пород, содержащих большое количество доломита.
Применяется магний в основном в авиастроении, ракетостроении, атомной технике, металлургии, при фотосъемках, из него изготовляют магниевые лампы, воспламеняющиеся электрической искрой. Магний по содержанию в морской воде стоит на втором месте после натрия. В 1 м 3 морской воды содержится 1,3 кг магния, или 1 часть магния на 800 частей коды.
Для добычи магния из морской воды ее пропускают через баки, в которых к ней примешивается известковая вода. Образующаяся при этом взвесь магнезии выпадает на дно баков в виде крупных легких хлопьев. Добавление в уже обработанную морскую воду новых порций воды и извести приводит к увеличению размеров хлопьев. После этого, профильтровав воду, собирают и высушивают магнезию, из которой получают магний.
Первая тонна магния из морской воды получена в 1916 г. в Великобритании. С этого времени добыча магния превратилась в новую отрасль промышленности многих стран.
В 1927 г. в США, в Сан-Франциско, для добычи магния из морской воды был построен первый крупный завод. Через 10 лет был пущен второй завод в Калифорнии, в Ныомарке. В 1940 г. в штате Техас, во Фрипорте, появился еще один завод по извлечению магния из морской воды. В 1945 г. на побережьях океанов, омывающих США, работало уже шесть таких заводов. Заводы по извлечению магния из морской воды появились в Великобритании (в Кардифе, Ньюкасле и Камберленде). Во Франции, в Сете, извлечением магния из морской воды занят высокопроизводительный завод, сооруженный в 1951 г. Подобный завод есть и в Италии; он принадлежит частной компании.
В Мертвом море — этой, как уже отмечалось, огромной кладовой разнообразного химического и минерального сырья, запасы хлористого магния составляют колоссальную величину — 22 тыс. млн. т. Концентрация хлористого магния на 60-метровой глубине здесь достигает 164 г/л. Расположенные на побережье Мертвого моря заводы круглый год извлекают из воды хлористый магний.
До настоящего времени здесь не делали никаких попыток организовать производство из воды магния. Добыча магния, как известно, требует много электроэнергии, но ее из-за отсутствия гидроэнергетических ресурсов на побережье не хватает. Заводы, работающие на воде Мертвого моря, снабжают хлористым магнием много стран, в частности Великобританию.
Добыча магния в капиталистических странах до 1941 г. составляла 40 — 50 тыс. т в год. Вторая мировая война активизировала производство магния. В 1943 г. добыча магния в капиталистических странах достигла максимума — 250 тыс. т в год, причем большую роль в мировой добыче магния в 1943 г. играло извлечение этого металла из морской воды. Только американские заводы в этом году выработали из морской воды 82 тыс. т магния, или 35% всей мировой его добычи.
Бурное развитие магниевой промышленности обусловило резкое снижение себестоимости магния. Если 1 кг магния в 1916 г. в США стоил 10 долларов, то в 1943 г. его цена упала до 26 центов.
В 1945 г. производство магния в капиталистических странах сократилось до 55 тыс. т в год. Затем оно вновь начало повышаться и в 1956 г. достигло 75 тыс. г. В последние годы в связи с созданием реактивных самолетов, космических ракет и кораблей, атомных электростанций и атомного флота во многих странах добыча магния как из магниевых руд, так и из морской воды значительно возросла.
В настоящее время самым лучшим источником для получения магния следует считать морскую воду. Преимущество этого источника состоит в том, что он практически неистощим. В 1 км 3 морской воды содержится 1300 тыс. т магния. Этим количеством можно удовлетворять мировую потребность на протяжении многих лет.
В Советском Союзе добыча хлористого магния из вод Сакского озера в Крыму была начата в 1924 — 1925 гг, В последующие годы магний стали извлекать из вод ку-лундинских и перекопских озер. Концентрация магния в воде этих озер чрезвычайно велика — в 1 м 3 воды содержится до 50 кг окиси магния. Содержание магния в рассоле озера Сиваш также очень велико — примерно 30 кг на 1 м 3 воды.
Кроме хлористого натрия и магния, из морской воды в большом количестве извлекают калий (поташ).
Калий используется в больших количествах в качестве искусственного удобрения для полей, при производстве мыла, для чистки и отбелки тканей. Калийная соль служит сырьем для химической промышленности. Кроме того, калий применяется при изготовлении пороха и взрывчатых веществ, кож, в электрометаллургии, фотографии и пиротехнике.
По сравнению с хлористым натрием и хлористым магнием калия в морской воде значительно меньше: в 1 м 3 воды растворено 400 г калия, или 700 г калийной соли.
Калий добывают в основном при помощи применения реактива — дипикриламина — слабой кислоты. Чтобы вызвать реакцию, в бак с морской водой добавляют раствор кальция. Спустя некоторое время на дно бака выпадают небольшие кристаллические красные шарики. После обработки кристаллов крепкой кислотой получают соль калия и одновременно восстанавливают дипикриламин, который растворяется при помощи извести.
Промышленное получение калия из морокой воды развилось в основном после первой мировой войны, когда в 1914 г. немцы, владеющие калийными рудниками Стас-фурта, захватили калийные разработки Эльзаса. Почти все страны попали в катастрофическое положение, лишившись источников удобрения. В результате значительно снизилась урожайность полей и стал ощущаться недостаток в сельскохозяйственных продуктах. Многие страны, в частности Франция, Англия и США, начали искать новый источник получения калия. Таким источником оказалась морская вода.
В 1939 г. в США добыча калия из прибрежных соляных болот и соляных озер, особенно из озера Серлс, составила 300 тыс. т. Англичане ввозят калий, добытый из вод Мертвого моря.
Большой завод, на котором калий извлекается из морской воды, расположен в Неаполе. Кроме того, Италия построила большой завод в Эритрее (Африка), добывающий калий из отложений и рассолов озера Эритрея.
В Советском Союзе с 1930 г. крупные разработки калийных солей ведутся в Соликамске и с 1940 г.- на Украине. По масштабам разработок и запасов калийных солей СССР занимает первое место в мире.
Из рассолов соляных озер, из буровых вод нефтеносных районов, а также из морской воды добывают бром. Заметив, что морская вода прибрежных лагун при соединении с хлором приобретает красновато-оранжевый цвет, французский химик А. Ж. Балар получил из нее в 1826 г. бром. Бром не встречается ни в каких минералах. Единственные источники его получения — морская вода или соли в отложениях, образовавшихся в районах, где в прошлом простирались воды океанов. Концентрация брома в морской воде невелика: из 1 м 3 морской воды можно получить всего лишь 65 г брома.
Промышленное извлечение брома из морской воды получило развитие в основном в начале первой мировой войны в связи с возросшим производством отравляющих газов. После войны потребность в броме значительно сократилась.
С 1922 г. добыча брома из морской воды снова увеличилась, так как оказалось, что двубромистый этилен является самым лучшим растворителем тетраэтилового свинца. Добавление последнего к бензину делает его невзрывающимся, что позволяет увеличить предел сжатия в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания без опасности самовозгорания.
В настоящее время бром в основном применяется при производстве антидетонаторов — препаратов, прибавляемых к моторному топливу, применяемому в авиации и автотранспорте. Кроме того, бром применяется в фармацевтической промышленности, медицине, фото- и кинопромышленности, при изготовлении красящих веществ.
Раковины-жемчужницы и гигантская тридакна с жемчужиной
В 1940 г. мировое производство брома составило 30 тыс. т. С каждым годом добыча брома из морской воды увеличивается. Из морской воды бром добывают в США (штат Мичиган), Англии, Японии и па средиземноморском побережье Франции. В южной части Туниса, вблизи озера Зарзиса, где расположена обширная лагуна с очень соленой водой Себкрет-эль-Мелах, в 1916 г. был построен самый большой завод по добыче брома. За два года он выпустил 1 тыс. т брома.
В Советском Союзе для добычи брома из вод соляных озер в 1933 г. был построен крупный завод в Красно-Нере-копске.
Морская вода, кроме хлористого натрия, магния, калия, брома, снабжает человека также другими необходимыми солями. Правда, эти соли не добываются из воды непосредственно. Так, из пепла сожженных морских водорослей получают йод.
Существуют районы, где углекислого кальция недостаточно. Но если поблизости плещется океан, то человек получает кальций из устричных и мидиевых раковин и кораллов. На побережье Мексиканского залива на одном из заводов для производства магния из морской воды применяются размолотые и обожженные раковины устриц.
На Канарских островах толченую известковую массу, полученную из раковин моллюсков, местные крестьяне используют в качестве удобрений для нолей и для побелки жилищ. Со дна неглубоких морских лагун в некоторых странах извлекают известняк — прекрасный строительный материал, образованный из скелетов миллиардов погибших животных.
Источник