研究者らは海水から重要な金属を採掘することを検討している

海水中に自然に存在する金属は採掘できるのか、そして持続可能な方法で採掘できるのか。カリフォルニア州オークランドの企業は、できると答えている。同社は海水や産業から排出される廃塩水からマグネシウムを抽出しているだけでなく、カーボンニュートラルな方法でそれを行っている。マグラシア・メタルズはパイロットプロジェクトで少量のマグネシウムを生産しており、米国国防総省の資金援助を受けて、2～4年かけてこの金属を数百トン生産する大規模施設を建設中だ。同社は2028年までには、年間1万トン以上を生産する施設を稼働させる計画だという。

マグネシウムは鉄鋼よりもはるかに軽くて強度があり、航空機、自動車、鉄鋼、防衛産業にとって欠かせない。そのため、政府はこの事業に資金を提供している。現在、中国は世界のマグネシウムの約85％を、汚染の多い炭素集約型プロセスで生産している。したがって、再生可能エネルギーを使用して国内でマグネシウムを生産する方法を見つけることは、経済的および環境的問題であるだけでなく、戦略的な問題でもある。「指をパチリと鳴らすだけで、中国はマグネシウムの輸出を停止して米国の鉄鋼生産を停止することができます」と、金属生産の脱炭素化分野の専門家で、マグラシアのCEOであるアレックス・グラント氏は述べた。

「中国は大量の石炭と大量の労働力を使用しています」とグラント氏は続けた。「私たちは石炭を一切使用せず、 [use] 「労働量が大幅に削減される」この方法が低コストなのは、オフピークの時間帯、つまり最も安い時間帯に風力や太陽エネルギーを利用できるためだ。その結果、グラント氏は、金属のコストは鉱石を扱う従来の生産者の半分程度になると見積もっている。

マグラテア — ヒット小説に登場する惑星にちなんで名付けられた 銀河ヒッチハイク・ガイド — は、主に淡水化プラントから排出される廃塩水を購入し、水を蒸発させて塩化マグネシウム塩を残します。次に、塩化マグネシウム塩に電流を流して溶融マグネシウムから塩を分離し、インゴットや機械部品に鋳造します。

人類は海水から鉱物や化学物質を採取する手法を長年行ってきた。海塩は数千年にわたって海水から抽出されてきた。電池技術に使われるリチウム、コバルト、その他の金属の需要が急増するなか、世界中の研究者が現在、その範囲を広げている。企業は、鉱床採掘を避け、汚染を減らすために、ありそうもない場所で新しい鉱床を見つけようと躍起になっている。重要な鉱物や化学物質の次のフロンティアは、塩水、つまり塩水であるようだ。

塩水はさまざまな発生源から発生します。多くの新しい研究は、産業で発生する塩水廃棄物から金属を抽出できる可能性に焦点を当てています。産業廃棄物には、尾鉱池に廃棄物を排出する石炭火力発電所、石油やガスの井戸から汲み上げられた廃水（産出水と呼ばれる）、硬岩鉱山からの廃水、淡水化プラントなどがあります。

大規模な塩水採掘は、廃棄物の処分が必要になるなど、環境に悪影響を及ぼす可能性があります。しかし、現在大規模な採掘は行われていないため、潜在的な影響は不明です。それでも、このプロセスには多くのプラスの効果があると予想されており、その主な効果は、硬岩採掘に伴う大規模な土地の撹乱や酸性鉱山排水、その他の汚染を発生させることなく、貴重な金属を生産できることです。

オレゴン州立大学の研究センターである Brine Miners によると、世界中にはおよそ 18,000 の淡水化プラントがあり、年間 23 兆ガロンの海水を取り込んで、逆浸透と呼ばれるプロセスで半透膜に通すか、他の方法を使用して水分子を不純物から分離しています。毎日、プラントは 370 億ガロン以上の塩水を生成します。これはオリンピック サイズのプール 50,000 個を満たすのに十分です。この溶液には、銅、亜鉛、マグネシウム、その他の貴重な金属が大量に含まれています。

淡水化プラントから出る塩水の処分は、常に課題となってきました。沿岸地域では、淡水化プラントがその廃棄物を海に戻し、海底に沈殿して海洋生態系にダメージを与える可能性があります。塩水は非常に高濃度であるため、動植物に有毒です。内陸の淡水化プラントは、廃棄物を埋めるか、井戸に注入します。これらのプロセスは、すでに高価なプロセスのコストをさらに引き上げ、淡水化プラントが世界中で急増するにつれて、問題は拡大するばかりです。

塩水の利益を生む安全な利用法を見つけることは、プラントの廃棄物問題の解決に役立ち、塩水を別のプロセスに利用することで、ある産業活動の残留物が新しい活動の原料となる循環型経済への道筋を拓くことになる。OSU の推計によると、淡水化プラントから出る塩水には 2.2 兆ドル相当の物質が含まれており、その中には電気自動車、家電製品、電気エネルギー貯蔵システムのバッテリー製造に不可欠な 17,400 トン以上のリチウムも含まれる。場合によっては、リチウムやその他の金属や鉱物を塩水から採掘することで、残りの廃棄物の毒性を低下させることができる。

メーカーは数十年にわたり、天然の塩水からマグネシウムとリチウムを抽出してきた。2023年の連邦政府の分析によると、数十年分の国内需要を満たすのに十分なリチウムを含むカリフォルニア州のソルトン湖では、企業が地熱井を掘削し、塩水から金属を分離するために必要なエネルギーを生み出している。

また、アーカンソー州の田舎では、エクソンモービルが最近、世界最大級のリチウム処理施設を建設中であると発表した。これは、スマックオーバー地層の奥深くにある塩水からリチウムを吸い上げる最先端の施設だ。同社は、2030年までに世界のリチウムの15％を生産する予定だとしている。

鉱山会社はこれまで、淡水化処理された塩水に含まれる鉱物をほとんど無視してきた。濃縮が経済的ではないからだ。しかし、新しい技術やその他の革新によって、より効果的な分離方法が開発され、企業はこの膨大な資源に注力できるようになった。

「3つのベクトルが収束しつつある」と、バークレーにあるエネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所の国立水イノベーション連合のディレクター、ピーター・フィスク氏は言う。「これらの重要な材料の一部の価値は上昇している。従来の [open pit] 「採掘と採掘量は増加しています。そして、国際的な供給国、特にロシアと中国の安全性は低下しています。」

また、温室効果ガスの排出量が極めて少ない、ゼロ、またはマイナスで、循環型経済の一翼を担うプロジェクトや事業にも重点が置かれており、国防総省やエネルギー省などから助成金も出ている。塩水採掘を研究する研究者は、淡水化の究極の目標、つまり廃塩水から真水を作るための高価なプロセスの費用を賄うのに十分な価値を見出すことは達成可能だと考えている。

改良された濾過技術により、塩水に浮遊する物質をはるかに多く、はるかに微細なものまで除去できるようになりました。「私たちは現在、個々のイオンを選択的に除去する膜を持っています」とフィスク氏は言います。「この技術は [allows us] 「廃水のゴミの山をかきわけて、価値の高いものを選び出す」この研究を推進する基本的な概念の 1 つは、「廃水というものは存在しないということだ」と彼は言います。

サウジアラビアの砂漠に建設中の、物議を醸し莫大な費用をかけて建設中の未来都市NEOMは、海水淡水化プラントと、廃棄物から鉱物や化学物質を採掘し、廃棄しなければならない物質の量を最小限に抑える施設を建設するために、高い評価を得ている国際チームを編成した。NEOMの水とエネルギー部門であるENOWAは、逆浸透と正浸透を含む選択膜が特定の鉱物をターゲットにし、市場価値の高い重要な肥料である廃塩水に含まれる塩化カリウムの99.5％を抽出すると主張している。このシステムは、従来の塩化カリウム生産方法に比べて半分のエネルギーを使用し、半分の資本コストで済む。ENOWAは、リチウム塩やルビジウム塩など、他の鉱物を廃塩水から処理するための他の選択膜を開発中であると述べている。

オレゴン州のブラインマイナープロジェクトは、海水を淡水化し、リチウム、希土類、その他の金属を抽出する実験システムを開発しました。プロセス全体は、再生可能エネルギーを使用して水の水素と酸素分子を分離して研究者が生成するグリーン水素で駆動されます。「私たちは循環プロセスを目指しています」と、オレゴン州立大学でこのプロジェクトを率いるジェンシン・フェン氏は語ります。「部品を一切無駄にしません。」

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炭素回収は淡水化の廃棄物問題を解決できるか？

淡水化塩水やその他の廃水を採掘するというコンセプトは、世界中で研究され、実行されています。オランダのデルフト工科大学の研究者は、都市の廃水処理中に形成された汚泥粒子から、カウメラと呼ばれるバイオベースの材料を抽出しました。他の原材料と組み合わせることで、結合剤と接着剤の両方の機能を持ち、水をはじき、保つカウメラは、農業、繊維、建設業界で使用できます。

8カ国にパートナーを持つ、ヨーロッパのもう1つの大規模プロジェクト「Sea4Value」では、さまざまな技術を組み合わせて、塩水から10種類の対象元素を濃縮、抽出、精製、結晶化します。アイオワ州立大学の米国エネルギー省エイムズ研究所やテネシー州のオークリッジ国立研究所など、米国の公的資金による研究所も、天然塩水や工業塩水からリチウムやエネルギー転換に重要なその他の物質を抽出する新しい方法を研究しています。

テキサス州エルパソのケイ・ベイリー・ハッチソン淡水化プラントは、汽水帯水層から毎日2,700万ガロン以上の真水を生み出しているが、このプラントでは、廃塩水がトラックで運ばれ、22マイル離れた注入井に汲み上げられる。しかし、まずは、淡水化プラントの近くに施設を持つアップウェル・ウォーターという会社が、廃塩水からさらに飲料水を絞り出し、残った廃水から石膏と塩酸を生産して産業顧客向けに供給している。

塩水採掘プロジェクトの成功にはハードルがあります。NEOM ポートフォリオの塩水イノベーション マネージャーである Christos Charisiadis 氏は、処理施設への初期投資額の高さ、水道業界のイノベーションの透明性の欠如により技術の問題がわかりにくくなる可能性、包括的なライフサイクル評価の欠如による環境問題の可能性に対する理解不足、複雑で一貫性のない規制枠組み、商品価格の変動など、いくつかの潜在的なボトルネックを特定しました。

それでも、さまざまな産業や天然の塩水からの金属回収を研究してきたケンブリッジ大学の助教授、ナサニエル・クーパー氏は、幅広い産業に対する環境規制がかつてないほど厳しくなる中、金属回収の見通しは有望だと考えている。

「廃水を排出する企業は、処分する廃水に汚染物質や有害物質が含まれていないことを保証するために、ますます多くの努力を求められるようになるだろう」と同氏は述べた。「多くの企業は、これらの物質を回収する方法を見つけざるを得なくなるだろう。廃水から多くの貴重な物質を回収し、循環型経済に貢献できる大きな可能性がある。」