«Новая нефть XXI века». Литий – стратегический ресурс будущего

0
33


Добыча лития в Боливии
Стратегический литий

Увеличение потребления военной промышленностью лития неизбежно по многим причинам.

Во-первых, в настоящее время только литийионные аккумуляторы позволяют хранить много электроэнергии в относительно небольших объемах.

Во-вторых, военные постоянно наращивают количество гаджетов, нуждающихся в энергии, которую в полевых условиях зачастую могут обеспечить только перезаряжаемые батареи. Грядущие в войсках экзоскелеты, вообще, стали возможны только из-за миниатюризации систем энергоснабжения.

В-третьих, тяжелая техника постепенно переходит на гибридные приводы, требующие где-то хранить энергию от генераторов и рекуперативного торможения. Гибриды приходят в армию не по причине модной нынче декарбонизации – отказа от сжигания углеводородного топлива, а из-за высокой скрытности подобных решений.

На поле боя гибридный танк или БМП могут заглушить мотор-генератор и двигаться исключительно на запасенной в аккумуляторах электроэнергии. То есть бронемашины не дымят, не шумят и не столь явно святятся в инфракрасном диапазоне. Ну и, конечно, гибридная бронетехника позволяет сэкономить топливо и ресурс мотора.

Подобные разработки уже в предсерийном виде существуют за рубежом.

К примеру, в США работают над гибридной БМП Bredley-HED, оснащенной электротрансмиссией Modular EX-Drive и блоками литийионных батарей. В России несколько лет назад прошли испытания гибридного БТР «Крымск» и сейчас ведутся работы над специальным колесным шасси «Платформа-О» с электрической трансмиссией. Несмотря на высокую пожароопасность лития, этот металл в обозримом будущем займет важнейшее место в военно-технической отрасли. А это значит, что литиевые месторождения станут стратегическими объектами.

Литий из солей

В природе литий по причине своей высокой активности в свободной форме не встречается – только в составе растворенных солей и твердых минералов.

Главными источниками лития выступают соляные озера в засушливых странах, относящиеся к гидротермальному литиевому сырью. В этой связи больше всего повезло Чили, на территории которого расположено крупное литиевое месторождение – солончак Салар-де-Атакама. Площадь поверхности этого высохшего озера достигает 3 000 кв. км. А примерные запасы металлического лития, скрытого в соляной корке, оцениваются почти в 7 млн тонн.

Действительно, не зря Чили называют «литиевой Саудовской Аравией». Последние десятилетия эта южноамериканская страна обеспечивала до 43 % мирового потребления самого легкого металла.

Не только гигантский солончак, но и жгучее солнце на пару с пустынным засушливым климатом стали важным звеном чилийского литиевого чуда. Осадков в этой местности выпадает меньше всего, чем где бы то ни было в мире – всего 10 мм/год. Это вызывает интенсивное испарение влаги (до 3 000 мм/год). Отчего в озере остается только чрезвычайно концентрированный раствор солей – рапа.

Вся поверхность солончака покрыта «каличем», пористой породой из гипса и галита, пропитанной рапой. Глубина залегания такого «калича» может достигать нескольких десятков метров.

Основными соединениями в рассоле является хлорид и сульфат лития. А общая доля металла в одном литре такого коктейля может достигать 7 граммов на литр. По этому параметру чилийскому солончаку (Салар-де-Атакама) в мире просто нет равных.

Помимо солей лития в рапе растворены соединения натрия, калия, брома и кальция. Практически всегда с литием в рассолах соседствуют соединения магния. Если соотношение магния к литию больше 11/1, то добыча может быть экономически нецелесообразной.


Литиевое месторождение в Боливии
Теперь немного о литиевой программе Соединенных Штатов.

Добыча металла организована на рассоле в штате Невада. Благо климат для этого американцам благоволит. Геологическая служба США не публикует открытые данные об объемах добычи. Но косвенные источники говорят, что большую часть литиевого сырья (до 84 %) страна импортирует из Латинской Америки. Более 35 % объемов внутреннего производства и импорта лития идет на производство аккумуляторов. И с каждым годом эта доля только увеличивается.

Россия в литиевой истории явно не среди лидеров. Климат не слишком позволяет выпаривать на солнце минералы из соленых озер. Да и внутреннее потребление не особенно развито. А продавать на внешние рынки литий невыгодно – латиноамериканские добывающие гиганты просят за стратегический металл гораздо меньше. Тем не менее, в России литиевые запасы оцениваются в 900 тыс. тонн, большая часть из которых сосредоточена в подземных водах.

«Литиевый треугольник»

Ещё более масштабным месторождением «растворенного в воде» лития является высокогорный солончак Салар-де-Уюни в Боливии, сохранивший в себе, по разным оценкам, до 100 млн тонн металла.

Несмотря на такие внушительные запасы, добывать литий из солончака Салар-де-Уюни дорого, так как соотношение Mg к Li достигает 18,6. Для сравнения: в солончаке Салар-де-Атакама этот же показатель близок к 6,4.

Вместе с Аргентиной, Боливия и Чили составляют так называемый «литиевый треугольник» Латинской Америки, контролирующий до 70 % мирового рынка самого легкого металла.

Нередко на месторождениях можно увидеть такую картину: мощные насосы выкачивают на поверхность солончаков из глубины земли рассол, который через год-полтора на солнце превращается в соляную рапу. Ландшафт завораживает – далеко за горизонт уходят геометрически правильные искусственные водоемы, каждый из которых размером в несколько футбольных полей. Для наполнения таких резервуаров требуется немало энергии.

К примеру, на солончаке Салар-де-Атакама добывающие компании поднимают на поверхность таким образом до 2 000 литров глубинного рассола в минуту. Это серьезно ускоряет процесс добычи литиевых солей, но негативно сказывается на экологическом состоянии окружающей местности. По причине постоянной выкачки грунтовых вод и интенсивного испарения, запасы пресной воды на местности вокруг уменьшаются. Как следствие, жители жалуются на нехватку пресной воды и массовую гибель рыбы в осушённых водоёмах.

Места добычи лития в Латинской Америке даже получили своеобразное название – «белая смерть». Постоянно растущая потребность мировой промышленности в литии и сопутствующий добыче экологический ущерб заставляют задуматься о реальности «зеленого» статуса гражданских литийионных аккумуляторов.

Литий из камня

Добывать соли лития из концентрированной рапы, когда часть работы выполняет солнце и сухой климат, сравнительно несложно. Но что делать, если природа обделила местность литиевыми солончаками?

Можно поискать в нетрадиционных источниках. Например, в попутных нефтяных водах или геотермальных рассолах. Но концентрация соединений лития в них невелика – в нефтяных водах доля хлорида лития LiCl не более 1 г/л.

Поэтому гораздо выгоднее искать металл в составе горных пород.

В настоящее время в твердых полезных ископаемых скрыто до 23 % мировых запасов лития. Конечно, добывать ценный металл из такого сырья и сложно, и дорого. Но высокий спрос на аккумуляторы перекрывает все затраты. Ключевыми минералами, имеющими промышленное значение, являются различные граниты: сподумен, лепидолит, амблигонит и петалит.

Основные разведанные запасы литиевых минералов находятся в США, Китае, Австралии и Канаде. Недавно открыли месторождения сподумена в Португалии, в котором доля оксида лития может достигать 5 %.

Относительно небольшие залежи литиевых минералов обнаружены в России, Финляндии, Португалии и в некоторых африканских странах.

США и Китай в этой связи уникальны – это единственные страны с гранитовыми месторождениями и солончаковыми литиевыми озерами.

Не стоит забывать и про вторичную переработку вышедших из строя литийионных аккумуляторов. Одними из первых сложную процедуру утилизации применили на заводе американской компании Rockwood Lithium в 1992 году в Канаде. Сейчас компания – мировой лидер в переработке литийионных батарей. И потенциал развития позволит в будущем подвергать вторичной переработке большую часть аккумуляторов.

Однако сейчас мировые запасы лития настолько велики и широкодоступны, что гораздо проще изымать металл из природы, чем тратить деньги на трудоемкое извлечение из старых батарей. По подсчетам аналитиков, если к 2030 году спрос на литий достигнет планируемых 28 000 тонн в год, то разработка эффективной методики вторичного использования аккумуляторных батарей выйдет на первый план.

Из сырья в полуфабрикат

Перед тем, как литий станет частью аккумуляторной батареи, он должен пройти процедуру извлечения и обогащения.

В первую очередь хлорид лития из озерной рапы необходимо каким-то образом осадить в нерастворимом виде. Для этого отлично подходит гидрокарбонат аммония, позволяющий в виде карбоната выделить до 99,8 % лития из рассола.

А если концентрация соединений лития слишком невелика, и химическими методами осаждать соли невыгодно?

Для этого технологи разработали приемы выборочного поглощения твердыми веществами растворенных в воде соединений – селективную сорбцию. Специальные ионообменные смолы «научили» сорбировать только ионы Li+, оставляя в растворе ионы Na+ и других активных металлов.

После первичной обработки литиевого сырья из плохо растворимого карбоната лития вновь получают хлорид. Следующий шаг – электролитическое выделение чистого металла. Электролиз проводят в расплаве соли, предварительно добавляя хлориды калия и бария для снижения температуры плавления электролизной смеси. Окончательную очистку лития проводят дистилляцией в условиях вакуума, чтобы исключить контакт активного металла с компонентами воздуха, и при температуре около 550 ºС.


Карбонат лития – основная форма для экспорта-импорта самого легкого в мире металла
Твердые гранитные литийсодержащие минералы обогащать и перерабатывать гораздо сложнее. После механического измельчения породы происходит флотационное обогащение породы – это самый распространённый способ первичной переработки твердых минералов лития. Для этого специальными маслами смачивают частички горной породы, которые выделяются во флотационных ваннах в составе пены. Минералы сподумена обогащают под действием высоких температур. В ходе такого спекания частички минерала растрескиваются и рассыпаются в порошок, который отделяют от минералов пустой породы грохочением или воздушной сепарацией.

Далее литиевый концентрат передается в руки химиков-технологов. Переработку осуществляют с помощью известкового, сульфатного или сернокислотного методов. Для этого применяют карбонат кальция, сульфат калия и серную кислоту. На выходе получают сульфаты и карбонаты лития, которые перерабатывают, превращая соединения в хлорид лития.

К потребителям литий приходит в составе различных соединений. Больше всего (до 40 % мировых продаж) приходится на карбонат лития, второе место занимает жидкий литиевый концентрат (22 %), гидроксид лития (16 %) и хлорид лития (4 %). На чистый металлический литий приходится 4 % мировых продаж, остальные 12 % занимают многокомпонентные соединения лития.

Не только аккумуляторы

Литий в XXI веке – это не только сырье для получения современных аккумуляторных батарей. Несмотря на то, что до 70 % мирового производства самого легкого металла уходит на нужды электроэнергетики, литий нашел широкое применение в других отраслях.

При добавлении соединений лития в стекло, изделия из него становятся химически стойкими, пропускают ультрафиолет и инфракрасное излучение – немаловажное свойство в военном деле. Если в рецепт изготовления керамики включить соли лития, то получится высоковольтный и высокотемпературный фарфор.

Литиевые соли жирных кислот нашли применение в смазочных материалах для загущения нефтяных масел. К примеру, стеарат лития используется в составе всем известного литола.

Без соединений лития человек вряд ли бы смог освоить морские глубины и космическое пространство. Все дело в пероксиде лития, который используется в системах очистки воздуха от углекислого газа на подводных лодках и пилотируемых космических кораблях. Реакция проходит с выделением кислорода и поглощением углекислого газа.

В ядерной энергетике литий применяют в качестве теплоносителей для охлаждения реакторов, а гидрид лития LiH очень перспективен как вещество-аккумулятор водорода.

Литий в ключевой роли компонента тяговых аккумуляторов электромобилей уже зарекомендовал себя как «новый бензин» XXI века. Но ученые всерьез рассматривают литий в роли ракетного топлива. Оказывается, при сжигании гидрида лития, борида лития LiB и чистого металла выделяется до 4 000 ккал энергии, при этом обычный керосин выдает всего 2 300 ккал. Перхлораты и нитраты лития за счет высокой доли кислорода (до 69,5 %) могут быть отличными окислителями ракетного топлива. Для сравнения, классический окислитель перхлорат аммония содержит лишь 54,4 % кислорода.

Перспективы лития в электроэнергетике достаточно непредсказуемы. С одной стороны, запасов растворенных в рассолах соединений лития человечеству хватит не более чем на 50 лет (в твердых породах – на 25 лет), а с другой – ценные минералы неограниченно растворены в малых концентрациях почти во всех подземных водах.

Только вот добывать литий из такой воды на данный момент совсем невыгодно.

Евгений Федоров

Источник

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here