未來我們從哪里獲得礦物?

段景頤

世界上的礦物逐漸耗盡?？茖W家正在尋找一些新的礦物來源，并研究如何從廢料中回收礦物。

年紀稍大的人肯定記得以前那種很厚的電子管電視機。在這種電視機的內(nèi)部，高速電子束轟擊熒光屏上的多種磷光材料，讓熒光屏發(fā)出各色的光。這些光轉(zhuǎn)瞬即逝，卻在人眼視網(wǎng)膜視覺暫留效應的作用下，讓人感知到連貫的畫面。雖然電子管電視機的成像原理不復雜，但要找到合適的磷光材料卻不容易。在很長一段時間里，熒光屏中的紅色磷光材料亮度始終偏低，因此電視機制造商不得不調(diào)低熒光屏上藍色和綠色的亮度，這導致早期的電視畫面普遍暗淡。直到氧化銪這種能發(fā)出明亮紅光的材料出現(xiàn)，才完美解決了這個問題。今天，銪在其他領(lǐng)域仍然發(fā)揮著重要作用：它是生產(chǎn)LED發(fā)光單元和鈔票熒光墨水的重要材料。

不僅是銪，任何一種元素都有其難以替代的重要作用。例如，稀有金屬錸擁有3180℃的超高熔點，且機械}生能極為優(yōu)異，因此錸是制造高性能噴氣發(fā)動機的重要金屬之一。“殲20”戰(zhàn)斗機所使用的代號為“太行”的渦扇發(fā)動機就采用了錸鎳合金。廣泛應用的鋰電池需要鋰這種最輕的金屬元素作為陽極材料，這樣制造出來的電池壽命長、蓄電能力強。同時，鋰電池還需要鈷來穩(wěn)定其內(nèi)部的多層結(jié)構(gòu)。雖然“碲”字有個石字旁，碲卻是一種準金屬元素，是制造光伏面板的必需原料之一。此外，添加了鏑的永磁鐵即便在非常高的溫度下也能保持磁性，因此鏑是制造風力發(fā)電渦輪機不可或缺的元素。

要知道，地球內(nèi)部各種元素的豐度（含量）在46億年前地球誕生之時就已基本確定。要維持社會運轉(zhuǎn)，人類必須開采更多礦物。今天，為了彌補日益減少的礦物庫存，越來越多的找礦者將目光對準北極和深海，甚至對準在太空中高速運動的小行星。

北極圈

位于北極圈內(nèi)的北歐國家擁有悠久的采礦歷史，礦業(yè)一直是北歐諸國的支柱產(chǎn)業(yè)之一：芬蘭的奧加馬鐵礦從1530年起已運營至今;瑞典法倫大銅山礦區(qū)的歷史可以追溯到10世紀時的維京時代;同樣位于北極圈內(nèi)的俄羅斯西伯利亞苔原上遍布著大小鈀礦場，今天全世界鈀礦石年產(chǎn)量的40%來自那里。鈀具有很強的氣體吸附能力，是制造凈化汽車尾氣的三元催化器和燃料電池的重要原料金屬之一。

北極圈的嚴寒氣候和糟糕地形條件，很大程度上限制了采礦活動。2012～2016年，北極圈國家對各自主要礦物的豐度進行了一次全面盤點，整理出了一份礦藏清單，其中包括位于格陵蘭島的一座全世界最大的稀土礦。隨著北極圈氣溫逐漸升高，包括格陵蘭在內(nèi)的許多北極圈腹地的氣候不會像今天這樣惡劣，采礦條件將極大改善，因此將會有越來越多的采礦活動在這些地區(qū)開展。

深海

在凡爾納著名科幻小說《海底兩萬里》中，“鸚鵡螺號”潛水艇的艇長尼莫曾經(jīng)說過：“海洋下面有鐵礦、鋅礦、銀礦和金礦，開采起來并不難?！庇腥さ氖牵凇逗５變扇f里》出版后的第三年，小說中的預言變成了現(xiàn)實——科學家真的在海底發(fā)現(xiàn)了小說中提到的大部分礦物。

1873年，英國勘探船“HMS挑戰(zhàn)者號”從海底打撈出了許多土豆大小的“黑疙瘩”。進一步分析顯示，其中含有錳、鐵、鎳和鈷等金屬。這些黑疙瘩被稱為“多金屬結(jié)核”。在隨后的150年里，人類又在海床上發(fā)現(xiàn)了另外兩種重要的高品質(zhì)金屬礦物，分別是大型塊狀硫化物（通常分布在板塊交界地帶，其中含有銅、銀和金）和富鈷結(jié)殼（在全世界各地的海底火山都有分布，太平洋有大型分布帶）。

由于高品質(zhì)金屬礦物的陸地儲量逐年遞減，不少礦業(yè)公司開始計劃開采海底礦物。相比陸地開采，海床開采礦物的優(yōu)勢突出：在海床開采礦物無須動遷當?shù)鼐用?海洋面積是陸地的兩倍多，礦物儲量巨大。雖然目前全世界還未正式進行任何形式的深海采礦作業(yè)，但一些國家和企業(yè)正在做這方面的嘗試，例如巴布亞新幾內(nèi)亞離岸海床的“大型塊狀硫化物開采計劃”。

小行星

人類不但已經(jīng)登上了月球，甚至已經(jīng)可以利用探測器直接從小行星上獲取樣本。早在1996年，美國宇航局就將探測器著陸在愛神星這顆近地小行星上，并對其進行了采樣。此后，科學家又對小行星進行了多次采樣，使我們對小行星的構(gòu)成也有了更深入的了解。

在最靠近地球的2萬多顆小行星中，700多顆屬于金屬小行星，具有不同的開采潛力。雖然捕捉金屬小行星代價高昂，但只要小行星中存在一定比例的貴金屬，花重金捕獲它們也是值得的。以鉑為例，只要礦石中的鉑含量達到百萬分之五，礦業(yè)公司開采、冶煉鉑礦石就有利可圖。只要一顆直徑在幾百米的小行星的鉑含量超過百萬分之十，就有捕獲它的經(jīng)濟價值。而在這700多顆金屬小行星中，至少50顆能達到這個標準。

目前科學家最看好的目標是“小行星3554”和“小行星6178”。這兩顆金屬小行星的直徑為2.5～3千米。如果它們的主體元素構(gòu)成比例與取樣相同，則它們總共含有至少1萬噸黃金和10萬噸鉑金。此外，它們還含有約1000萬噸的鐵和鎳。這樣算下來，雖然捕獲這類金屬小行星的代價高昂，但依然不失為一筆劃算的生意。

除了從大自然中開采礦物，從廢舊材料中回收的礦物也是重要的礦物來源。經(jīng)過一個世紀的工業(yè)活動，我們有了大量的廢棄物，其中有可回恢的礦物?？茖W家正在開發(fā)的清理垃圾的技術(shù)，有望把垃圾變成財富。

污水

藻華、河水酸化、土壤重金屬化……企業(yè)生產(chǎn)活動排放的污水如果沒有妥善處理，會帶來許多環(huán)境問題。雖然廢水中的重金屬元素含量過低，或許達不到回收利用的經(jīng)濟要求，但這些元素對環(huán)境的確有很強的破壞性。然而，在越來越嚴格的環(huán)保法規(guī)下，廢水導致的環(huán)境污染問題正在逐漸得到解決。

不同來源的廢水中有害成分千差萬別。生活廢水和畜禽養(yǎng)殖場廢水中的主要有害元素是含氮、含硫化合物，這些物質(zhì)溶解在水中會使水體富營養(yǎng)化，大大促進藻類、水葫蘆等水生植物生長。海水淡化工廠產(chǎn)生的含鹽鹵水中的主要污染物是重金屬和稀土元素。全球范圍內(nèi)的海水淡化生產(chǎn)平均每年會產(chǎn)生140億噸含鹽鹵水，其中大部分會被排進海洋。

從廢水中提煉金屬的難度不亞于從礦石中冶煉金屬，其中最大的難點在于如何只提煉出需要的金屬元素。為了達到這個目的，研究人員設(shè)計出了只和特定重金屬離子結(jié)合的“捕集劑”。通過與重金屬離子結(jié)合并生成不溶于水的沉淀物或絮狀物，捕集劑可以幫助我們從污水中提煉重金屬元素。例如，某種經(jīng)過基因編輯的細菌能夠合成特殊的捕集蛋白質(zhì)，它只與水體中的汞離子結(jié)合，從而可以起到富集汞的作用。

不僅是重金屬，氮、磷等營養(yǎng)元素也可以通過類似技術(shù)從廢水中同收，以大大抑制藻華暴發(fā)。一些企業(yè)甚至可以利用從廢水中提煉的氮、磷、鉀等元素制成肥料，銷售給農(nóng)民。2018年，澳大利亞科學家研制出了一種可以從含鹽鹵水及其他有關(guān)的廢水中提煉鋰的材料。

固體廢物

在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于礦石運輸路線受阻和經(jīng)濟問題，主要參戰(zhàn)國不得不反復利用資源。例如，戰(zhàn)場上的彈殼在當時是必/須回收的。今天，城市資源回收在節(jié)能和環(huán)保方面依然有重要意義。例如，相比電解鋁，回收利用鋁可以節(jié)省95%的能源，并減少95%的生產(chǎn)排污。

城市資源回收面臨的最大挑戰(zhàn)是廢舊商品資源分散，匯集難度巨大。此外，不少商品在設(shè)計時并沒有考慮到拆解的便利性，因此從廢舊商品中拆解并回收特定資源并不簡單。

當然，資源回收商早有應對之道。廢舊硬盤和風力渦輪機中所使用的銣鐵硼磁鐵回收起來相對容易，只需要將其從設(shè)備上拆除下來，再粉碎成粉末，然后再運至生產(chǎn)企業(yè)，經(jīng)過熔化和鑄造等工藝，新的銣鐵硼磁鐵就誕生了。耍回收類似三元催化器和電路板這類金屬元素種類多、每種金屬元素含量少的商品，就要通過高溫使其熔化，再利用不同金屬具有不同熔點的特性，分別對不同金屬進行分離并回收。

氣體廢物

1913年，人類首次從工廠排放的廢氣中大規(guī)模提取氮氣和氫氣，并利用哈柏法將兩者合成氨氣，用于進一步生產(chǎn)化肥和炸藥。而在哈柏法出現(xiàn)之前，歐洲的化肥和炸藥生產(chǎn)嚴重依賴產(chǎn)自秘魯?shù)暮ｘB糞便（其中含有豐富的硝酸鹽）。

今天，科學家希望從空氣中回收另一種資源——碳。人類燃燒化石燃料讓大量的含碳溫室氣體釋放到大氣中，引起冰蓋融化、洪水頻發(fā)等各種環(huán)境問題。沿岸地區(qū)海平面迅速上升和各種極端氣候問題，迫使我們直面碳排放過多的現(xiàn)狀。2018年，聯(lián)合國發(fā)布的一份報告中提道：碳捕集是減緩甚至逆轉(zhuǎn)氣候變化帶來的嚴重后果所必須的技術(shù)。

盡管大氣中二氧化碳的含量只有0.04%（按體積計），捕集難度大，但還是有企業(yè)迎難而上：英國某企業(yè)開發(fā)出了一種專門用于捕集二氧化碳的風扇矩陣。在其內(nèi)部，堿性溶液從有起伏的塑料表面緩慢向下流淌，并與進入設(shè)備的豎直流動空氣充分接觸。堿性溶液能吸附空氣中的二氧化碳，液體和氣體的流動模式則盡可能增加氣液接觸面積。采用這種設(shè)備的試點工廠每天可固定約1噸二氧化碳。據(jù)估算，一個標準規(guī)模的固碳工廠每年可固定100萬噸二氧化碳。

此外，冰島一家公司掌握了回收地熱發(fā)電廠排放的二氧化碳并制成甲烷的技術(shù)。雖然這種技術(shù)聽上去很美好，但并不能大范圍推廣，因為一方面二氧化碳制甲烷需要消耗大量能量，另一方面甲烷燃燒后依然會產(chǎn)生二氧化碳。因此，這項技術(shù)更適合小規(guī)模使用于無法方便獲取電能的偏遠地區(qū)。

只有能夠可持續(xù)發(fā)展、對環(huán)境友好的科技才具有推廣意義，采礦活動和資源回收也不例外。未來，我們會更集約化使用各種礦物資源，并盡可能減少獲取礦物過程中造成的環(huán)境污染。例如，一些鎳礦場已經(jīng)能回收利用90%的生產(chǎn)用水。未來，高效、綠色地使用礦物資源會逐漸成為越來越多國家的規(guī)范。