Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Ртуть более редкий метал в сравнении с индием.

Для элементов с распространённостью индий, ртути, серебра и даже вольфрама - кларк уже по большей части без разницы. Все они в равной степени абсолютно не извлекаемые из породы с кларковым содержанием. Тут нужно скорее детали геохимии смотреть и их способность к переносу в различных геохимических процессах. Т.е. существуют ли современные их геохимические потоки, из которых их можно взять или нет.

Здесь хороший индикатор - образует ли элемент собственные месторождения. Если да - то такие потоки существуют и это потенциально даёт возможно из них что-то взять. Если нет - то всё плохо. Ртуть, серебро, золото, мышьяк, вольфрам - собственные месторождения образуют. И действительно в водах ряда геотермальных месторождений наблюдается их высокая концентрация. И это даёт какой-то возобновляемый источник (вот только не надо думать, что это позволяет заместить всё современную добычу, количества элементов выносимые этими источниками по сравнению с нашими текущими потребностями ничтожны, если мы оттуда извлечём несколько сотен килограмм того же серебра или ртути на всю планету в год - уже большим счастьем будет...). А скажем германий, индий, селен, теллур - собственных месторождений практически не образует. А это значит скорее всего, что и искать такие источники скорее всего мало осмысленно.

[AlexAV]

В золе любой органики. В одной головке чеснока, германия хватит и на тебя и на соседа.

Откуда Вы это взяли? В растительной золе нет никаких сколько-нибудь заметных количеств германия, т.к. его в растениях почти нет, не нужен он им. В углях он накопился путём сорбции микроколичеств из грунтовых вод за миллионы лет, а не из исходного растительного сырья.

Среднее содержание гафния в земной коре — около 4 г/т, Тантала 2г/т. С танталом всего лишь в два раза хуже чем с гафнием.

Да тут кларк уже почти без разницы. Из подмосковного суглинка ни тот, ни тот не извлекаем. Различие в том, что гафний образует изоморфизм с минералами циркония и накапливается в нём в значительных количествах, а для тантала такое накопление в достаточно распространённых минералах менее характерно. Циркон в заметных количествах содержится в тяжёлой фракции песков. И от туда при добыче циркония (кстати тоже ограниченной, объёмы которые возобновляются тут можно оценить максимум в несколько десятков тысяч тонн) можно попутно извлекать небольшие количества гафния. А вот танталу с таким удобным химическим аналогом из сравнительно распространённых элементов не повезло.

Для столь редких элементов уже не столько распространённость надо смотреть (какая разница, всё равно неизвлекаемо), а детали геохимии. Может ли он добываться как попутный с каким-то более распространённым элементом? Участвует ли он в процессах переноса в геохимических процессах и как? И т.д.

[AlexAV]

А все-таки что насчет переработки микросхем в смысле химической сепарации элементов? Если это возможно, рециклить можно до бесконечности.

Технически можно. Мелем в порошок, растворяем в азотке, а далее пропускаем через высокоселективные иониты (так можно отделить индий, серебро, палладий, некоторые другие). Далее нерастворимый остаток сплавляем с щёлочью в присутствии окислителя, растворяем в воде и снова и пропускаем через другие иониты (извлекаем германий и скажем тантал). Но это будет весьма дорого и кроме того даже чисто технологические потери неизбежны, даже хороший ионит 100% не извлечёт, особенно учитывая, что компоненты в растворах будут содержаться в очень низких концентрациях. Часть неизбежно будет уходить в канализацию. 

[AlexAV]

Электроника использует их в мизерных количествах

Почти весь из 1400 т производимого индия в мире используется в электронике. Там же используется 40 тонн палладия, 25 тонн германия (это только микросхемы и полупроводниковые приборы без прочих видов потребления), несколько сотен тонн серебра и т.д. Я бы не сказал, что это мало.

[AlexAV]

Судя по динамике цен этого не скажешь.

Пока ещё циковых руд достаточно... А как они будут исчерпаны - начётся совсем иная история...

[AlexAV]

Почему тоже самое нельзя сделать с придорожным суглинком?

1) Совершенно чудовищные, невменяемые затраты реактивов и энергии, чтобы получить эти 0,25 г индия придётся растворить больше тонны (больше т.к. будут потери, 100% извлечения не получится) суглинка, потратить сотни килограмм кислоты, а потом что-то сделать с несколькими кубами сбросных вод (их обезвреживание тоже той ещё историей будет...).

2) Совершенно невменяемый состав получаемых рассолов. Там будет гигантские количества железа, алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов , при ничтожном количестве интересующей редкой компоненты. Вся это гадость будет конкурировать с извлекаемой компонентой в ионите (тут будет работать просто чудовищное различие в концентрации, какого-нибудь алюминия, кальция или магния в растворе будет десятки процентов, а индия доли ppm). При переработке микросхем хотя бы разнообразие компонент в растворе по меньше, да и различие концентрации извлекаемых и мешающих не столь страшным... Замучаетесь ионит искать со столь чудовищной селективностью.

Не рассчитывал бы я особо на это.

Кроме того, масштаб такой деятельности ограничен геохимическими ограничениями. Такого рода переработка материала во многом аналогична его глубокому выветриванию. И такая деятельность будет вести к необратимому выводу углекислого газа из атмосферы. Если её масштаб будет превосходить некоторый предел - тут и ледниковый период с ледниками до экватора устроить не долго (масштаб кстати не особо большой, несколько сотен миллионов тонн породы в год). Слишком дорогая плата за айфончик в кармане получается...

[AlexAV]

Сколько можно ерунду писать? Исходя из цены нет никаких признаков дефицита индия, в текущей рыночной ситуации(в данный момент происходит сырьевое ралли) это на самом деле означает существенный избыток .

Вы не путайте сегодняшнем краткосрочные тенденции с долгосрочными процессами. Сегодня - дефицита нет. Но производство 100% привязано к сульфидным рудам, а это значит в независимости от текущего состояния - в будущем он обязательно будет. Порасту по той причине, что сульфидные руды ограниченный и исчерпаемый ресурс.

[AlexAV]

Опять-таки при определенной коцентрации и доступности.

Сульфидные - без всяких оговорок исчерпаемые. Их количество в верхней литосфере ограничено и новых (в значимых количествах) ближайшие несколько миллионов лет не завезут (их образование идёт весьма не быстро даже на фоне накопления той же нефти и угля).

[AlexAV]

Сколько можно светодиодов произвести из этих 0,25 г?

Кстати проверил - нет в осадочных породах никаких 0,25 г/т. Среднее содержание в них  - 0,05 г/т (источник: Г.В. Войкевич, А.Е. Мирошников, А.С. Поваренных, В.Г. Прохоров Краткий справочник по геохимии.).

Так что тут надо резать осетра ещё в 5 раз.

[AlexAV]

Виноградов, А. П.: Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры. Геохимия
0,25 г/т отсюда

Изверженные - не осадочные, их самих где-то достать надо, что вовсе не бесплатно (они на доступных глубинах совсем не везде есть). А в осадочных - меньше.

[AlexAV]

По себестоимости выйдет еще дороже раз в 10, чем выковыривать из подмосковного суглинка, имхо.

Чтобы грубо оценить сколько это извлечение будет стоить - можно посмотреть на добычу радия. Содержание радия в урановой руде как раз сопоставимо с содержанием индия в подмосковном суглинке (в урановой смолке например его около 0,3 г/т). Уровень технологических проблем будет практически тот же.

[AlexAV]

Обзор по использованию некотрых редких элементов в электронике: https://www.oeko.de/oekodoc/1375/2012-010-en.pdf

[AlexAV]

Так что насчёт синтеза в ускорителе? Никак?

В ускорителе - страшно энергоёмко, плюс реально возможно только через термоядно-испарительные реакции с протоном и альфа-частицей (p,xn) и (He-4,xn) или через нейтронный захват. Все прочие процессы даже рассматривать не имеет смысла. В обоих случаях мишень должна быть или кадмиевой или серебряной. Что уже само по себе говорит о полной бесперспективности этого (кадмия и серебра не то чтобы сильно больше). Ну и по энергоёмкости и стоимости это маловероятно, что будет дешевле, чем извлечение даже из столь бедного сырья.

Лучше уже из ядерных отходов извлекать. Индия там около процента от всех продуктов деления.

Индий аккуратно попадает в щель между двумя пиками в распределение осколков и образуется с весьма малой вероятностью.

Индий-113 не образуется вообще. Т.е. сам он не образуется, а осколки с массой 113 и меньшим зарядом образуются, но их цепочка бета-распадов остановливается на Сd-113, который хоть формально и тоже бета-активен, но период его полураспада намного превышает возраст Вселенной, т.е. с практической точки зрения является стабильным.

Индий-115 образуется с невысокой вероятностью. Вероятности образования ядер с массой 115 при деление скажем плутония-239 (http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/reCenter.jsp?z=48&n=65):
In-115   3.3E-12
Cd-115  7.E-8
Ag-115  7.E-6
Pd-115  2.2E-4
Rh-115  1.8E-4
Ru-115  1.8E-5
Tc-115  1.8E-8
Mo-115 1.3E-12

Все они достаточно быстро переходят в индий. В сумме около 4,25E-4. Т.е. 0,02% по массе.  Не очень много. ОЯТ более интересны скорее как источник лёгких платиноидов, там выход несравнимо больше.

[AlexAV]

Щелочной раствор или сухой остаток можно нейтрализовать азотной кислотой.
NaOH+HNO3->NaNO3+H2O
И никаких ледниковых периодов.

А куда нитрат натрия потом денется? Попадёт в окружающую среду, а там его судьба будет следующей.

СO2 = [C] + O2 (фотосинтез)
NaNO3 + [С] = Na2CO3 + N2 (действие денитрифицирующие бактерий)

В итоге эквивалентное колличество углекислого газа из оборота всё равно будет изъято.

[AlexAV]

Насчет фосфора.
При должном уровне организации, он также может стать квазибесконечным ресурсом.

Приблизительно это я и имел ввиду, когда говорил о возврате фосфора. Однако лобовой путь здесь имеет некоторые проблемы - очень большую энергоёмкость. Содержание фосфора в глубинных слоях скажем тихого океана только 84 ppb (частей на миллиард). Чтобы доставить на поверхность 1 т фосфора придётся перекочать около 12 млн. м3 воды. Это на самом деле не так просто. Океаническая вода - конвективно устойчива (иначе какие-то дополнительные усилия для подъёма глубинных вод просто не требовались бы ). Т.е. её плотность увеличивается с глубиной. Типичный профиль плоности выглядит приблизительно так:



А это значит, что минимальные, следующие из закона сохранения энергии, затраты энергии на подъём  1 м3 воды составят 0,14 кВтч/м3. Т.е. для подъёма одного тонна фосфора не менее 1,7 ГВтч. Из-за ограниченного КПД насосов и гидравлического сопротивления ещё минимум раза в 2 больше. Антропогенный дисбаланс по фосфору составляет около 14 млн.т. в год. Для подъёма такого объёма потребуется количество энергии соизмеримое или превышающее мировую генерацию электроэнергии (25 тыс. ТВтч в год)... Одно это ставит под вопрос реализуемость такого варианта. Откуда эту энергию брать? Сколько это будет стоить?

Вторая проблема - морская вода всё же довольно коррозионноактивная. Стали работающие там обычно легируют. Вот скажем их типичный состав: http://www.splav-kharkov.com/mat_start.php?name_id=2462 И это тоже проблема...

[AlexAV]

Таким образом фосфор находится в органическом иле, можно не ждать милости от природы(образования фосфоритов),

Проблема в том, что морские осадки, несмотря на то что там весь фосфор и тонет, не так уж им богаты... В среднем 690 г/т. Этих осадков придётся извлекать, очищать от соли и доставлять уж очень много. Осаждающийся в виде фосфатной конкреции фосфор - лишь небольшая часть того, что тонет в абиссальных глубинах. Большая часть того что там оказывается в рассеянной форме.

[AlexAV]

Только цена на фосфорит на 4летнем минимуме в момент крайне благоприятный для сырьевых товаров.

Вы опять путаете текущую конъюнктуру и долгосрочные тенденции... Любой неисчерпаемый ресурс (а фосфориты именно к ним относятся) - неизбежно будет исчерпан. Точные значения запасов при этом никакого значения не имеют, в любом случае в геологическом масштабе они ничтожны.

Запасов фосфоритов при текущем потребление максимум на несколько десятилетий. Это ничтожный промежуток времени не только в геологическом (где 1000 лет - лишь миг между прошлым и будущем), но даже в историческом масштабе времени.

[AlexAV]

Не обязательно же с четырехкилометровой глубины подымать. Во всех пробных проектах подымают где-то со 100-200 м.

Глобальная проблема - это то что тонет в абиссальных глубинах. Т.е. общая не замкнутость цикла фосфора. Подъём воды со 100 - 200 метров здесь мало поможет. Может вообще навредить ускорив скорость захоронения фосфора в следствие увеличения биопродуктивности (накопление фосфора в донных отложениях тесно связано с накоплением органических осадков).

[AlexAV]

Там проблема в первой реакции N2 + O2 → 2NO, которая требует разогрева до 2000 С и выше и все равно идет с низким выходом.
Так что электролизный водород требует меньших затрат энергии.

Вот не очевидно. Синтез NO плазмохимически в ВЧ разряде в режиме ЭЦР требует около 3 эВ/молекулу NO. С учётом КПД гиротронов (около 60%) - около 9,6 МВтч/т азота.

Если же через аммиак (а водород получать электролизом) - то на 1 т азота нужно 2400 н.у.м3 водорода. Если водород получать низкотемпературным электролизом воды с железными электродами, то затраты энергии будут около 5,4 кВтч/м3. Итого 13 МВтч/т азота - производство водорода. Плюс к этом на синтез тонны аммиака нужно ещё 3,2 МВтч или  3,8 МВтч в пересчёте на азот. В сумме 16,8 МВтч.

Пока водород из природного газа синтез аммиака -  практически безальтернативный способ связывания азота. А вот если природного газа нет - его преимущества над плазмохимией уже не очевидны...

[AlexAV]

Дело в том, что эта реакция никогда не происходит нацело. По ссылке выше - при прогреве до 3000 С, выход продукта - 4%. Остальные 96% газа прогревались впустую. Итого энергозатраты "15 MWh/Ton of nitric acid" В переводе на азот это 67,5 МВч/т.

Речь об неравновесном разряде. Температура газа в нём всего несколько сотен градусов, в некоторых случаях может вообще не сильно от комнатной отличаться. Реакции же идут в результате возбеждения молекул под действием электронного удара неравновесных, ускоряемых электрическим полем, электронов. В этом случае можно получить энергозатраты существенно ниже, чем если просто греть газ дугой (в дуге плазма почти равновесная).

Расход энергии вложенной в плазму на уровне 3 эВ/молекулу - получается экспериментально (https://ufn.ru/ufn81/ufn81_6/Russian/r816a.pdf).