Анализ мирового опыта и научно-технических разработок в области извлечения химических соединений из геотермальных растворов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.А. Горбач, 2013

УДК 553.78(54.052) В.А. Горбач

АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

За последние десятилетия в мире накоплен опыт использования термальных вод и отработанного теплоносителя геотермальных станций в качестве нетрадиционного минерального сырья. В статье рассмотрены процессы и методы извлечения химических соединений из гидротермального теплоносителя различных месторождений. Ключевые слова: геотермальный раствор, ценные химические соединения, процессы и методы извлечения.

Введение

В обозримом будущем в мире существует угроза истощения наиболее богатых и удобно расположенных месторождений твердых полезных ископаемых. Это влияет на формирование мнения о насыщенных минералами подземных водах как о многоотраслевом источнике промышленного сырья, запасы которого очень велики, а способы добычи более привлекательны, чем трудоемкая разработка горных пород.

Природные воды как полезное ископаемое хорошо изучены. Многочисленные литературные источники освящают вопросы распространения, формирования и геохимии вод. Однако опыт использования в основном базируется на переработке морской воды и рапы засоленных озер, а применение термальных вод в качестве нетрадиционного минерального сырья обобщено недостаточно.

Извлечение минералов из геотермальных растворов

Рентабельность проектов ГеоЭС зависит от множества факторов: степени изученности и потенциала геотермального месторождения, расче-

тов капитальных и эксплуатационных затрат, возможных технологических проблем и их решений. Поэтому проектирование, строительство и эксплуатация ГеоЭС это интерактивный процесс, в котором по мере поступления информации могут меняться условия работы, себестоимость энергии, возникать научно-технические проблемы. В этом процессе важную роль играет присутствие в геотермальном флюиде химических соединений, которые при высоких температурах и давлении выщелачиваются из пород геотермального месторождения и выносятся в составе пароводяной смеси на поверхность. В состав гидротермального раствора входят соединения таких элементов, как Са, Мд, N8, К, А1, Ре, Б, О, С1, Р, С, Б1, Н, N В, и, Аэ. Извлечение минералов из геотермальных растворов одно из перспективных направлений развития геотермальных технологий.

Многими исследователями отмечается экономическая эффективность совместного энергетического и минерального производства на современных ГеоЭС [1]. Сепарат ГеоЭС - это побочное сырье, полученное в процессе энергопроизводства, являющее-

ся потенциальным источником производства товарных продуктов, таких как диоксид кремния, цинк, марганец, литий и редкоземельные элементы. Некоторые гидротермальные растворы содержат относительно высокие концентрации драгоценных металлов, таких как серебро, золото, палладий и платина.

В XIX в. в Италии начали получать из парогидротерм месторождения Ёардерелло борную кислоту и буру (борнокислый натрий), В 70-х годах на парогидротермах Тосканы добывалось до 15 тыс. т различного химического сырья в год, в том числе 4400 т борной кислоты, 4000 - 5000 т буры, 620 т хлористого аммония и другие соединения. Содержание в конденсате пара месторождения Ёарде-релло Н3ВО3 - 0,15 - 0,4 г/кг пара, Шз - 0,15 - 0,6 г/кг пара [2].

Огромным потенциалом по извлечению минералов обладает геотермальное месторождение Солтон-Си, США. На месторождении были вскрыты углекислые термальные рассолы (более 400 г/л) с температурой 270 0С, высоким содержанием К - 29 г/кг, и - 0,2 г/кг, Мп - 1,5 г/кг, 7п -0,2 г/кг. В 2002 году на месторождении Солтон-Си был запушен завод по производству цинка из отработанного высокотемпературного геотермального теплоносителя. За 10 месяцев работы завода было добыто 16 т цинка, однако, после нескольких месяцев эксплуатационных и экономических трудностей, деятельность по проекту была прекрашена. Технологическая схема извлечения цинка состояла из комбинации методов: ионообмена, жидкостной экстракции и электролиза [3].

Рост цен на сырьевые товары позволит рассмотреть возможность возобновления подобных минеральных проектов и сделает их достаточно рентабельными.

В национальной лаборатории Министерства энергетики США - Ёи-верморской национальной лаборатории им. Э. Ёоууренса (LLNL) (Калифорния) разработана технологическая схема извлечения Li, Mn, Zn из высокоминерализованного сепарата геотермальных станций месторождения Солтон-Си. Раствор коагуляцией и последующим мембранным фильтрованием очищается от SiO2 и далее поступает в ионообменные фильтры, где происходит извлечение ценных компонентов (Li, Mn, Zn). На основе данной схемы компания Simbol Materials, в 2010 году испытала пилотную установку и в настоящее время приступает к строительству завода по извлечению Li2CO3, а так же соединений Mn, Zn на базе геотермальной станции Ранчо Хадсона I месторождения Солтон-Си [4]. Используя 50 МВт геотермальных станций Долины Империал, месторождения Со-лтон-Си, компания планирует производить ежегодно: 16 тыс. т карбоната лития, 24 тыс. т диоксида марганца, 8 тыс. т цинка.

Извлечение SiO2 может решить проблему образования отложений в теплооборудовании и скважинах Гео-ЭС, уменьшить температуру реинжек-ции отработанного теплоносителя, позволит более масштабно применять схемы с бинарным циклом энергопроизводства. С предварительного удаления коллоидного кремнезема начинается технологическая схема извлечения химических соединений из гидротермального раствора на многих высокотемпературных месторождениях, так как частицы SiO2 загрязняют поверхность ионообменных материалов и препятствуют извлечению других химических соединений. Наиболее значительные исследовательские работы по разработке технологии извлечения и использования геотер-

Таблица 1

Реализованные промышленные проекты и методы извлечения химических соединений из геотермального теплоносителя

Месторождение Химические соединения Метод извлечения

Солтен-Си, США гп ионный обмен, жидкостная экстракция, электролиз

и, Мп, гп осаждение, мембранное концентрирование, ионный обмен

Рейкьянесс, Исландия ао2 рециркуляция шлама, после электромагнитной обработки

№01 выпаривание, кристаллизация

со2 сепарация газов, охлаждение, конденсация,

Ёардарелло, Италия Н3ВО3 конденсация пара, концентрирование конденсата, фильтрование, кристаллизация, центрифугирование

На2В4О7-•ЮН2О конденсация пара, добавление №СО3 концентрирование конденсата, фильтрование, кристаллизация, центрифугирование

Ш4НСО3 выпаривание конденсата пара, конденсация, абсорбция, бар-ботирование СО2 через аммонийный раствора.

Б выпариванием конденсата пара; окисление кислородом воздуха до элементной серы в абсорбционных башнях в присутствии катализатора - оксидов железа; удаление сульфатов промывкой аммонийным раствором; извлечение серы органическим раствором и получение хлопьев серы в флокуляторе.

Челекен, Туркменистан Вг, Л дегазация, конденсация, сорбция

мального БЮ2 проведены на месторождениях Новой Зеландии, США, Мексики, Исландии.

В НИГТЦ ДВО РАН разработаны способы извлечения БЮ2, из сепарата Мутновской ГеоЭС (Камчатка) в том числе и с применением мембранных технологий. Получены золи и порошки БЮ2, являющиеся конкурентоспособными продуктами [5].

Методы извлечения химических соединений из гидротермального теплоносителя различных месторождений

Наибольший промышленный интерес извлечения представляют редкие и рассеянные элементы: литий, рубидий, цезий, бор и др., а также газообразные вещества: углекислый газ, радон и др.

Большинство технологических схем извлечения основываются на тепловых, гидромеханических, химических, массообменных процессах.

Применяются следующие методы: отстаивание, коагуляция, флотация, мембранное фильтрование, ионно-обменная сорбция, хемосорбция, десорбция, кристаллизация, обработка кислотами, щелочами, сублимация, конденсация, выпаривание.

В табл. 1 представлены реализованные на месторождениях технологические методы промышленного производства химических соединений из геотермального теплоносителя. Опыт разработки лабораторных и пилотных установок представлен в табл. 2.

Рентабельность проектов минерального производства на базе геотермальных месторождений зависит от количественного содержания ценных соединений на единицу массы (объема) раствора, расхода геотермального флюида, количества стадий технологического процесса извлечения. Получение некоторых соедине-

Таблица 2

Опыт извлечения химических соединений из геотермального теплоносителя с применением лабораторных и пилотных установок

Месторождение Химические соединения Метод извлечения

Каверау, Вайракей, Бродландс, Новая Зеландия SiO2 коагуляция с применением СаО, ультрафильтрация

As обработка сульфатом железа для хлопьеобразования, сорбция мышьяка с доокислением гипохлоритом натрия

SiO2 пропускание через псевдоожиженный слой из песка

SiO2 коагуляция с применением FeCl3, Ca(OH)2, MgCl2, CaCl2, фло-куляция с применением Zetag, Magnafloc

Сумикава, Онума, Отаки, Япония SiO2 применение ПАВ: диметилдиариламмониум хлорид, метаак-рилдиметиламиноэтилметил хлорид

SiO2 ввод центров роста (коллоидного кремнезема) - добавлением геля SiO2 или гидротермального раствора

H2S адсорбция, биотехнологические методы

Сьерро- Приетто, Мексика SiO2 коагуляция с применением СаО

KCl - NaCl испарение, кристаллизация, флотация

SiO2 флокуляция с применением Magnifloc, Calgon, Separan, Purifloc

Дикси-Валлей, США SiO2 добавление MgCl2 в сепарат, затем микрофильтрация

Солтен-Си, США Fe, Mn, Pb, Ag, Cu, Sn осаждение гидроксидов металлов после ввода CaO, осаждение сульфидов металлов, цементация

Мэмос Ёэйкс, США SiO2 коагуляция, ультрафильтрация, обратный осмос

Cs, Rb, Li ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Кизилдере, Турция SiO2 осаждение с применением: Ca(OH)2, CaO, CaCO3, CaSiO3

В сорбция с применением Amberlit IRA 743

Монте-Амиато, Италия SiO2 коагуляция с применением Ca(OH)2, CaCl2, флокуляция

Мутновское, Паужетское, Камчатка, Россия SiO2 коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, низкотемпературное концентрирование, микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос

В ионный обмен

ний и элементов оправдано лишь при комплексном использовании сырья и выполнении природоохранных требований.

Выводы

Дальнейшие исследования и разработки могли бы сделать извлечение минералов из геотермальных растворов, жизнеспособной технологией. Преимущества извлечения минералов из геотермальных растворов по сравнению с традиционными химико-технологическими схемами: 1. повышение эффективности работы Гео-

ЭС, снижение температуры реинжек-ции и повышение возможности применения бинарных схем. 2. исходный геотермального раствор является отходом энергопроизводства, извлечение минералов частично решает проблему его утилизации. 3. повышение комплексности использования геотермального теплоносителя, увеличение прибыли за счет совмещения энергетического и минерального производства.

Анализ современных способов извлечения химических соединений из

геотермальных растворов показывает эффективность постадийного извлечения минералов, для извлечения коллоидного диоксида кремния применяют осаждение и ультрафильтра-

1. Bloomquist R.G. Economic Benefits of Mineral Extraction from Geothermal Brines. Geothermal Resources Council, September 1013, 2006, San Diego, California, GRC Transactions, Vol. 30, pp. 379-382.

2. Дворов И. M. Геотермальная энергетика. M.: Наука, 1976. С. 62-72, 157.

3. Clutter, Ted J. (June 2000). Mining Economic Benefits from Geothermal Brine.

цию, для химических элементов, содержащихся в растворимой форме, в основном используют сорбцию, экстракцию, ионный обмен, обратный осмос.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

GHC Bulletin. Retrieved October 25, 2007.

4. Mark Watts. Simbol starts up "highest purity" lithium carbonate plant. Industrial Minerals, September 2011.

5. Потапов B.B., Зеленков B.H., Каш-пура B.H., Горбач B.A., Мурадов CB. Получение материалов на основе нанодисперс-ного кремнезема гидротермальных растворов - М.: РАЕН, 2010 - 296 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Горбач Владимир Александрович - кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе, [email protected],

Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.

А

Проблемы освоения георесурсов Дальнего Востока. Выпуск 3

Авторы: Белов A.B., Кондырев Б.И., Гребенюк И.В. и др. Год: 2013 Страниц: 146 ISSN: 0236-1493

UDK: 622:338.33:553.042:504.61

Рассмотрены тенденции использования углей как природного топлива и источника получения широкого спектра ценных химических продуктов на основе его глубокой переработки, основные методы очистки вод от нефти и нефтепродуктов, основные виды природных нефтесорбентов, их достоинства и недостатки, вопросы перевозки природного газа в газогидратной форме на небольшие расстояния и в небольших количествах, перспективы практического применения в качестве промышленного взрывчатого вещества для скважинных зарядов конверсионных взрывчатых веществ, вопросы соотношение понятий «рациональность» и «эффективность» деятельности людей, рациональность использования ресурсов в топливно-энергетическом комплексе, место и проблемы Приморского края по выработке тепло- и электроэнергии в ДВФО. Предложены направления диверсификации производств, основанные на внедрении комплексных ресурсосберегающих технологий по добыче и глубокой переработке угля. Представлен один из наиболее рациональных способов промысловой переработки пластовой нефти и её последующей транспортировки на перерабатывающие заводы, способ захоронения двуокиси углерода в недрах Земли и методика электроразведочных методов при исследовании сложно-построенных рудных районов Приморья и их составных частей.

ГОРНАЯ КНИГА

ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ГЕОРЕСУРСОВ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА UurrvcH 3

гаи