塩水採掘

塩水採掘は、塩水に自然に溶解している有用な物質（化学元素または化合物）の抽出です。塩水は、海水、その他の表層水、地下水、またはいくつかの産業（繊維産業など）からの高塩分溶液である可能性があります。^{[1]塩水採掘は、固体状態の物質を溶解するために水または化学物質を注入する溶液採掘や}原位置浸出とは異なります。一方、塩水採掘では、物質はすでに溶解しています。

塩水は食塩（NaCl）、カルシウム、ヨウ素、リチウム、マグネシウム、カリウム、臭素、その他の物質の重要な供給源であり、他の多くの物質の重要な供給源となる可能性もあります。塩水採掘は廃棄物の最小化と資源回収の取り組みを支援します。^[2]

紀元前500年頃、古代中国では数百の塩水井戸が掘られ、そのうちのいくつかは深さ100メートル（330フィート）を超えていました。地表下の大規模な塩水堆積物は、ボーリング孔を掘ることで掘り出されました。^[3]現代の石油掘削装置に似たスタイルの竹の塔が建てられました。^[4]竹は塩に強いため、ロープ、ケーシング、掘削装置に使用されました。^[5] 鉄のくさびは、塔の上に構築されたプラットフォームのレバーに取り付けられた竹のケーブルツールから吊り下げられました。掘削装置では、地面に打ち込まれた鉄のくさびを動かすレバーに2〜3人の男性が飛び乗ったり飛び降りたりして、塩水に達するまで地面に穴を掘る必要がありました。^{[5] [4]}

商業用塩水には、表層水（海水と塩湖）と地下水（塩湖または乾燥湖の下の浅い塩水と堆積盆地の深い塩水）の両方が含まれます。地熱井戸によって地表に運ばれた塩水には高濃度のミネラルが含まれることが多いのですが、現在商業用鉱物抽出には使用されていません。

海水は先史時代から海塩の原料として使われてきましたが、最近ではマグネシウムや臭素の原料としても使われています。カリウムは塩の沈殿後に残るにがりから回収されることもあります。海は無尽蔵の資源であるとよく言われます。

海水よりも塩分濃度が高い塩湖は数多くあり、鉱物の抽出に適しています。例としては、死海やグレートソルト湖が挙げられます。さらに、東アフリカのナトロン湖などの一部の塩湖は、海水とはまったく異なる化学的性質を持っているため、炭酸ナトリウムの潜在的な供給源となります。

塩湖や​​乾燥湖の地下水には、湖やかつての湖のものと似た化学的性質を持つ塩水が含まれていることがよくあります。

鉱物の抽​​出に使用される浅層塩水の化学組成は、地熱水の影響を受けることがあります。これは、カリフォルニア州サールズ湖など、米国西部の多くの浅層塩水に当てはまります。

地熱発電所では、操業の一環として塩水を地表に汲み上げることが多い。この塩水は通常地中に再注入されるが、再注入前に鉱物を抽出する実験もいくつか行われている。地熱発電所によって地表に汲み上げられた塩水は、パイロットプラントでコロイドシリカの供給源（ニュージーランドのワイラケイとカリフォルニア州のマンモスレイク）や亜鉛の供給源（カリフォルニア州のソルトン湖）として使用されている。^[6]ホウ素は、1900年頃にイタリアのラルデレロで地熱蒸気から回収された。リチウムの回収も研究されている。^[7]しかし、2015年現在、地熱塩水からの持続的な商業規模の鉱物回収は行われていない。^[8]

深層地下水中の溶解性固形物の濃度は、海水よりはるかに低いものから海水の総溶解性固形物の10倍までさまざまです。一般的に、総溶解性固形物（TDS）の濃度は深さとともに増加します。塩水（海水と同等かそれ以上の総溶解性固形物を持つ）として分類される深層地下水のほとんどは、主に塩化ナトリウム型です。しかし、塩化物の優位性は通常、TDSの増加とともに硫酸塩の優位性を犠牲にして増加します。カルシウムとナトリウムの比率は通常、深さとともに増加します。^[9]

海水よりもTDSが高い地下水が存在するのは、塩床との接触が原因の場合もあります。しかし、多くの場合、深層堆積物のTDSが高いのは、堆積物が半透膜として機能している結果であると考えられています。堆積物は埋没圧力を受けて圧縮されるため、溶解した種の移動性は水よりも低く、海水よりもTDS濃度が高くなります。カルシウム（Ca ^{+2 ）などの2価種はナトリウム（Na +} ）などの1価種よりも移動性が低いため、カルシウムが濃縮されます。カリウムとナトリウムの比率（K/Na）は深さとともに増減しますが、これは堆積物とのイオン交換の結果であると考えられています。^[9]

いくつかの産業では、副産物として塩水が生成されます。そのような産業には、乳製品、繊維、皮革、石油産業などがあります。したがって、有用な材料を抽出して再利用することができます。^[2]しかし、工業用塩水では、他の化学物質や抑制剤がこれらの有用な材料の抽出能力を制限する可能性があります。スケール防止不活性化技術（ASDT）などの革新的なソリューション

多くの塩水には、回収された製品が複数含まれています。たとえば、カリフォルニア州サールズ湖の浅瀬の塩水は、ホウ砂、カリ、臭素、リチウム、リン酸塩、ソーダ灰、硫酸ナトリウムの供給源となっています。

塩（塩化ナトリウム）は先史時代から貴重な商品であり、海水からの塩の抽出も先史時代に遡ります。世界中の多くの国で海水から塩が抽出されていますが、今日市場に出回っている塩の大部分は固体の蒸発岩鉱床から採掘されています。

塩は、イスラエルの工場（デッド シー ワークス）とヨルダンの工場（アラブ ソルト ワークス）で、死海の塩水からカリを抽出する際の副産物として生産されています。死海の工場で太陽熱蒸発によって沈殿する塩の総量は年間数千万トンですが、市場に出回るのはごくわずかです。

現在、地下水の塩水から得られる塩は、一般的には塩水から他の溶解物質を抽出する過程で生じる副産物であり、世界の塩生産量のごく一部を占めるに過ぎません。米国では、ユタ州グレートソルト湖の表面塩水とカリフォルニア州サールズ湖の浅い地下塩水から塩が回収されています。

1997 年、世界の硫酸ナトリウム生産量の約 3 分の 2 が塩水から回収されました。米国カリフォルニア州サールズ レイクとテキサス州シーグレーブスの 2 つのプラントでは、乾燥湖の下の浅い塩水から硫酸ナトリウムを回収しました。

ソーダ灰（炭酸ナトリウム）は、カリフォルニア州サールズ湖の浅い地下塩水から回収されます。ソーダ灰は、以前はメキシコシティのエカテペックにあるエル カラコルで、テスココ湖の残余物から抽出されていました。

地熱エネルギー生産によって地表に運ばれた塩水には、溶解シリカの濃度が約500ppmであることが多い。ニュージーランドのワイラケイ、カリフォルニア州マンモス・レイクス、カリフォルニア州ソルトン・シーなど、多くの地熱発電所でコロイド状シリカの回収のパイロットテストが行​​われている。現在まで、塩水からのコロイド状シリカの商業生産には至っていない。^[6]

カリウムは死海の表層塩水からイスラエルとヨルダンの工場で回収されています。2013年には死海の塩水が世界のカリウム生産量の9.2%を占めました。^[14] 1996年時点で、死海には205万トンの塩化カリウムが含まれていると推定されており、これは海以外では最大の塩水カリウム埋蔵量です。^[13]

2015 年、地下塩水は世界のリチウム生産量の約半分を産出しました。海水に含まれるリチウム含有量は約 0.17 mg/L (0.00017 g/L) ですが、地下塩水には最大 4,000 mg/L (4.0 g/L) 含まれている可能性があり、これは海水よりも 4桁以上多い値です。一般的な商業用リチウム濃度は 200 ～ 1,400 mg/L (1.4 g/L) です。

最大の採掘はチリのアタカマ塩湖底の浅い塩水層で行われ、2015年時点で世界の供給量の約3分の1を生産している。塩水採掘は主にカリウムを目的としており、副産物としてのリチウムの抽出は1997年に始まりました。^[20]

ボリビアのウユニ塩湖の浅い塩水には世界最大のリチウム資源があると考えられており、世界の資源の半分以上を占めるともいわれています。2015年現在、パイロットプラントを除いて商業的な採​​掘は行われていません。

乾燥した湖底の浅いリチウム塩水の商業的鉱床には、次のような共通の特徴がある。^[21]

• 乾燥した気候
• 乾燥湖または季節湖がある閉鎖盆地
• 地殻変動による地盤沈下
• 火成活動または地熱活動
• リチウムを豊富に含む根源岩
• 透水性帯水層
• 塩水を濃縮するのに十分な時間

2010年、シンボル・マテリアルズは、地熱塩水から高品質のリチウムを抽出する経済的実現可能性を示すことを目的としたパイロットプロジェクトのために、米国エネルギー省から300万ドルの助成金を受けた。このプロジェクトでは、カリフォルニア州インペリアルバレーの49.9メガワットのフェザーストーン地熱発電所の塩水を使用する。シンボルは、この発電所から抽出された流体を一連の膜、フィルター、吸着材に通してリチウムを抽出している。^[22]

2016年、MGXミネラルズは、高度に鉱化された油田の塩水からリチウムやその他の貴重な鉱物を回収できる可能性のある独自の設計プロセス（米国暫定特許番号62/419,011）を開発しました。同社は、カナダとユタ州の塩水を含む約170万エーカー以上の地層の開発権を取得しました。MGXによると、独立した研究所であるサスカチュワン研究評議会は、2017年4月にMGXミネラルズの石油リチウム抽出技術を検証しました。^[23]

地熱掘削孔からのリチウム採掘は、ヨーロッパで進行中のプロジェクトです。有望な採掘地は、コーンウォール（イギリス）^[16] 、ライングラベン（フランス、ドイツ）^[24]、チェザーノ（イタリア）^[25]です。これらの採掘地はすべて、リチウム濃度が200 mg/L以上です。その起源は、花崗岩や地元の基盤岩に含まれる雲母鉱物との相互作用によるものです。^{[26] [27] [28]}

ホウ素は、カリフォルニア州サールズ バレー ミネラルズ社によってサールズ レイクの浅い塩水から回収されます。ホウ素が主産物ですが、カリウムやその他の塩も副産物として回収されます。

アルゼンチンのオラロス塩湖の塩水は、ホウ素、リチウム、カリウムの商業的な供給源となっている。^[12]

1900年頃、イタリアのラルデレロで地熱蒸気からホウ素が回収されました。^[7]

塩水は世界中でヨウ素の主要な供給源である。主な鉱床は日本と米国にある。ヨウ素は石油と天然ガスの生産の副産物として地表に汲み上げられた深層塩水から回収される。海水には約0.06 mg/L（6.0 × 10 ⁻⁵  g/L）のヨウ素が含まれるが、地下の塩水には1,560 mg/L（1.56 g/L）ものヨウ素が含まれており、海水よりも5桁以上多い。ヨウ素の供給源は頁岩中の有機物であると考えられており、頁岩は関連する炭化水素の根源岩でもある。^[29]

これまでのところ、塩水からのヨウ素の最大の供給源は日本であり、ヨウ素を豊富に含む水が天然ガスと共産されている。ヨウ素の抽出は1934年に始まりました。2013年には7つの企業がヨウ素を抽出していると報告されました。^{[30]日本のヨウ素塩水は、主に}鮮新世から更新世の海洋堆積物から生成されます。主な生産地域は、本州の東中央海岸にある南関東ガス田です。塩水のヨウ素含有量は160 ppmにも達することがあります 。^[31]

1977年以来、オクラホマ州北西部のアナダルコ盆地にあるペンシルベニア紀のモロー砂岩の塩水からヨウ素が抽出されている。塩水は水深6,000～10,000フィートに存在し、ヨウ素含有量は約300ppmである。^[32] 

世界の臭素生産はすべて塩水から得られます。その大部分はイスラエルとヨルダンのプラントで死海の塩水から回収されますが、臭素はカリ回収の副産物です。米国 (米国における臭素生産を参照)、中国、トルクメニスタン、ウクライナのプラントでは、地下の塩水から臭素を回収しています。インドと日本では、臭素は海塩生産の副産物として回収されています。

海水からマグネシウムを商業的に生産した最初の記録は、1923年にカリフォルニア州サンフランシスコ湾周辺のいくつかの天日塩工場で、塩の沈殿後に残ったにがりからマグネシウムを抽出したときでした。

ダウ・ケミカル社は1916年にミシガン盆地の深部地下塩水から小規模にマグネシウムの生産を開始した。1933年、ダウは塩水中のマグネシウムを濃縮するためにイオン交換プロセスの使用を開始した。1941年、第二次世界大戦中の航空機用マグネシウムの需要に促され、ダウは海からマグネシウムを抽出するためにテキサス州フリーポートに大規模な工場を開設した。米国には塩水からマグネシウムを抽出するための他の多くの工場が建設され、その中にはベラスコのフリーポート工場近くのものも含まれていた。第二次世界大戦の終わりに、テキサス州フリーポートの工場以外はすべて閉鎖されたが、ベラスコ工場は朝鮮戦争中に再稼働した。^[33]フリーポートのマグネシウム工場は、ハリケーンによる被害を受けてダウが工場を再建しないことを発表した1998年まで稼働していた。^[34]

金属マグネシウムは電解プロセスによって塩水から抽出されるため、経済性は電気料金に左右されます。ダウは、発電に安価な天然ガスを利用するために、テキサス海岸に施設を構えました。1951 年、ノルスク ハイドロは、安価な水力発電で供給される海水マグネシウム工場をノルウェーのヘロヤで立ち上げました。テキサスとノルウェーの 2 つの海水マグネシウム工場は、1950 年代から 1960 年代にかけて、世界の一次マグネシウムの半分以上を供給しました。

2014年時点で、米国における一次金属マグネシウムの唯一の生産者はUSマグネシウムLLCであり、同社はユタ州ローリーの工場でグレートソルト湖の表層塩水から金属を抽出していた。

イスラエルの死海工場では、カリウム抽出の副産物として マグネシウムを生産しています。

カルエナジーは2002年から、カリフォルニア州ソルトン湖の地熱発電所で塩水から亜鉛を抽出している。フル稼働時には、同社は年間3万トンの純度99.99%の亜鉛を生産し、地熱エネルギーから得られる利益と同程度の利益を生むと期待していた。しかし、亜鉛回収ユニットは期待通りに機能せず、2004年に亜鉛回収は停止した。^{[6] [35]}

米国西部の地表近くの塩水には、異常に高濃度の溶解タングステンが含まれている。回収が経済的に可能であることが証明されれば、一部の塩水はタングステンの重要な供給源となる可能性がある。例えば、カリフォルニア州サールズ湖の塩水には、タングステン濃度が約56 mg/L (0.056 g/L) (WO _{3 が70 mg/L (0.070 g/L)) あり、約850万ショートトンのタングステンが含まれている。溶解タングステンの90%は技術的には}イオン交換樹脂で回収可能であるが、回収は経済的ではない。^{[36] [37]}

2012年、米国エネルギー省の研究では、1990年代の日本の研究を基に、海水からウランを抽出する方法がテストされ、1kgあたり660ドルのコストでウランを抽出できるという結論が出ました。これはまだ鉱石からウランを採取するコストの5倍ですが、海水に溶けているウランの量は、現在の消費率で数千年分の核燃料を供給するのに十分な量です。^[39]バーナード・L・コーエンは、海水から抽出したウランを燃料とする増殖炉で、燃料費による電力コストの1%も上昇することなく、50億年分の世界のエネルギー需要をすべて賄うことができることを示しました。（川が絶えず海を補充し、抽出により濃度がわずかに低下し、したがって堆積物に失われる速度が低下することを考慮）^[40]

20世紀初頭には、海水から金を抽出しようとする試みは一般的だった。多くの人が海水から金を経済的に回収できると主張したが、彼らは皆、間違いを犯したか、故意に騙しただけだった。プレスコット・ジャーネガンは1890年代に米国で海水から金を採取する詐欺を働いた。イギリスの詐欺師は1900年代初頭にイギリスで同様の詐欺を働いた。 ^[41]

フリッツ・ハーバー（ハーバー法のドイツ人発明者）は、第一次世界大戦後のドイツの賠償金の支払いを支援するために、海水から金を抽出する研究を行った。^[42]海水中の金の値は2～64ppbと公表されており、商業的に成功する抽出が可能と思われた。4,000個の水サンプルを分析した結果、平均0.004ppbという結果が出たため、ハーバーは抽出が不可能であることが明らかになり、プロジェクトを中止した。^[43]