Brinebrytning

Brinebrytning är utvinning av användbara material ( grundämnen eller föreningar ) som är naturligt lösta i saltlake . Saltlösningen kan vara havsvatten , annat ytvatten , grundvatten eller hypersaltlösningar från flera industrier (t.ex. textilindustrier). Det skiljer sig från lösningsbrytning eller in-situ urlakning genom att dessa metoder injicerar vatten eller kemikalier för att lösa upp material som är i fast tillstånd; i saltlakebrytning är materialen redan upplösta.

Saltlösningar är viktiga källor till vanligt salt ( NaCl ), kalcium , jod , litium , magnesium , kalium , brom och andra material, och är potentiellt viktiga källor för ett antal andra. Brinebrytning stöder avfallsminimering och resursåtervinning.

Historia

Omkring 500 f.Kr. grävde de forntida kineserna hundratals saltlösningsbrunnar, av vilka några var över 100 meter (330 fot) på djupet. Stora saltlakeavlagringar under jordytan borrades genom att borra borrhål. Bambutorn restes, i stil med dagens oljeborrtorn. Bambu användes för rep, hölje och borrtorn eftersom det var saltbeständigt. Järnkilar hängdes från ett bambukabelverktyg fäst vid en spak på en plattform konstruerad ovanpå tornet. Bornen krävde två till tre män som hoppade på och av spaken som flyttade järnkilen som slog ner i marken för att gräva ett hål tillräckligt djupt i marken för att träffa saltlaken.

Typer av saltlösningar som används för mineralutvinning

Kommersiell saltlösning inkluderar både ytvatten (havsvatten och salthaltiga sjöar) och grundvatten (grund saltlösning under salthaltiga eller torra sjöar, och djupa saltlösningar i sedimentära bassänger). Brine som tas upp till ytan av geotermiska energikällor innehåller ofta höga koncentrationer av mineraler, men används för närvarande inte för kommersiell mineralutvinning.

Havsvatten

Havsvatten har använts som en källa till havssalt sedan förhistorisk tid, och på senare tid av magnesium och brom. Kalium utvinns ibland från bittern som finns kvar efter saltutfällning. Haven beskrivs ofta som en outtömlig resurs.

Salthaltiga sjöar

Det finns många salthaltiga sjöar med högre salthalt än havsvatten, vilket gör dem attraktiva för mineralutvinning. Exempel är Döda havet och Stora Saltsjön. Dessutom har vissa salthaltiga sjöar, som Lake Natron i Östafrika, kemi mycket annorlunda än havsvatten, vilket gör dem till potentiella källor till natriumkarbonat.

Grunda grundvattensaltlösningar förknippade med salthaltiga eller torra sjöar

Grundvattnet under salthaltiga eller torra sjöar har ofta saltlösningar med en kemi som liknar sjöarnas eller tidigare sjöar.

Kemin hos grunda saltlösningar som används för mineralutvinning påverkas ibland av geotermiska vatten. Detta gäller ett antal grunda saltlösningar i västra USA, till exempel vid Searles Lake, Kalifornien.

Geotermiska saltlösningar

Geotermiska kraftverk tar ofta upp saltlake till ytan som en del av verksamheten. Denna saltlake återinjiceras vanligtvis i marken, men vissa experiment har gjorts för att utvinna mineraler innan återinjektion. Saltlake som tagits upp till ytan av geotermiska energianläggningar har använts i pilotanläggningar som en källa till kolloidal kiseldioxid ( Wairakei , Nya Zeeland och Mammoth Lakes, Kalifornien) och som en källa till zink ( Salton Sea , Kalifornien). Bor återvanns cirka 1900 från geotermisk ånga i Larderello, Italien. Litiumåtervinning har också undersökts. Men från och med 2015 finns det ingen ihållande mineralutvinning i kommersiell skala från geotermisk saltlösning.

Djupa saltlösningar i sedimentära bassänger

Koncentrationen av lösta fasta ämnen i djupt sammansatt vatten varierar från mycket mindre än havsvatten till tio gånger det totala lösta fasta materialet i havsvatten. I allmänhet ökar koncentrationerna av totala lösta fasta ämnen (TDS) med djupet. De flesta djupa grundvatten klassificerade som saltlösningar (med totalt lösta fasta ämnen lika med eller större än havsvatten) är övervägande av natriumkloridtyp. Men övervikten av klorid ökar vanligtvis med ökande TDS, på bekostnad av sulfat. Förhållandet mellan kalcium och natrium ökar vanligtvis med djupet.

Förekomsten av grundvatten med TDS högre än havsvatten beror i vissa fall på kontakt med saltbäddar. Oftare tros dock den högre TDS för djupa sediment vara resultatet av att sedimenten fungerar som semipermeabla membran. Eftersom sedimenten kompakteras under begravningstryck är de lösta arterna mindre rörliga än vattnet, vilket resulterar i högre TDS-koncentrationer än havsvatten. Bivalenta arter såsom kalcium (Ca ⁺² ) är mindre rörliga än univalenta arter såsom natrium (Na ⁺ ), vilket resulterar i kalciumanrikning. Förhållandet mellan kalium och natrium (K/Na) kan öka eller minska med djupet, vilket tros vara resultatet av jonbyte med sedimenten.

Industriell saltlake

Flera industrier producerar saltlösningar som biprodukter. Sådana industrier är mejeri-, textil-, läder-, oljeindustrier etc. Sålunda kan användbara material utvinnas och återanvändas.

Material som återvinns från saltlösningar

Många saltlösningar innehåller mer än en återvunnen produkt. Till exempel är eller har den grunda saltlaken under Searles Lake , Kalifornien , varit en källa till borax , kaliumklorid , brom , litium , fosfat , soda och natriumsulfat .

Salt

Källa	Saltkoncentration
Havsvatten	129 500 mg/L (129,5 g/L)

Huvudartikel: Havssalt

Salt ( natriumklorid ) har varit en värdefull handelsvara sedan förhistorisk tid, och dess utvinning från havsvatten går också tillbaka till förhistorien. Salt utvinns ur havsvatten i många länder runt om i världen, men majoriteten av saltet som släpps ut på marknaden idag bryts från fasta evaporitavlagringar .

Salt produceras som en biprodukt av kaliumutvinning från Döda havets saltlösning vid en anläggning i Israel ( Dead Sea Works ), och en annan i Jordanien (Arab Salt Works). Det totala saltet som fälls ut vid solavdunstning vid Döda havets anläggningar är tiotals miljoner ton årligen, men mycket lite av saltet marknadsförs.

Idag är salt från grundvattenslake i allmänhet en biprodukt av processen att utvinna andra lösta ämnen ur saltlake och utgör endast en liten del av världens saltproduktion. I USA utvinns salt från ytsaltlösning vid Great Salt Lake , Utah, och från en grund underjordisk saltlake vid Searles Lake , Kalifornien.

Natriumsulfat

1997 återvanns ungefär två tredjedelar av världens produktion av natriumsulfat från saltlake. Två anläggningar i USA, vid Searles Lake, Kalifornien, och Seagraves, Texas , återvann natriumsulfat från grunda saltlösningar under torra sjöar.

Sodaaska

Soda ( natriumkarbonat ) utvinns från grunda saltlösningar under ytan vid Searles Lake, Kalifornien. Soda utvanns tidigare i El Caracol, Ecatepec , i Mexico City , från resterna av Lake Texcoco .

Kolloidal kiseldioxid

Saltlösningar som tas upp till ytan genom geotermisk energiproduktion innehåller ofta koncentrationer av löst kiseldioxid på cirka 500 ppm. Ett antal geotermiska anläggningar har pilottestat återvinning av kolloidal kiseldioxid , inklusive de vid Wairakei, Nya Zeeland, Mammoth Lakes, Kalifornien och Saltonhavet, Kalifornien. Hittills har kolloidal kiseldioxid från saltlake inte uppnått kommersiell produktion.

Kali

Plats	Kaliumkoncentration	Källa
Hav	380 mg/L (0,38 g/L)	Havsvatten
Hav	17 700 mg/L (17,7 g/L)	Havsvatten, bittern kvar efter saltutfällning
Salar de Olaroz gruva , Argentina	5 730 mg/L (5,73 g/L)	Grunt saltlake under torr sjö
Salar de Atacama , Chile	19 400 mg/L (19,4 g/L)	Grunt saltlake under torr sjö
Da Chaidam Salt Lake, Kina	22 500 mg/L (22,5 g/L)	Saline sjö
Döda havet, Israel och Jordanien	6 200 mg/L (6,2 g/L)	Saline sjö

Potaska utvinns från saltlake från Döda havet vid anläggningar i Israel och Jordanien. Under 2013 stod saltlake från Döda havet för 9,2 % av världsproduktionen av kaliumklorid. Från och med 1996 beräknades Döda havet innehålla 2,05 miljoner ton kaliumklorid, den största saltlakereserven av kalium förutom havet.

Litium

Plats	Litiumkoncentration	Källa
Hav	0,17 mg/L (0,00017 g/L)	Havsvatten
Clayton Valley , Nevada	300 mg/L (0,30 g/L)	Grunt saltlake under torr sjö
Cornwall , Storbritannien	220 mg/L (0,22 g/L)	Geotermiska vatten
Paradox Basin , Utah	142 mg/L (0,142 g/L)	Brine på djupet (Cane Creek brunn)
Salar de Olaroz gruva , Argentina	690 mg/L (0,69 g/L)	Grunt saltlake under torr sjö
Salton Sea, Kalifornien	170 mg/L (0,17 g/L)	Geotermisk saltlake

Under 2015 gav saltlösningar under ytan ungefär hälften av världens litiumproduktion . Medan havsvatten innehåller cirka 0,17 mg/L (0,00017 g/L), kan saltlösningar under ytan innehålla upp till 4 000 mg/L (4,0 g/L), mer än fyra storleksordningar större än havsvatten. Typiska kommersiella litiumkoncentrationer är mellan 200 och 1 400 mg/L (1,4 g/L).

De största operationerna är i den grunda saltlaken under Salar de Atacamas torra sjöbotten i Chile , som från 2015 gav ungefär en tredjedel av världens utbud. Brineverksamheten är i första hand för kalium; utvinning av litium som biprodukt började 1997.

Den grunda saltlaken under Salar de Uyuni i Bolivia tros innehålla världens största litiumtillgång, ofta uppskattad till hälften eller mer av världens tillgång. Från och med 2015 har ingen kommersiell utvinning skett, annat än en pilotanläggning.

Kommersiella avlagringar av grunda litiumsaltlösningar under torra sjöbottnar har följande egenskaper gemensamma:

• Torrt klimat
• Sluten bassäng med en torr eller säsongsbetonad sjö
• Tektoniskt driven sättningar
• Magmatisk eller geotermisk aktivitet
• Litiumrik källbergart
• Permeabla akviferer
• Tillräckligt med tid för att koncentrera saltlake

2010 fick Simbol Materials ett anslag på 3 miljoner USD från det amerikanska energidepartementet för ett pilotprojekt som syftade till att visa den ekonomiska genomförbarheten av att utvinna högkvalitativt litium från geotermisk saltlösning. Den använder saltlösning från det geotermiska kraftverket Featherstone på 49,9 megawatt i Kaliforniens Imperial Valley . Simbol passerar växtens extraherade vätska genom en serie membran, filter och adsorptionsmaterial för att extrahera litium.

Under 2016 utvecklade MGX Minerals en egenutvecklad designprocess (amerikanskt provisoriskt patent #62/419 011) för att potentiellt återvinna litium och andra värdefulla mineraler från högmineraliserad saltlösning från oljefält. Företaget har förvärvat utvecklingsrättigheter till över cirka 1,7 miljoner tunnland saltbärande formationer i Kanada och Utah. Enligt MGX Saskatchewan Research Council , ett oberoende laboratorium, MGX Minerals petrolithiumextraktionsteknik i april 2017.

Litiumbrytning från geotermiska borrhål är ett skogsprojekt i Europa. Potentiella platser är Cornwall (Storbritannien), Rhen Graben (Frankrike, Tyskland) och Cesano (Italien). Alla dessa platser har en litiumkoncentration på 200 mg/L eller högre. Ursprunget beror på interaktion med glimmermineraler i graniten och/eller i bergarterna i den lokala källaren.

Bor

Plats	Borkoncentration	Källa
Hav	4,6 mg/L (0,0046 g/L)	Havsvatten
Salar de Olaroz, Argentina	1 050 mg/L (1,05 g/L)	Grunt saltlake under torr sjö
Paradox Basin, Utah	829 mg/L (0,829 g/L)	Brine på djupet (Cane Creek brunn)

Bor återvinns från grunda saltlösningar under Searles Lake, Kalifornien, av Searles Valley Minerals. Även om bor är den primära produkten, utvinns kalium och andra salter också som biprodukter.

Saltlösningen under Salar de Olaroz, Argentina, är en kommersiell källa till bor, litium och kalium.

Cirka 1900 återvanns bor från geotermisk ånga i Larderello, Italien.

Jod

Plats	Jodkoncentration	Källa
Hav	0,06 mg/L (6,0 × 10 −5 g/L)	Havsvatten
Kanto gasfält, Japan	160 mg/L (0,16 g/L)	Djup saltlake i sedimentär bassäng
Morrow Sandstone, Oklahoma, USA	300 mg/L (0,30 g/L)	Djup saltlake i sedimentär bassäng
Utah Paradox Basin	596 mg/L (0,596 g/L)	Brine på djupet (Cane Creek brunn)

Saltlösningar är en viktig källa till jodförsörjning över hela världen. Stora fyndigheter förekommer i Japan och USA . Jod utvinns från djupa saltlösningar som pumpas till ytan som en biprodukt av olje- och naturgasproduktion. Havsvatten innehåller cirka 0,06 mg/L (6,0 × 10 ⁻⁵ g/L) jod, medan saltlösningar under ytan innehåller så mycket som 1 560 mg/L (1,56 g/L), mer än fem storleksordningar större än havsvatten. Källan till joden tros vara organiskt material i skiffer , som också utgör källan för de associerade kolvätena.

Japan

  Den överlägset största källan till jod från saltlake är Japan, där jodrikt vatten samproduceras med naturgas. Jodutvinning började 1934. År 2013 rapporterades sju företag utvinna jod. Japanska jodsaltlösningar framställs av mestadels marina sediment som sträcker sig i ålder från pliocen till pleistocen . Det huvudsakliga produktionsområdet är södra Kanto-gasfältet på Honshus östra centrala kust . Jodhalten i saltlösningen kan vara så hög som 160 ppm.

Anadarko Basin, Oklahoma

  Sedan 1977 har jod extraherats från saltlake i Morrow Sandstone i Pennsylvanias ålder , på platser i Anadarko Basin . i nordvästra Oklahoma. Saltlösningen förekommer på djup av 6 000 till 10 000 fot och innehåller cirka 300 ppm jod.

Brom

Plats	Bromkoncentration	Källa
Hav	65 mg/L (0,065 g/L)	Havsvatten
Hav	2 970 mg/L (2,97 g/L)	Havsvatten, bittern kvar efter saltutfällning
Smackover Formation, Arkansas, USA	5 000 till 6 000 mg/L (5,0 till 6,0 g/L)	Djup saltlake i sedimentär bassäng
Döda havet, Israel och Jordanien	10 000 mg/L (10 g/L)	Saline sjö
Paradox Basin Utah	12 894 mg/L (12,894 g/L)	Brine at Depth, (Cane Creek brunn)

All världens bromproduktion kommer från saltlake. Merparten utvinns från saltlake från Döda havet vid anläggningar i Israel och Jordanien, där brom är en biprodukt av kaliumutvinning. Anläggningar i USA ( se: Bromproduktion i USA ), Kina, Turkmenistan och Ukraina, återvinner brom från saltlösningar under ytan. I Indien och Japan utvinns brom som en biprodukt från produktionen av havssalt.

Magnesium och magnesiumföreningar

Plats	Magnesiumkoncentration	Källa
Hav	1 350 mg/L (1,35 g/L)	Havsvatten
Hav	56 100 mg/L (56,1 g/L)	Havsvatten, bittern kvar efter saltutfällning
Döda havet, Israel och Jordanien	35 200 mg/L (35,2 g/L)	Saline sjö
Paradox Basin, Utah	42 995 mg/L (42,995 g/L)	Brine på djupet (Cane Creek brunn)

Den första kommersiella produktionen av magnesium från havsvatten registrerades 1923, när några solsaltanläggningar runt San Francisco Bay, Kalifornien, utvann magnesium från bittern som fanns kvar efter saltutfällning.

Dow Chemical Company började producera magnesium i liten skala 1916, från djupt underjordisk saltlake i Michigan Basin . 1933 började Dow använda en jonbytesprocess för att koncentrera magnesiumet i saltlaken. 1941, föranledd av behovet av magnesium för flygplan under andra världskriget, startade Dow en stor anläggning i Freeport, Texas , för att utvinna magnesium från havet. Ett antal andra anläggningar för att utvinna magnesium ur saltlösning byggdes i USA, inklusive en nära Freeport-fabriken i Velasco . I slutet av andra världskriget stängdes alla utom fabriken i Freeport, Texas, även om Velasco-fabriken återaktiverades under Koreakriget. Magnesiumfabriken i Freeport fungerade fram till 1998, då Dow meddelade att den inte skulle bygga om enheten efter orkanskador.

Eftersom metalliskt magnesium utvinns ur saltlösning genom en elektrolytisk process, är ekonomin känslig för elkostnaden. Dow hade lokaliserat sin anläggning vid Texaskusten för att dra fördel av billig naturgas för elproduktion. 1951 startade Norsk Hydro en magnesium-från-havsvattenanläggning i Heroya, Norge, försörjd av billig vattenkraft. De två havsvattenmagnesiumfabrikerna, i Texas och Norge, tillhandahöll mer än hälften av världens primära magnesium under 1950- och 1960-talen.

Från och med 2014 var den enda tillverkaren av primär magnesiummetall i USA US Magnesium LLC, som extraherade metallen från saltlake från Great Salt Lake vid sin fabrik i Rowley, Utah .

Dead Sea Works i Israel producerar magnesium som en biprodukt av kaliumutvinning.

Zink

Plats	Zinkkoncentration	Källa
Hav	0,01 mg/L (1,0 × 10 −5 g/L)	Havsvatten
Salton Sea, Kalifornien	270 mg/L (0,27 g/L)	Geotermisk saltlake

Från och med 2002 utvann CalEnergy zink från saltlösningar vid sina geotermiska energianläggningar vid Saltonhavet, Kalifornien. Vid full produktion hoppades företaget kunna producera 30 000 ton 99,99 % ren zink per år, vilket skulle ge ungefär lika mycket vinst som företaget gjorde på geotermisk energi. Men zinkåtervinningsenheten presterade inte som förväntat och zinkåtervinningen stoppades 2004.

Volfram

Plats	Volframkoncentration	Källa
Hav	0,0001 mg/L (1,0 × 10 −7 g/L)	Havsvatten
Searles Lake, Kalifornien	56 mg/L (0,056 g/L)	Grunt saltlake under torr sjö

Vissa saltlösningar som ligger nära ytan i västra USA innehåller onormalt höga koncentrationer av löst volfram . Skulle återhämtningen någonsin visa sig vara ekonomisk, kan vissa saltlösningar vara betydande källor till volfram. Till exempel innehåller saltlösningar under Searles Lake, Kalifornien, med koncentrationer på cirka 56 mg/L (0,056 g/L) volfram (70 mg/L (0,070 g/L) WO 3 ), cirka 8,5 miljoner korta ton _volfram . Även om 90 % av det lösta volframet tekniskt kan återvinnas med jonbytarhartser , är återvinningen oekonomisk.

Uran

Källa	Urankoncentration
Havsvatten	0,003 mg/L (3,0 × 10 −6 g/L)

Under 2012 testade forskning för det amerikanska energidepartementet, som bygger på japansk forskning från 1990-talet, en metod för att utvinna uran ur havsvatten, som, de drog slutsatsen, kunde utvinna uran till en kostnad av 660 USD/kg. Även om detta fortfarande var fem gånger kostnaden för uran från malm, skulle mängden uran löst i havsvatten räcka för att tillhandahålla kärnbränsle i tusentals år med nuvarande förbrukningshastigheter. Bernard L. Cohen visade att alla världens energibehov under 5 miljarder år skulle kunna tillhandahållas av uppfödningsreaktorer som drivs med uran utvunnet ur havsvatten utan att kostnaden för el skulle öka med så mycket som 1 % på grund av bränslekostnaderna. (Med tanke på att floder fyller på haven kontinuerligt och utvinning skulle sänka koncentrationen något och därmed hastigheten som förloras till avlagringar)

Guld

Källa	Guldkoncentration
Havsvatten	0,000004 mg/L (4,0 × 10 −9 g/L)

Försök att utvinna guld ur havsvatten var vanliga i början av 1900-talet. Ett antal personer hävdade att de ekonomiskt kunde återvinna guld ur havsvatten, men de var alla antingen felaktiga eller agerade i ett avsiktligt bedrägeri. Prescott Jernegan drev ett bedrägeri med guld från havsvatten i USA på 1890-talet. En brittisk bedragare körde samma bedrägeri i England i början av 1900-talet.

   Fritz Haber (den tyska uppfinnaren av Haberprocessen ) gjorde forskning om utvinning av guld från havsvatten i ett försök att hjälpa till att betala Tysklands skadestånd efter första världskriget . Baserat på publicerade värden på 2 till 64 ppb guld i havsvatten, verkade en kommersiellt framgångsrik utvinning möjlig. Efter analys av 4 000 vattenprover som i genomsnitt gav 0,004 ppb stod det klart för Haber att utvinningen inte skulle vara möjlig och han stoppade projektet.