未來我們從哪里獲得礦物?

段景頤

世界上的礦物逐漸耗盡。科學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。在這種電視機的內部，高速電子束轟擊熒光屏上的多種磷光材料，讓熒光屏發出各色的光。這些光轉瞬即逝，卻在人眼視網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出明亮紅光的材料出現，才完美解決了這個問題。今天，銪在其他領域仍然發揮著重要作用：它是生產LED發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}生能極為優異，因此錸是制造高性能噴氣發動機的重要金屬之一。“殲20”戰斗機所使用的代號為“太行”的渦扇發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定其內部的多層結構。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電渦輪機不可或缺的元素。

要知道，地球內部各種元素的豐度（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，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

位于北極圈內的北歐國家擁有悠久的采礦歷史，礦業一直是北歐諸國的支柱產業之一：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說過：“海洋下面有鐵礦、鋅礦、銀礦和金礦，開采起來并不難。”有趣的是，在《海底兩萬里》出版后的第三年，小說中的預言變成了現實——科學家真的在海底發現了小說中提到的大部分礦物。

1873年，英國勘探船“HMS挑戰者號”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“多金屬結核”。在隨后的150年里，人類又在海床上發現了另外兩種重要的高品質金屬礦物，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）。

由于高品質金屬礦物的陸地儲量逐年遞減，不少礦業公司開始計劃開采海底礦物。相比陸地開采，海床開采礦物的優勢突出：在海床開采礦物無須動遷當地居民;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，但一些國家和企業正在做這方面的嘗試，例如巴布亞新幾內亞離岸海床的“大型塊狀硫化物開采計劃”。

小行星

人類不但已經登上了月球，甚至已經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。經過一個世紀的工業活動，我們有了大量的廢棄物，其中有可回恢的礦物。科學家正在開發的清理垃圾的技術，有望把垃圾變成財富。

污水

藻華、河水酸化、土壤重金屬化……企業生產活動排放的污水如果沒有妥善處理，會帶來許多環境問題。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濟要求，但這些元素對環境的確有很強的破壞性。然而，在越來越嚴格的環保法規下，廢水導致的環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。生活廢水和畜禽養殖場廢水中的主要有害元素是含氮、含硫化合物，這些物質溶解在水中會使水體富營養化，大大促進藻類、水葫蘆等水生植物生長。海水淡化工廠產生的含鹽鹵水中的主要污染物是重金屬和稀土元素。全球范圍內的海水淡化生產平均每年會產生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，研究人員設計出了只和特定重金屬離子結合的“捕集劑”。通過與重金屬離子結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，某種經過基因編輯的細菌能夠合成特殊的捕集蛋白質，它只與水體中的汞離子結合，從而可以起到富集汞的作用。

不僅是重金屬，氮、磷等營養元素也可以通過類似技術從廢水中同收，以大大抑制藻華暴發。一些企業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的廢水中提煉鋰的材料。

固體廢物

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

城市資源回收面臨的最大挑戰是廢舊商品資源分散，匯集難度巨大。此外，不少商品在設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，只需要將其從設備上拆除下來，再粉碎成粉末，然后再運至生產企業，經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，用于進一步生產化肥和炸藥。而在哈柏法出現之前，歐洲的化肥和炸藥生產嚴重依賴產自秘魯的海鳥糞便（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、洪水頻發等各種環境問題。沿岸地區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狀。2018年，聯合國發布的一份報告中提道：碳捕集是減緩甚至逆轉氣候變化帶來的嚴重后果所必須的技術。

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，但還是有企業迎難而上：英國某企業開發出了一種專門用于捕集二氧化碳的風扇矩陣。在其內部，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。采用這種設備的試點工廠每天可固定約1噸二氧化碳。據估算，一個標準規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電廠排放的二氧化碳并制成甲烷的技術。雖然這種技術聽上去很美好，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生二氧化碳。因此，這項技術更適合小規模使用于無法方便獲取電能的偏遠地區。

只有能夠可持續發展、對環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境污染。例如，一些鎳礦場已經能回收利用90%的生產用水。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范。