Zeldzame aardelementen, inclusief neodymium en yttrium, zijn eigenlijk niet zeldzaam - komen vaker voor, in feite, in de aardkorst dan koper en tin. Maar, omdat ze wijd verspreid zijn, en moeilijk te scheiden van hun omringende ertsen, mijnbouw en raffinage ervan is moeilijk.

Zeldzame aardmetalen zijn waardevol, te. Ze hebben unieke eigenschappen waardoor ze bruikbaar zijn in moderne energie- en elektronische producten. Elektrische voertuigen en windturbines hebben krachtige elektrische motoren en generatoren nodig, die op hun beurt sterke magneten van neodymium en dysprosium vereisen. Yttrium, terbium en europium zijn de sleutel tot energiezuinige kleurenschermen op laptops, mobiele telefoons en tv-schermen. Lanthaan is cruciaal voor hoogwaardige cameralenzen, en cerium fungeert als katalysator in katalysatoren voor auto's. Onderzoekers zoeken naar alternatieven en substituten, maar het is niet duidelijk dat die er zijn.

De meeste zeldzame aardmetalen – 85 procent van de wereldvoorraad – worden geproduceerd in China. De laatste zeldzame-aardemijn in de VS sloot in 2015 het land afhankelijk maken van invoer – en kwetsbaar wanneer, zoals in 2010 gebeurde China stopte alle export van zeldzame aardmetalen in een handelsconflict.

Het feit dat een handelsoorlog de toevoer van zeldzame aardmetalen opnieuw zou kunnen afsnijden, heeft sommige mensen ertoe aangezet om Amerikaanse mijnen te heropenen. Maar ons onderzoek heeft een andere mogelijkheid gevonden:het winnen van zeldzame aardmetalen uit steenkoolas, een overvloedig afvalproduct met relatief hoge concentraties van deze sleutelelementen.

Kolenas als bron

Als bijproduct van het verbranden van steenkool om elektriciteit te maken, de VS produceert bijna 80 miljoen ton kolenas per jaar. Ongeveer 43 procent daarvan wordt gebruikt als ingrediënt in cement en om de bodem te verrijken met macro- en micronutriënten. De rest gaat naar stortplaatsen of wordt vermengd met water en opgeslagen in open grondputten die insluitingsvijvers worden genoemd.

Dat kolenas redelijke hoeveelheden zeldzame aardmetalen bevat, met name scandium en neodymium. In as van sommige soorten steenkool, de concentraties van zeldzame aardmetalen zijn maar liefst 100 keer hoger dan wanneer ze van nature in de aardkorst worden aangetroffen.

Onderzoek, deels gefinancierd met overheidsgeld, heeft ten minste drie manieren gevonden om zeldzame aardmetalen uit steenkoolas te winnen, hoewel er nog geen commercieel levensvatbaar is. De eerste twee methoden, met behulp van zuren en speciale bacteriën, zijn ofwel te duur of te tijdrovend en daarom onwaarschijnlijk praktisch op industriële schaal.

Een derde weg, die ons onderzoek verkent, gebruikt verwarmd, gecomprimeerde kooldioxide om de zeldzame aardelementen selectief op te lossen en te extraheren. Deze vorm van koolstofdioxide, genaamd "superkritische, " heeft verschillende toepassingen, ook in de voedingsindustrie, het verwijderen van cafeïne uit koffiebonen.

Kooldioxide gebruiken

Ons onderzoek heeft een mogelijke route naar winstgevendheid gevonden voor het winnen van zeldzame aardmetalen uit steenkoolas met behulp van superkritisch koolstofdioxide. Er zijn nog grote uitdagingen, Hoewel.

Eerst, het proces heeft andere chemicaliën nodig. Kooldioxide is relatief goedkoop, maar het kan niet helpen dat zeldzame aardmetalen samenklonteren en zich scheiden van de andere elementen in steenkoolas. Om dat te doen, is waarschijnlijk een dure chemische stof nodig, zoals tributylfosfaat. Onderzoekers zullen manieren moeten vinden om daar zo min mogelijk van te gebruiken om de kosten laag te houden.

Tweede, het proces moet bijzonder efficiënt zijn in het extraheren van scandium en neodymium, die bijzonder waardevol zijn. Veel kolenassen bevatten veel van die elementen, maar niet alle, wat de derde uitdaging oproept.

Sommige steenkoolbronnen - en dus de as wanneer die steenkool wordt verbrand - bevatten meer zeldzame aardmetalen dan andere. We ontdekten dat de waarde van zeldzame aardmetalen in een enkele ton kolenas kan variëren van $ 99 in een kolencentrale in Ohio tot $ 534 in een fabriek in West Virginia. Met extractiekosten die naar verwachting tussen $ 380 en $ 1 zullen liggen, 200 per ton, niet de as van elke kolencentrale zal een winstgevende plek zijn om zeldzame aardmetalen te vinden.

Omgaan met de restjes

Nadat de zeldzame aardmetalen waar mogelijk – en winstgevend – zijn gewonnen, hoeft de rest van de kolenas niet anders te worden behandeld dan nu al het geval is. Maar het zou de kolenindustrie helpen een stap te zetten in de richting van een "circulaire economie, " waarin alles wat het ene proces als afval voortbrengt, als grondstof in een ander proces kan worden gebruikt. de kooldioxide en andere chemicaliën die nodig zijn voor de winning van zeldzame aarde kunnen worden hergebruikt, afval van het proces zelf te verminderen.

Deze methode zou de kolenindustrie een extra inkomstenstroom opleveren, wat de achteruitgang waarschijnlijk niet zou omkeren. maar zou steenkool een andere strategische rol kunnen geven in de economie van het land, zelfs als het gebruik ervan als energiebron stopt.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.