Zeldzame aardelementen vinden hun weg naar de watervoorziening van Colorado, gedreven door veranderingen in het klimaat, vindt een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie .

Zeldzame aarde-elementen zijn noodzakelijke componenten van veel computer- en andere hightech-apparaten, zoals mobiele telefoons en harde schijven. Maar er wordt steeds meer erkend dat ze zelfs bij lage concentraties gevaarlijk kunnen zijn in het milieu.

"Dit is zorgwekkend omdat hun concentraties niet worden gecontroleerd en er geen waterkwaliteitsnormen voor zijn vastgesteld, " zegt studie auteur Diane McKnight, die een INSTAAR Fellow en engineering professor is aan de University of Colorado Boulder.

De studie is de eerste om te kijken naar hoe zeldzame aardelementen bewegen in een stroomgebied dat rijk is aan mineralen. Het is ook de eerste die onderzoekt hoe klimaatverandering, door de stroomstroom en natuurlijke verweringsprocessen te veranderen, is het vrijgeven van meer zeldzame aardelementen in stromen.

Diane McKnight heeft sinds de jaren negentig haar studenten begeleid bij onderzoek naar de waterkwaliteit in het stroomgebied van de Snake River in Colorado. Hun belangrijkste focus was het meten en observeren van de drainage van zure gesteenten. In dit proces, gesteenten die op sulfide gebaseerde mineralen bevatten, zoals pyriet, oxideren bij blootstelling aan lucht en water. De resulterende chemische reactie produceert zwavelzuur en opgeloste metalen zoals ijzer, die uitmonden in stromen. Zuurder water kan zware metalen verder oplossen, zoals lood, cadmium, en zink, en het blijkt ook zeldzame aardelementen te kunnen dragen.

"Wat echt de mobiliteit van zeldzame aardelementen regelt, is de pH. Zuur loogt het letterlijk uit de rotsen, " zegt eerste auteur Garrett Rue, die een masterdiploma behaalde met een studie limnologie bij McKnight en een daaropvolgende Ph.D. van CU Boulder.

Zure gesteenteafvoer gebeurt van nature in het westen van de Verenigde Staten, met zijn pyrietrijke geologie. Maar historische mijnen die grote hoeveelheden stenen en grond verstoren, versterken het proces dramatisch en veroorzaken stroomafwaartse watervervuiling.

Binnen het stroomgebied van de Snake River, steden die getroffen zijn door de ontwatering van zuurmijnen zijn gedwongen zich aan te passen aan de slechte waterkwaliteit. Enkele voormalige mijnbouwsteden, zoals Silverton, water importeren uit verre bronnen. Anderen vertrouwen op dure waterzuiveringsinstallaties. Alle vissen in de Snake River zijn uitgezet, omdat het water te veel zink bevat voor inheemse vissoorten om te overleven. Het probleem is endemisch in het westen van de Verenigde Staten, zegt Rue:"Meer dan veertig procent van de bovenloop van de grote rivieren in het Westen is verontreinigd door een of andere vorm van zuurmijnen of gesteenteafvoer."

De Snake River heeft een goed natuurlijk laboratorium gemaakt voor het onderzoeken van zowel, aangezien het Peru Creek-deel van het stroomgebied zwaar werd ontgonnen, terwijl de Upper Snake River dat niet was. Maar Rue en McKnight ontdekten dat beide delen van het stroomgebied nu aanzienlijke hoeveelheden metalen stroomafwaarts bijdragen, klimaatverandering heeft geleid tot langere zomers en minder sneeuw in de winter. Langer, lagere stroomstromen maken het gemakkelijker voor metalen om in het stroomgebied uit te logen, en concentreer de metalen die anders zouden worden verdund door sneeuwsmelt.

Dezelfde processen die ervoor zorgen dat meer zware metalen hun weg vinden naar stromen, werken ook op zeldzame aardelementen. De onderzoekers vonden zeldzame aardelementen in de Snake River. "We hebben een concentratiebereik van één tot honderden microgram per liter gedocumenteerd - enkele ordes van grootte hoger dan typisch voor oppervlaktewateren - met de hoogste concentraties het dichtst bij de bovenloop en gebieden die worden afgevoerd door verlaten mijnen, "zegt Rue.

Ze documenteerden ook dat toename van zeldzame aardelementen in de Snake River overeenkwam met de opwarming van de zomerluchttemperaturen, en dat zeldzame aardelementen zich ophopen in insecten die in stromen leven in concentraties die vergelijkbaar zijn met andere metalen zoals lood en cadmium waarvan is aangetoond dat ze giftig zijn.

"We beginnen te begrijpen dat zodra zeldzame aardelementen in het water komen, ze hebben de neiging om daar te blijven, " zegt Rue. "Ze worden ook niet verwijderd door traditionele behandelingsprocessen, wat gevolgen heeft voor hergebruik en heeft ertoe geleid dat sommige Europese steden REE's hebben aangewezen als een opkomende verontreinigende stof voor de drinkwatervoorziening. En aangezien de Snake River rechtstreeks in het Dillion Reservoir stroomt, dat is Denver's grootste bron van opgeslagen water, dit kan een punt van zorg zijn voor de toekomst."

De onderzoekers suggereren dat het onderzoeken van en investeren in technologieën om zeldzame aardelementen uit natuurlijke wateren te winnen waardevolle grondstoffen zou kunnen opleveren en zou kunnen helpen bij het aanpakken van de problemen die samenhangen met zuurgesteente en mijnafvoer, die dreigen te verslechteren naarmate het klimaat verandert.

"Zeldzame aardelementen worden gebruikt om veel producten te maken. Maar het grootste deel van het aanbod komt uit China. Dus onze regering is op zoek naar bronnen, maar tegelijkertijd heeft de mijnbouw een onuitwisbaar stempel gedrukt op de wateren van het Westen, ", zegt Rue. "Als we sommige van deze materialen kunnen oogsten die al in onze omgeving komen, het kan de moeite waard zijn om dat water te behandelen en tegelijkertijd deze materialen terug te winnen."

"Dit probleem wordt erger en we moeten het aanpakken, ", voegt McKnight toe. "Als we het probleem holistisch kunnen oplossen, we kunnen een waardevolle hulpbron hebben en ook nadenken over klimaatadaptatie."