Zeldzame aardelementen (REE’s) vormen de basis van de moderne technologie en voeden alles, van windturbines en smartphones tot elektrische voertuigen. Ondanks dat ze niet echt zeldzaam voorkomen in de aardkorst, zijn ze notoir moeilijk en kostbaar om efficiënt te extraheren. Nu heeft een team van de Northeastern University een baanbrekende methode onthuld die de economie van het terugwinnen van REE drastisch zou kunnen veranderen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de enorme hoeveelheden kolenmijnafval die al wereldwijd zijn opgeslagen.
Het probleem met stroomextractie
Traditionele REE-extractie is afhankelijk van voor de mijnbouw bestemde afzettingen, een proces dat zowel ecologisch ontwrichtend als geografisch geconcentreerd is (vaak in politiek gevoelige regio’s). Bestaande pogingen om REE’s uit steenkoolafval te halen – de slurry van gesteente en water die overblijft bij de mijnbouw – worden gehinderd door een lage efficiëntie. De REE’s zitten opgesloten in hardnekkige kleimineralen, waardoor scheiding uiterst uitdagend wordt. Deze inefficiëntie is een cruciaal knelpunt: de vraag naar hernieuwbare grondstoffen stijgt enorm als gevolg van de energietransitie en hightech productie, maar de toeleveringsketens blijven kwetsbaar.
Hoe het nieuwe proces werkt
Het team van de Northeastern University heeft een tweestapsproces ontwikkeld dat de extractieopbrengsten dramatisch verbetert. Eerst worden steenkoolresten “gekookt” in een alkalische oplossing terwijl ze worden verwarmd met microgolven. Dit verandert de structuur van de mineralen die de REE’s omhullen, waardoor ze poreuzer worden. Ten tweede scheidt een salpeterzuurbehandeling de REE’s van het resterende gesteente.
Volgens de onderzoekers is alkalische voorbehandeling vóór de zuurvertering de sleutel. “De resultaten laten zien dat de alkalische voorbehandeling van steenkoolafval voorafgaand aan de zuurvergisting de REE-extractie-efficiëntie aanzienlijk beïnvloedt, met minimale extractie in de alkalische oplossing”, schrijven ze. Deze combinatie zorgt voor een 3x hogere efficiëntie vergeleken met bestaande methoden.
Waarom dit belangrijk is: schaal en duurzaamheid
De potentiële impact is enorm. Schattingen suggereren dat uit elke 1,5 miljard ton steenkoolafval meer dan 600 kiloton REEs gewonnen zou kunnen worden – en de VS alleen al bezit ongeveer 2 miljard ton van dit afval in Pennsylvania. Dit gaat niet alleen over efficiëntie; het gaat over het omzetten van een verplichting (stapels giftig afval) in een bezit (kritieke materialen).
Het proces richt zich specifiek op neodymium, een sleutelelement in krachtige magneten die worden gebruikt in elektrische auto’s, windturbines en harde schijven. Het opschalen hiervan zou de afhankelijkheid van traditionele mijnbouw verminderen, de veerkracht van de toeleveringsketen verbeteren en mogelijk de kosten van groene technologieën verlagen.
Resterende uitdagingen
Hoewel veelbelovend, stuit de wijdverbreide implementatie op hindernissen. Het extractieproces is nog steeds duur en vereist raffinage op basis van de minerale samenstelling van specifieke afzettingen van steenkoolafval. Bovendien bevatten steenkoolafval andere waardevolle elementen, zoals magnesium, die idealiter tegelijkertijd zouden worden gewonnen om de economische levensvatbaarheid te maximaliseren. Deze complexiteit betekent dat implementatie op industriële schaal tijd en verder onderzoek zal vergen.
Niettemin vertegenwoordigt de doorbraak een belangrijke stap voorwaarts in het ontsluiten van een enorme, onderbenutte hulpbron. De vraag naar REE’s zal alleen maar toenemen, en deze nieuwe aanpak biedt “nieuwe inzichten in de mechanismen van het vrijkomen van REE en het potentieel voor het optimaliseren van de alkalische voorbehandeling van steenkoolafval voor efficiënte REE-extractie.”
