Pierwiastki ziem rzadkich (REE) stanowią serce nowoczesnej technologii, napędzającej wszystko, od turbin wiatrowych i smartfonów po pojazdy elektryczne. Chociaż nie są one rzadkie w skorupie ziemskiej, skuteczne ich wydobycie jest niezwykle trudne i kosztowne. Teraz zespół z Northeastern University zaprezentował przełomową metodę, która może zrewolucjonizować ekonomikę wydobycia REE poprzez wykorzystanie kolosalnych ilości odpadów węglowych zgromadzonych już na całym świecie.
Problem z obecnymi metodami ekstrakcji
Tradycyjne wydobycie REE opiera się na zagospodarowaniu wyspecjalizowanych złóż, co jest procesem szkodliwym dla środowiska i skoncentrowanym geograficznie (często w regionach niestabilnych politycznie). Istniejące próby ekstrakcji REE z odpadów węglowych – osadu pozostałego po wydobyciu węgla – zostały utrudnione ze względu na niską wydajność. REE są otoczone uporczywymi minerałami ilastymi, co sprawia, że ich separacja jest niezwykle trudna. Ta nieefektywność stanowi krytyczne wąskie gardło: Popyt na REE gwałtownie rośnie ze względu na przejście na czystą energię i zaawansowaną technologię produkcji, ale łańcuchy dostaw pozostają niestabilne.
Jak działa nowy proces
Zespół Northeastern University opracował dwuetapowy proces, który znacznie zwiększa wydajność ekstrakcji. Najpierw odpady węglowe są „gotowane” w roztworze zasadowym pod wpływem mikrofal. Zmienia to strukturę minerałów zawierających REE, czyniąc je bardziej porowatymi. Następnie traktowanie kwasem azotowym oddziela REE od pozostałej skały.
Zdaniem naukowców kluczowa jest wstępna obróbka alkaliczna przed ługowaniem kwasem. „Wyniki wskazują, że alkaliczna obróbka wstępna odpadów węglowych przed ługowaniem kwasem znacząco wpływa na wydajność odzyskiwania REE, przy minimalnym odzyskiwaniu w roztworze alkalicznym” – piszą. To połączenie zapewnia trzykrotny wzrost wydajności w porównaniu do istniejących metod.
Dlaczego to ma znaczenie: skala i zrównoważony rozwój
Potencjalny wpływ jest ogromny. Szacuje się, że z każdych 1,5 miliarda ton odpadów węglowych można wydobyć ponad 600 kiloton REE, a w Stanach Zjednoczonych w Pensylwanii zgromadzono około 2 miliardy ton tych odpadów. Nie chodzi tylko o wydajność, ale także o przekształcenie zobowiązania (odpadów toksycznych) w aktywa (materiały krytyczne).
Celem procesu jest w szczególności neodym, kluczowy element magnesów o dużej wytrzymałości stosowanych w pojazdach elektrycznych, turbinach wiatrowych i dyskach twardych. Zwiększenie skali zmniejszyłoby zależność od tradycyjnego górnictwa, poprawiło odporność łańcucha dostaw i potencjalnie obniżyło koszty ekologicznych technologii.
Pozostałe problemy
Chociaż obiecujące, powszechne przyjęcie napotyka na przeszkody. Proces ekstrakcji jest nadal kosztowny i wymaga modyfikacji w zależności od składu mineralnego konkretnego odpadu węglowego. Ponadto odpady węglowe zawierają inne cenne pierwiastki, takie jak magnez, który w idealnym przypadku powinien być wydobywany jednocześnie, aby zapewnić maksymalną opłacalność ekonomiczną. Te zawiłości oznaczają, że wdrożenie przemysłowe będzie wymagało czasu i dalszych badań.
Jednak przełom ten stanowi znaczący krok naprzód w odblokowaniu ogromnego, niewykorzystanego zasobu. Zapotrzebowanie na REE będzie tylko rosło, a to nowe podejście zapewnia „nowy wgląd w mechanizmy uwalniania REE i potencjał optymalizacji wstępnej obróbki alkalicznej odpadów węglowych w celu wydajnego odzysku REE”.
