Редкоземельные элементы (РЗЭ) лежат в основе современных технологий, обеспечивая работу всего: от ветряных турбин и смартфонов до электромобилей. Несмотря на то что они не являются по-настоящему редкими в земной коре, их эффективное извлечение сопряжено с огромными трудностями и затратами. Теперь команда из Северо-Восточного университета представила прорывной метод, который может кардинально изменить экономику добычи РЗЭ, используя колоссальные объемы угольных отходов, уже накопленных по всему миру.
Проблема с текущими методами извлечения
Традиционная добыча РЗЭ зависит от разработки специализированных месторождений — процесса, который наносит вред окружающей среде и географически сконцентрирован (часто в политически нестабильных регионах). Существующие попытки извлечения РЗЭ из угольных хвостов — шламовых отходов, остающихся после добычи угля — тормозились низкой эффективностью. РЗЭ заключены в упрямые глинистые минералы, что делает их отделение чрезвычайно сложным. Эта неэффективность является критическим узким местом: спрос на РЗЭ стремительно растет из-за перехода к чистой энергии и высокотехнологичного производства, но цепочки поставок остаются хрупкими.
Как работает новый процесс
Команда Северо-Восточного университета разработала двухступенчатый процесс, который значительно повышает выход извлечения. Сначала угольные хвосты «варят» в щелочном растворе при воздействии микроволн. Это изменяет структуру минералов, заключающих РЗЭ, делая их более пористыми. Затем обработка азотной кислотой отделяет РЗЭ от оставшейся породы.
По словам исследователей, предварительная щелочная обработка перед кислотным выщелачиванием является ключевым фактором. «Результаты показывают, что щелочная предварительная обработка угольных хвостов перед кислотным выщелачиванием значительно влияет на эффективность извлечения РЗЭ, при этом извлечение в щелочном растворе минимально», — пишут они. Эта комбинация обеспечивает трехкратное повышение эффективности по сравнению с существующими методами.
Почему это важно: масштаб и устойчивость
Потенциальное воздействие огромно. По оценкам, из каждых 1,5 миллиарда тонн угольных отходов можно извлечь более 600 килотонн РЗЭ, а в США на территории Пенсильвании накоплено около 2 миллиардов тонн этих отходов. Речь идет не только об эффективности, но и о превращении недостатка (токсичные отвалы) в актив (критически важные материалы).
Процесс специально нацелен на неодим — ключевой элемент в высокопрочных магнитах, используемых в электромобилях, ветряных турбинах и жестких дисках. Масштабирование этого позволит снизить зависимость от традиционной добычи, повысить устойчивость цепочек поставок и потенциально снизить стоимость зеленых технологий.
Остающиеся проблемы
Несмотря на перспективность, широкое внедрение сталкивается с препятствиями. Процесс извлечения по-прежнему дорог и требует доработки в зависимости от минерального состава конкретных угольных отходов. Кроме того, угольные хвосты содержат другие ценные элементы, такие как магний, которые в идеале следует извлекать одновременно для максимальной экономической жизнеспособности. Эти сложности означают, что промышленное внедрение займет время и потребует дальнейших исследований.
Тем не менее, прорыв представляет собой значительный шаг вперед в раскрытии огромного, неиспользованного ресурса. Спрос на РЗЭ будет только расти, и этот новый подход предоставляет «новые сведения о механизмах высвобождения РЗЭ и потенциале оптимизации щелочной предварительной обработки угольных отходов для эффективного извлечения РЗЭ».
