Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak neodym czy itr, nie są w rzeczywistości takie rzadkie. Okazuje się, że powszechnie występują w skorupie ziemskiej. Są jednak bardzo rozproszone i trudne do oddzielenia od otaczających ich rud.

Pierwiastki te są bardzo cenne. Mają unikalne właściwości, dzięki którym są przydatne w nowoczesnych produktach energetycznych i elektronicznych. Pojazdy elektryczne i turbiny wiatrowe potrzebują wysokowydajnych silników elektrycznych i generatorów, które z kolei wymagają silnych magnesów wykonanych z neodymu i dysprozu. Itr, terb i europ są podstawą do tworzenia energooszczędnych, kolorowych wyświetlaczy do laptopów, telefonów komórkowych czy ekranów telewizyjnych. Lantan ma kluczowe znaczenie dla wysokiej jakości obiektywów, a cer działa jako katalizator w motoryzacyjnych katalizatorach. Dlatego naukowcy z zaangażowaniem szukają alternatyw i substytutów dla tych pierwiastków.

Większość pierwiastków ziem rzadkich – 85% światowego zaopatrzenia wydobywane jest w Chinach. Ostatnia amerykańska kopalnia metali ziem rzadkich została zamknięta w 2015 r. Z tego powodu gospodarka USA jest podatna na zagrożenia, takie jak miało miejsce w 2010 roku, kiedy Chiny wstrzymały eksport wszystkich metali ziem rzadkich w wyniku konfliktu handlowego.

Fakt, że kolejna wojna handlowa może ponownie odciąć dostawy metali ziem rzadkich, skłonił niektórych ludzi do rozważenia wznowienia działalności kopalń USA. Ale pewne badania wskazują na jeszcze inną możliwość, czyli wydobywanie tych pierwiastków z popiołu węglowego, łatwo dostępnego produktu odpadowego o stosunkowo wysokich stężeniach tych kluczowych elementów.

Popiół węglowy jako źródło

Popiół węglowy to produkt uboczny spalania węgla w produkcji elektryczności. USA produkuje prawie 80 milionów ton tego popiołu rocznie. Około 43% tego jest wykorzystywane jako składnik cementu, czy w celu wzbogacania gleb w makro i mikroelementy. Reszta trafia na wysypiska lub zostaje zmieszana z wodą i przechowywana w otwartych zagłębieniach naziemnych – specjalnych zbiornikach retencyjnych.

Ten popiół zawiera całkiem duże ilości pierwiastków ziem rzadkich, w szczególności skandu i neodymu. W popiele z niektórych rodzajów węgla ich stężenia jest aż 100 razy wyższe niż średnia wartość dla skorupy ziemskiej.

Badania, finansowane częściowo z pieniędzy rządowych, wykazały co najmniej trzy sposoby wydobywania tych metali z popiołu węglowego, chociaż żadna z nich nie jest do końca opłacalna. Pierwsze dwie metody wykorzystują kwasy oraz specjalne bakterie, ale niestety są one albo zbyt drogie, albo zbyt czasochłonne. Mało prawdopodobne jest więc praktyczne ich wykorzystanie.

Trzecia metoda odzysku tych pierwiastków z popiołu wykorzystuje ogrzewany, sprężony dwutlenek węgla do selektywnego rozpuszczania i ekstrakcji metali ziem rzadkich. Ta forma dwutlenku węgla, tak zwana nadkrytyczna, ma wiele zastosowań, w tym na przykład w przemyśle spożywczym do usuwania kofeiny z ziaren kawy.

Używanie dwutlenku węgla

Zrealizowane przez naukowców badania pozwoliły na opracowanie potencjalnej drogi do opłacalnego wydobywania metali ziem rzadkich z popiołu węglowego za pomocą nadkrytycznego dwutlenku węgla. Nadal istnieją jednak poważne wyzwania związane ze stosowaniem tej metody.

Po pierwsze, proces ten wymaga także innych substancji chemicznych. Dwutlenek węgla jest stosunkowo tani, ale sam nie umożliwi grudkom ziem rzadkich łączyć się razem i oddzielać od pozostałych pierwiastków w popiele węglowym. Aby to zrealizować, prawdopodobnie konieczne będzie wykorzystanie jakiejś kosztownej substancji chemicznej, takiej jak na przykład fosforan tributylu. Naukowcy muszą więc znaleźć sposoby, aby obniżyć koszty całego procesu.

Po drugie, proces ten musi być szczególnie skuteczny przy wydobywaniu skandu i neodymu, które są szczególnie cenne. Wiele popiołów węglowych ma sporą ilość tych elementów – ale nie wszystkie, co stawia przed naukowcami trzecie wyzwanie.

Niektóre źródła węgla, a zatem i popiołu, gdy ten węgiel jest spalany, mają więcej metali ziem rzadkich w swoim składzie niż inne. Okazało się, że wartość pierwiastków ziem rzadkich w jednej tonie popiołu węglowego może wahać się od 99 dolarów w elektrowni węglowej w Ohio do 534 dolarów w fabryce w stanie Wirginia Zachodnia. Szacuje się, że koszty wydobycia tych metali z popiołu to od 380 do 1200 dolarów za tonę, więc nie każdy popiół z elektrowni węglowej będzie opłacalnym surowcem do wydobywania pierwiastków ziem rzadkich.

Radzenie sobie z resztkami

Po wydobyciu ziem rzadkich tam, gdzie to możliwe i przynosi zyski, reszta popiołu węglowego może być traktowana dokładnie tak samo, jak obecnie. Mimo to pomoże to przemysłowi węglowemu zrobić krok w kierunku tzw. gospodarki o obiegu zamkniętym, w której wszystkie odpady powstał podczas jednego procesu, mogą być wykorzystane jako surowiec w kolejnym procesie. Ponadto w zaproponowanej dwutlenek węgla i inne chemikalia potrzebne do ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich mogą być ponownie wykorzystane, co zmniejsza ilość odpadów z samego procesu ekstrakcji.

Metoda ta dałaby sektorowi węglowemu dodatkowy strumień dochodów, który prawdopodobnie nie wpłynie na zahamowanie spadających cen tego surowca, ale dodatkowo mógłby nadać mu inną strategiczną rolę w gospodarce.

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.