Kan kulaske være en levedygtig kilde til sjældne jordarters metaller?

Sjældne jordarters elementer, herunder neodym og yttrium, er faktisk ikke sjældne - mere almindelige, faktisk, i Jordskorpen end kobber og tin. Men, fordi de er spredt vidt, og svært at adskille fra deres omgivende malme, minedrift og raffinering af dem er svært.

Sjældne jordarter er værdifulde, også. De har unikke egenskaber, der gør dem nyttige i moderne energi og elektroniske produkter. Elbiler og vindmøller har brug for højtydende elmotorer og generatorer, som igen kræver stærke magneter lavet af neodym og dysprosium. Yttrium, terbium og europium er nøglen til energieffektive farvedisplay på bærbar computer, mobiltelefon og tv -skærme. Lanthanum er afgørende for kameralinser af høj kvalitet, og cerium fungerer som en katalysator i bilkatalysatorer. Forskere leder efter alternativer og substitutter, men det er ikke klart, at der er nogen.

De fleste sjældne jordarter - 85 procent af verdens forsyning - produceres i Kina. Den sidste amerikanske sjældne jordminer lukkede i 2015, forlader landet afhængigt af import - og sårbart når, som skete i 2010, Kina stoppede al eksport af sjældne jordarter i en handelskonflikt.

Det faktum, at en handelskrig igen kunne afbryde forsyninger med sjældne jordarter, har fået nogle mennesker til at overveje at genåbne amerikanske miner. Men vores forskning har identificeret en anden mulighed:udvinding af sjældne jordarter fra kulaske, et rigeligt affaldsprodukt med relativt høje koncentrationer af disse nøgleelementer.

Kulaske som kilde

Som et biprodukt ved afbrænding af kul til fremstilling af elektricitet, USA producerer næsten 80 millioner tons kulaske om året. Omkring 43 procent af det bruges som en ingrediens i cement og til at berige jorden med makro- og mikronæringsstoffer. Resten går til lossepladser eller blandes med vand og opbevares i åbne jordgrave kaldet indeslutningsdamme.

At kulaske indeholder rimelige mængder sjældne jordarter, især scandium og neodym. I aske fra nogle typer kul, koncentrationerne af sjældne jordarter er hele 100 gange højere, end når de findes naturligt i jordskorpen.

Forskning, delvist finansieret af statens penge, har fundet mindst tre måder at udvinde sjældne jordarter fra kulaske, selvom ingen endnu er kommercielt levedygtige. De to første metoder, ved hjælp af syrer og specielle bakterier, enten er for dyrt eller for tidskrævende og derfor usandsynligt at være praktisk i industriel skala.

En tredje rute, som vores forskning udforsker, bruger opvarmet, komprimeret kuldioxid for selektivt at opløse og ekstrahere de sjældne jordarter. Denne form for kuldioxid, kaldet "superkritisk, "har flere applikationer, herunder i fødevareindustrien, fjernelse af koffein fra kaffebønner.

Brug af kuldioxid

Vores forskning har fundet en mulig vej til rentabilitet for at udvinde sjældne jordarter fra kulaske ved hjælp af superkritisk kuldioxid. Der er stadig betydelige udfordringer, selvom.

Først, processen har brug for andre kemikalier. Kuldioxid er relativt billigt, men det kan ikke hjælpe sjældne jordarter til at klumpe sig sammen og adskille sig fra de andre elementer i kulaske. At gøre det vil sandsynligvis kræve et dyrt kemikalie, såsom tributylphosphat. Forskere bliver nødt til at finde måder at bruge så lidt af det som muligt for at holde omkostningerne nede.

Sekund, processen skal være særlig effektiv til ekstraktion af scandium og neodym, som er særligt værdifulde. Mange kulaske har masser af disse elementer - men ikke alle, hvilket rejser den tredje udfordring.

Nogle kulkilder - og derfor asken, når det kul bliver brændt - har flere sjældne jordarter end andre. Vi fandt ud af, at værdien af ​​sjældne jordarter i et enkelt ton kulaske kan variere fra US $ 99 på et kulværk i Ohio til $ 534 på et anlæg i West Virginia. Med ekstraktionsomkostninger forventes at ligge mellem $ 380 og $ 1, 200 pr. Ton, ikke alle kulværks aske vil være et rentabelt sted at finde sjældne jordarter.

Beskæftiger sig med resterne

Efter at de sjældne jordarter er ekstraheret, hvor det er muligt - og rentabelt - behøver resten af ​​kulasken ikke at blive håndteret anderledes end det allerede er. Men det ville hjælpe kulindustrien med at tage et skridt mod en "cirkulær økonomi, "hvor alt, hvad en proces genererer som affald, kan bruges som råstof i en anden proces. Yderligere, kuldioxid og andre kemikalier, der er nødvendige for ekstraktion af sjældne jordarter, kan genbruges, reducere affald fra selve processen.

Denne metode ville give kulindustrien en ekstra indkomststrøm - hvilket sandsynligvis ikke ville vende dens tilbagegang, men kunne give kul en anden strategisk rolle i landets økonomi, selvom dens anvendelse som energikilde slutter.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.