Elementele de pământuri rare din sterilul de cărbune: o metodă de extracție mai eficientă

Elementele de pământuri rare sunt integrate într-o mulțime de tehnologii actuale, de la turbine eoliene la telefoane mobile. Chiar dacă, în realitate, aceste elemente nu sunt neapărat „rare”, separarea lor din roci și obținerea unei purități ridicate rămân procese complicate și costisitoare.

O echipă coordonată de cercetători de la Universitatea Nord-Estică din SUA a propus o tehnică nouă prin care elementele de pământuri rare pot fi recuperate din deșeurile rămase după exploatările de cărbune, cu o eficiență care poate ajunge până la de trei ori peste metodele folosite în prezent.

De ce sterilul de cărbune a devenit o „mină” nefolosită pentru elemente de pământuri rare

Deșeul vizat, cunoscut drept steril de cărbune, este un amestec de rocă măcinată fin, apă și particule de cărbune. Cantități uriașe din acest material se adună în iazuri și gropi special amenajate, tocmai pentru a limita riscul de contaminare a mediului.

În Statele Unite, o parte din acest steril ajunge ulterior ca material de umplutură în produse pentru construcții, iar restul este depozitat sau aruncat. Estimările indică faptul că, din aproximativ 1,5 miliarde de tone de astfel de material depozitat, s-ar putea recupera peste 600.000 de tone de elemente de pământuri rare - un obiectiv pe care procedeele existente l-au atins greu, din cauza randamentelor modeste.

Pretratare alcalină, încălzire cu microunde și acid azotic: pașii cheie ai metodei

Noua schemă de extracție este construită în jurul a două etape principale:

1. „Gătirea” sterilului de cărbune într-o soluție alcalină, în timp ce materialul este încălzit cu microunde.
2. Tratarea ulterioară cu acid azotic, pentru a separa elementele de pământuri rare de restul fracției minerale.

Cercetătorii arată că pretratarea alcalină aplicată înaintea digestiei acide are un impact puternic asupra randamentului: eliberarea elementelor de pământuri rare în soluția alcalină este redusă, însă această etapă pregătește materialul astfel încât digestia acidă devine mult mai eficientă.

Cum crește eficiența: modificarea mineralelor care „închid” elementele de pământuri rare

Recuperarea elementelor de pământuri rare din sterilul de cărbune presupune, de fapt, desprinderea lor din mineralele argiloase care le înconjoară strâns. Tocmai această „încapsulare” minerală a făcut ca multe metode mai vechi să dea rezultate slabe și i-a împins pe cercetători să caute surse alternative.

Prin combinarea pretratării alcaline cu încălzirea cu microunde, structura mineralelor care învelesc elementele se transformă: sterilul trece către o formă mai poroasă, ceea ce facilitează pătrunderea reactivilor și eliberarea elementelor de pământuri rare în etapa acidă.

După cum explică biologul chimist Damilola Daramola, intervenția nu se rezumă la o simplă spălare chimică, ci produce o schimbare reală în arhitectura solidă a materialului, iar această modificare structurală stă la baza creșterii de eficiență.

Neodimul și miza practică a elementelor de pământuri rare

Printre elementele recuperate se află neodimul, utilizat la fabricarea magneților de mare putere. Astfel de magneți sunt esențiali în numeroase aplicații, inclusiv în automobile electrice, unități de stocare pentru calculatoare și turbine eoliene - componente importante pentru infrastructura modernă și pentru tranziția către tehnologii mai verzi.

În plus, diversificarea surselor de aprovizionare cu elemente de pământuri rare are o valoare strategică: lanțurile globale sunt sensibile la variații de preț, restricții comerciale și capacități limitate de rafinare. Valorificarea sterilului de cărbune ar putea reduce presiunea asupra extracției primare și ar putea sprijini dezvoltarea unor fluxuri locale de materii prime.

Obstacole rămase: costuri, scalare și compoziții diferite de la un loc la altul

Rezultatele par încurajatoare, însă autorii subliniază că mai există dificultăți serioase. Chiar dacă eficiența poate fi considerabil mai bună, procesul rămâne scump, iar trecerea de la laborator la instalații industriale poate fi complicată.

Deși sterilul de cărbune este disponibil din abundență - de exemplu, numai în statul Pennsylvania se menționează în jur de 2 miliarde de tone rămase - compoziția minerală diferă de la o regiune la alta. Asta înseamnă că metoda ar necesita ajustări și optimizări specifice fiecărui tip de rocă și fiecărui amplasament.

Un alt aspect practic este faptul că sterilul conține și alte elemente utile, precum magneziul, iar într-un scenariu ideal acestea ar fi recuperate concomitent cu elementele de pământuri rare. Integrarea unei astfel de co-extracții adaugă încă un set de cerințe tehnice ce trebuie luate în calcul.

Totodată, valorificarea acestui tip de deșeu poate aduce beneficii de mediu, dacă este gestionată corect: reducerea volumelor depozitate în iazuri, scăderea riscului de dispersie a particulelor fine și, potențial, diminuarea impactului pe termen lung al siturilor miniere abandonate. Pentru aplicare pe scară largă, va fi importantă și evaluarea amprentei totale (energie, reactivi, neutralizarea soluțiilor acide și alcaline) astfel încât câștigul de resurse să nu vină cu costuri ecologice disproporționate.

De ce contează: cererea crește, iar eficiența mai mare schimbă ecuația

Chiar și cu aceste rezerve, o creștere puternică a eficienței de extracție merită atenție: cererea pentru elemente de pământuri rare este la un nivel fără precedent și, cel mai probabil, va continua să urce în anii următori.

Autorii notează că metoda propusă clarifică mecanismele prin care elementele de pământuri rare sunt eliberate din matricea minerală și indică direcții concrete pentru optimizarea pretratării alcaline a deșeurilor de cărbune, în vederea unei extracții eficiente.

Cercetarea a fost publicată în revista Știința mediului și tehnologie.