De inhoud van zeldzame aardelementen in Amerikaanse steenkoolassen toont aan dat steenkoolmijnen uit de Appalachen de spreekwoordelijke gouden gans zouden kunnen zijn voor moeilijk te vinden materialen die essentieel zijn voor schone energie en andere opkomende technologieën.

In de nasleep van een lekkage van steenkoolas in 2014 in de Dan-rivier in North Carolina door een gescheurde afvoerleiding, is de vraag wat te doen met de verouderde retentievijvers van het land en het toekomstige afval van steenkoolas een controversieel onderwerp.

Een bijzonder ondernemend idee is om zogenaamde "kritieke" zeldzame aardmetalen zoals neodymium, europium, terbium, dysprosium, yttrium en erbium uit de verbrande steenkool te halen. Het ministerie van Energie heeft deze wereldwijd schaarse metalen geïdentificeerd als een prioriteit voor hun gebruik in schone energie en andere opkomende technologieën. Maar hoeveel van deze elementen er precies in verschillende bronnen van steenkoolas in de VS zitten, was nooit onderzocht.

Delen per miljoen

Onderzoekers van Duke University hebben het gehalte aan zeldzame aardmetalen gemeten in monsters van steenkoolas die elke grote steenkoolbron in de Verenigde Staten vertegenwoordigen. Ze keken ook hoeveel van deze elementen uit as konden worden gehaald met behulp van een gebruikelijke industriële techniek.

De resultaten, online gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Science and Technology, laten zien dat steenkool uit de Appalachen de meest zeldzame aardmetalen bevat. Als extractietechnologieën echter goedkoop genoeg waren, zijn er ook tal van zeldzame aardmetalen te vinden in andere bronnen.

"Het ministerie van Energie investeert 20 miljoen dollar in onderzoek naar extractietechnologieën voor steenkoolafval, en er zitten letterlijk miljarden dollars aan zeldzame aardmetalen in de steenkoolas van ons land", zegt Heileen Hsu-Kim, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek.

"Als een programma verder zou gaan, zouden ze duidelijk de steenkoolas willen kiezen met de hoogste hoeveelheid extraheerbare zeldzame aardmetalen, en ons werk is de eerste uitgebreide studie die begint met het onderzoeken van de opties."

De onderzoekers namen kolenasmonsters van energiecentrales die voornamelijk in het Amerikaanse middenwesten staan ​​en die steenkool verbranden uit het hele land, waaronder de drie grootste bronnen: de Appalachian Mountains, het zuiden en westen van Illinois, en het Powder River Basin in Wyoming en Montana. Het gehalte aan zeldzame aardmetalen werd vervolgens getest met behulp van fluorwaterstofzuur, dat veel sterker en efficiënter is dan industriële methoden, maar te gevaarlijk is om op grote schaal te gebruiken.

De resultaten toonden aan dat as verzameld uit Appalachian Mountain-steenkool de hoogste hoeveelheid zeldzame aardelementen bevat met 591 milligram per kilogram (of delen per miljoen). As uit Illinois en de Powder River Basin bevatten respectievelijk 403 mg/kg en 337 mg/kg.

Herstelmethode nodig

De onderzoekers gebruikten vervolgens een gebruikelijke industriële extractietechniek met salpeterzuur om te zien hoeveel van de zeldzame aardmetalen kon worden teruggewonnen. Steenkoolas uit de Appalachian Mountains zag de laagste extractiepercentages, terwijl as uit het Powder River Basin de hoogste zag. Hsu-Kim denkt dat dit komt doordat de zeldzame aardmetalen in de steenkoolas van de Appalachian Mountain zijn ingekapseld in een glasachtige matrix van aluminiumsilicaten, waarvan salpeterzuur niet goed oplost.

"Een reden om steenkoolas uit de Appalachian Mountains te halen, zou zijn vanwege het hoge gehalte aan zeldzame aardelementen, maar je zou een andere herstelmethode moeten gebruiken dan salpeterzuur", zegt Hsu-Kim. "Voor elke toekomstige onderneming om een ​​extractieprogramma te starten, moet de herstelmethode worden afgestemd op de specifieke chemie van de gebruikte steenkoolas."

Onderzoekers probeerden ook de koolas te "roosteren" met een alkalisch middel voordat ze werden opgelost met salpeterzuur. Hoewel het proces niet was geoptimaliseerd voor hersteldoeleinden, toonden de tests een duidelijke verbetering van de extractie-efficiëntie.

"De reagentia die we gebruikten zijn waarschijnlijk te duur om op industriële schaal te gebruiken, maar er zijn veel vergelijkbare chemicaliën", zegt Hsu-Kim. “De kunst is om onze opties te verkennen en technologieën te ontwikkelen om de kosten te drukken. Op die manier kunnen we deze enorme hulpbron aanboren die momenteel alleen maar in afvalvijvers rondslingert.”

De National Science Foundation, de Environmental Research and Education Foundation en de American Coal Ash Association financierden het werk.

Bron: Duke University

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon