Zawartość pierwiastków ziem rzadkich w popiołach węglowych ze Stanów Zjednoczonych pokazuje, że węgiel wydobywany w Appalachach może być przysłowiową złotą gęsią dla trudno dostępnych materiałów o kluczowym znaczeniu dla czystej energii i innych wschodzących technologii.
W następstwie wycieku popiołu węglowego w 2014 r. do rzeki Dan w Północnej Karolinie z przerwanej rury odwadniającej, pytanie, co zrobić ze starzejącymi się w kraju stawami retencyjnymi i przyszłymi odpadami popiołu węglowego, stało się kontrowersyjnym tematem.
Jednym ze szczególnie przedsiębiorczych pomysłów jest wydobycie tak zwanych „krytycznych” pierwiastków ziem rzadkich, takich jak neodym, europ, terb, dysproz, itr i erb ze spalonego węgla. Departament Energii uznał te metale deficytowe na całym świecie za priorytet dla ich wykorzystania w czystej energii i innych nowych technologiach. Ale dokładnie, ile z tych pierwiastków jest zawartych w różnych źródłach popiołu węglowego w USA, nigdy nie zostało zbadane.
Części na milion
Naukowcy z Duke University zmierzyli zawartość pierwiastków ziem rzadkich w próbkach popiołu węglowego z każdego głównego źródła węgla w Stanach Zjednoczonych. Przyjrzeli się również, ile z tych pierwiastków można wydobyć z popiołu przy użyciu typowej techniki przemysłowej.
Wyniki opublikowane online w czasopiśmie Nauka i technologia ochrony środowiskapokazują, że węgiel z Appalachów zawiera najwięcej pierwiastków ziem rzadkich. Jeśli jednak technologie wydobycia były wystarczająco tanie, istnieje wiele pierwiastków ziem rzadkich, które można znaleźć również w innych źródłach.
„Departament Energii inwestuje 20 milionów dolarów w badania nad technologiami wydobycia odpadów węglowych, a w popiele węglowym naszego kraju znajdują się dosłownie miliardy dolarów pierwiastków ziem rzadkich”, mówi Heileen Hsu-Kim, profesor cywilny i cywilny. inżynieria środowiska.
„Gdyby program miał iść do przodu, wyraźnie chcieliby wybrać popiół węglowy o największej ilości możliwych do wydobycia pierwiastków ziem rzadkich, a nasza praca jest pierwszym kompleksowym badaniem, które rozpoczyna badanie opcji”.
Naukowcy pobrali próbki popiołu węglowego z elektrowni zlokalizowanych głównie na Środkowym Zachodzie Ameryki, które spalają węgiel pochodzący z całego kraju, w tym z trzech największych źródeł: Appalachów, południowego i zachodniego Illinois oraz Powder River Basin w Wyoming i Montanie. Zawartość pierwiastków ziem rzadkich zbadano następnie przy użyciu kwasu fluorowodorowego, który jest znacznie silniejszy i wydajniejszy niż metody przemysłowe, ale jest zbyt niebezpieczny do stosowania na dużą skalę.
Wyniki pokazały, że popiół zebrany z węgla Appalachów zawiera największą ilość pierwiastków ziem rzadkich – 591 miligramów na kilogram (lub części na milion). Popiół z Illinois i Powder River Basin zawiera odpowiednio 403 mg/kg i 337 mg/kg.
Potrzebna metoda odzyskiwania
Następnie naukowcy zastosowali powszechną technikę ekstrakcji przemysłowej wykorzystującą kwas azotowy, aby sprawdzić, ile pierwiastków ziem rzadkich można odzyskać. Popiół węglowy z Appalachów odnotował najniższy procent wydobycia, podczas gdy popiół z Basenu Rzeki Powder odnotował najwyższy. Hsu-Kim uważa, że może to być spowodowane tym, że pierwiastki ziem rzadkich w popiele węgla z Appalachów są zamknięte w szklistej matrycy krzemianów glinu, których kwas azotowy nie rozpuszcza się zbyt dobrze.
„Jednym z powodów, aby zbierać popiół węglowy z Appalachów, byłaby wysoka zawartość pierwiastków ziem rzadkich, ale musiałbyś użyć innej metody odzyskiwania niż kwas azotowy” – mówi Hsu-Kim. „Aby jakiekolwiek przyszłe przedsięwzięcie rozpoczęło program wydobywczy, metoda odzyskiwania będzie musiała być dostosowana do specyficznej chemii używanego popiołu węglowego”.
Badacze próbowali również „prażać” popiół węglowy środkiem alkalicznym przed rozpuszczeniem go w kwasie azotowym. Mimo że proces nie został zoptymalizowany pod kątem odzysku, testy wykazały wyraźną poprawę wydajności ekstrakcji.
„Użyte przez nas odczynniki są prawdopodobnie zbyt drogie do stosowania na skalę przemysłową, ale istnieje wiele podobnych chemikaliów”, mówi Hsu-Kim. „Sztuką będzie zbadanie naszych opcji i opracowanie technologii w celu obniżenia kosztów. W ten sposób możemy skorzystać z tego ogromnego zasobu, który obecnie znajduje się w stawach utylizacyjnych”.
Prace sfinansowały National Science Foundation, Environmental Research and Education Foundation oraz American Coal Ash Association.
Źródło: Duke University
Powiązane książki
at Rynek wewnętrzny i Amazon
