7 Minutės
Po kalnais išmestos kasybos atliekų gali slėptis netikėtas lobis, galintis sumažinti įtampą globaliuose tiekimo tinkluose: retieji žemės elementai. Tai ne kosminiai egzotikai priskiriami mineralai, tačiau smulkiai susmulkintose anglies apdorojimo liekanose — vadinamuose anglies šlakuose — randami metalai, būtini moderniai energetikai ir elektronikai. Kaip juos išgauti? Tai klausimas, į kurį bandė atsakyti Northeastern universiteto vadovaujama tyrėjų grupė; jų rezultatai gali pakeisti mūsų požiūrį į kasybą, perdirbimą ir aplinkos tvarkymą.
Retieji žemės elementai (REE) — tokie kaip neodimis, disprozis ir kiti — sudaro didelio stiprumo magnetų, elektrinių transporto priemonių variklių, vėjo turbinos generatorių ir kompaktiškos elektronikos pagrindą. Jie vadinami „retai“ ne tiek dėl išteklių trūkumo, kiek dėl geocheminio elgesio: šie elementai linkę prisijungti prie molio mineralų ir kitų šeimininkų, todėl jų išgavimas technologiškai sudėtingas ir dažnai brangus. Tradiciniai metodai sunkiai išlaisvina šiuos elementus iš mikroskopinių „narvų“, todėl paieškos kryptys link naujų rūdų telkinių ir, vis dažniau, link intensyvaus apdorojimo užsienyje.
Kaip veikia naujas metodas
Naujasis požiūris apjungia du etapus, keičiančius mineralinę matricą, laikančią REE. Pirma, tyrėjai mirko šlakas alkaliniame tirpale. Tada, šį išankstinį apdorojimą papildant mikrobangų energija, atliekamas rūgštinis atskyrimas — azoto rūgšties plovimas, kuris atskiria išsilaisvinusius retuosius elementus nuo likusio akmens. Rezultatas: porėta, pakeista kieta struktūra, kuri cheminės atskirties metu yra kur kas labiau nuolaidi nei originalus tankiai susijungęs molis.
Mikrobangos čia nėra virtuvinis trumpinys; laboratorijoje jos suteikia greitą, tūrinį šildymą, kuris efektyviau keičia mineralines tinkleles nei įprasti krosnių šildymo būdai. Alkalinis priešapdorojimas, matyt, „atsuka“ kristalines struktūras, sulaikančias REE, o mikrobangų šildymas pagreitina šį transformacijos procesą. Po azoto rūgšties etapo elementų, tokių kaip neodimis, atgavimas ženkliai pagerėja. Tyrime pranešama, kad išgavimo našumas kai kuriais atvejais buvo iki trijų kartų didesnis nei kai kurių esamų technikų.
Tyrėjai įspėja, kad taikytas išgavimo procesas gali būti sudėtingas pritaikyti mastui.
Toks našumo pagerėjimas turi realią reikšmę. Apskaičiavimai rodo, kad vien Jungtinėse Valstijose kiekvienas 1,5 milijardo tonų anglies šlako gali slėpti daugiau nei 600 kilotonų atgautinų REE. Pavyzdžiui, Pennsylvanijoje yra maždaug du milijardai papildomų tonų tokio tipo atliekų; visoje šalyje ir pasaulyje kiekiai yra milžiniški. Paverčiant šias prievoles ištekliais sumažėtų būtinumas naujoms kasykloms ir diversifikuotų tiekimo grandinę — strateginis pranašumas, ypač kylant švarios energijos technologijų paklausai.
Mokslinis kontekstas ir praktiniai iššūkiai
REE išgavimas iš šlakų nėra vien cheminė galvosūkis. Tai — medžiagų inžinerijos problema. Retieji žemės elementai dažnai yra adsorbuoti ant arba įkalinti smulkaus grūdėtumo molio mineralų ir geležies oksidų tinklų. Jų išlaisvinimas reikalauja suardyti ryšius nesukuriant naujų ekologinių pavojų. Northeastern grupės metodas taiko požiūrį į mineralinį šeimininką: alkalinis priešapdorojimas atpalaiduoja tą „laikymą“, mikrobangos spartina reakcijas, o azoto rūgštis atskiria elementus tolimesniam valymui.
Cheminis mechanizmas gali būti apibūdintas taip: hydroxidinės bazės (pvz., NaOH ar KOH sprendimai) reaguoja su molio mineralų paviršiais, neutralizuodamos protinį surišimą bei atlaisvindamos chemiškai prijungtus katijonus. Mikrobangų šildymas vietoje difuzinio, konvekcinio šildymo sukelia greitesnius temperatūros gradientus ir lokalizuotus energijos srautus kristalinėse gardelėse, todėl struktūriniai pokyčiai vyksta per trumpesnį laiką ir su mažesne energijos sąnauda vienam procesui, palyginti su ilgalaikiu conventional šildymu. Galutinį elementų atskyrimą užbaigia azoto rūgšties ekstrahavimas, kurio metu REE pereina į tirpalą, paruoštą tolesnei frakcionavimui naudojant jonų mainų, išgarinimo ar selektyviosios kompleksacijos metodus.
Vis dėlto šuolis nuo laboratorinio stalelio prie gamyklos yra ne mažas. Mikrobangų reaktyvų technologijų mastelio didinimas tūkstančiams tonų materialų kelia inžinerinius ir kaštų iššūkius: reikalingi pralaidūs mikrobangų reaktoriai, suderinti su kieta-medžiagine srauto valdymo sistema. Mineralogija smarkiai skiriasi tarp skirtingų šlako krūvų — net tarp gretimų eksploatacijos vietų — todėl vienas universalus procesas greičiausiai nebus optimalus visiems atvejams. Kai kuriose vietose šlakuose taip pat yra kitų vertingų metalų, pvz., magnio, manganeso ar molibdeno, kuriuos būtų tikslinga kartu atgauti; tai pagerintų ekonominį proceso pagrindimą, bet sudėtingintų dizainą ir atskyrimų strategiškumą.
Energetiniai balansai ir reagentų tvarkymas yra esminės praktinės srities dalys. Mikrobangų sistemos reikalauja elektroninės galios tiekimo su stabiliais dažniais ir valdymo algoritmais — didelės galios generatoriai turi būti efektyvūs, patikimi ir saugūs pramoniniam naudojimui. Rūgščių ir šarmų perdirbimas, regeneracija bei atliekų nuoseklus valdymas lemia ne tik ekonominius, bet ir aplinkosauginius rezultatus. Reagentų cirkuliacija, filtracijos sistemos ir stiklinės ar polimerinės statinės, atsparios agresyvioms terpėms, yra būtinos sudedamosios dalys.
"Mes matome, kad keičiasi šios medžiagos kietoji struktūra," sako Damilola Daramola, cheminė biologė iš Northeastern University ir tyrimų grupės narė, apibūdindama, kaip kombinuotas apdorojimas sukuria poringumą ir išlaisvina įkalintus elementus. Šis teiginys pabrėžia, kad tyrimai yra tiek apie medžiagų inžineriją, tiek apie chemiją — reikalingas tarpdisciplininis požiūris, jungiantis mineralogus, cheminių procesų inžinierius, energetiką ir aplinkosaugos specialistus.
Aplinkosaugos aspektai yra kertiniai. Šlakų perdirbimas galėtų sumažinti naujų kasyklų ekologinį pėdsaką, sumažinti rūdų transportą per vandenynus ir padaryti esamas atliekų saugyklas saugesnes, mažinant reaktyvių medžiagų kiekius. Tačiau reikalinga kruopšti gyvavimo ciklo vertinimo analizė (LCA): reikia įvertinti energijos sąnaudas, reagentų utilizacijos keliamas rizikas, galimą antrinį taršos pavojų ir palyginti tai su REE gavimo nauda. Be to, socialiniai ir reguliavimo veiksniai — leidimai, vietos bendruomenių priėmimas ir sveikatos bei saugos reikalavimai — turės būti sprendžiami projektuojant pritaikytas pramonines instaliacijas.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Lena Ortiz, medžiagų mokslų specialistė, tyrinėjanti kritinius mineralus, komentuoja: "Inovacijos, tokios kaip mikrobangomis padedamas priešapdorojimas, žada, nes jos atakuoja pagrindinę problemą — REE, įstrigusius sudėtinguose mineraliniuose šeimininkuose. Vis dėlto perėjimas prie pramoninio masto reikalaus pilotinių gamyklų, apdorojimo adaptacijos į vietinę geologiją ir ekonominių modelių, kurie įvertintų kartu atgautus elementus bei aplinkosauginius pranašumus. Tai įdomus kelias, bet ne „įkišk ir dirbk“ sprendimas."
Ateities kelias apims techninį tobulinimą, pilotines demonstracijas ir pramonės susidomėjimą. Sėkmei pasiekti reikės integruoti mokslinius tyrimus, pramoninę inžineriją ir reguliavimo politiką. Jei šios dalys sutaps, anglies šlako krūvos, anksčiau kėlę aplinkosaugines problemas, galėtų tapti strateginiais metalų saugyklomis, reikalingomis švaresnės ateities kūrimui.
Praktinio pritaikymo gaires galima suskirstyti į keletą sričių:
- Technologinis vystymas: pilotiniai reaktoriai, mikrobangų generatorių atitiktis pramoninės galios reikalavimams, reagentų regeneravimo moduliai.
- Ekonominė analizė: kapitalo ir eksploatacijos sąnaudų lyginimas su naujų kasyklų atidarymo kaštais, potenciali pajamų grandis iš co-recovery metalų.
- Aplinkosaugos vertinimas: LCA, nuotėkų valdymo strategijos, oro ir vandens taršos kontrolė.
- Reguliavimo ir socialinis priėmimas: įtraukiami suinteresuotieji subjektai, viešieji konsultavimai, atitikimas vietos įstatymams bei tarptautiniams standartams.
Norint pasiekti konkurencingą ir tvarų sprendimą, reikės tarpdisciplininės partnerystės tarp akademijos, pramonės ir valdžios institucijų. Strateginės investicijos į pilotinius projektus ir vietinių tiekimo grandinių stiprinimas gali sumažinti priklausomybę nuo tarptautinių apdorojimo centrų bei padidinti energetinio saugumo atsparumą.
Galiausiai, nors technologinis pagrindas yra viliojantis, praktinis įgyvendinimas priklausys nuo ekonominės logikos, techninio pritaikomumo ir aplinkosauginių standartų paisymo. Jei procesai bus optimizuoti ir pritaikyti prie konkrečios mineralogijos, anglies šlako šaltiniai gali tapti reikšmingu, tvariu REE tiekimo komponentu, palengvinančiu kelią žalesnei energetikai ir pažangiai elektronikai.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą