9 Minute
Îngropate în grămezi de reziduuri miniere eliminate, ar putea exista comori ascunse care să reducă presiunea asupra lanțurilor de aprovizionare globale: elementele pământurilor rare. Nu sunt exotice în sens astronomic, dar în rămășițele fin măcinate rezultate din procesarea cărbunelui — așa-numitele cozi de steril sau "coal tailings" — se găsesc metale esențiale pentru industriile moderne de energie și electronică. Cum le extragem? Aceasta este întrebarea la care o echipă condusă de Universitatea Northeastern a încercat să răspundă, iar rezultatele ar putea schimba modul în care privim exploatarea minieră, reciclarea și remedierea mediului.
Elementele pământurilor rare (REE) — gândiți-vă la neodim, dispru și altele — sunt coloana vertebrală a magneților de înaltă performanță, a motoarelor pentru vehicule electrice, a generatoarelor pentru turbine eoliene și a electronicelor compacte. Sunt numite „rare” mai degrabă din cauza comportamentului geo-chimic decât dintr-o reală lipsă: tind să adere la minerale argiloase și la alte gazde, ceea ce face extracția tehnic complexă și adesea costisitoare. Metodele tradiționale au dificultăți în a smulge aceste elemente din cuștile microscopice care le rețin, fapt care încurajează explorarea unor noi zăcăminte și, din ce în ce mai mult, procesarea intensivă a resurselor în străinătate.
Cum funcționează noua metodă
Abordarea nouă combină două etape care alterează matricea minerală ce leagă REE-urile. Mai întâi, cercetătorii înmoaie coada de steril într-o soluție alcalină. Apoi, în timp ce acel material pretratat este încălzit cu energie cu microunde, urmează o digestie acidă — un spăl cu acid azotic care separă elementele pământurilor rare eliberate de roca rămasă. Rezultatul final: o structură solidă alterată, poroasă, mult mai cooperantă în etapa de separare chimică decât argila inițială, densă și strâns legată.
Microundele nu sunt folosite aici ca un truc de bucătărie; în laborator ele furnizează încălzire rapidă, volumetrică, care modifică rețelele cristaline mult mai eficient decât cuptoarele convenționale. Pretratarea alcalină pare să deschidă structurile cristaline care captează REE-urile, iar încălzirea asistată de microunde accelerează acea transformare. După pasul acid, recuperarea elementelor precum neodimul se îmbunătățește semnificativ. În acest studiu, echipa raportează randamente de extracție de până la de trei ori mai mari decât cele obținute prin unele tehnici curente, o performanță notabilă care sugerează oportunități economice și tehnice pentru reciclarea materialelor primare din deșeuri.
Procesul de extracție folosit în studiu poate fi dificil de scalat, spun cercetătorii.
Un astfel de progres contează. Estimările sugerează că, numai în Statele Unite, pentru fiecare 1,5 miliarde de tone de cozi de steril de cărbune se pot ascunde mai mult de 600 de kilotone de REE recuperabile. Pennsylvania, de exemplu, deține aproximativ două miliarde de tone în exces de astfel de deșeuri; la nivelul țării și la scară globală, volumele sunt vaste. Transformarea unei pasive în activ ar reduce necesitatea deschiderii unor mine noi și ar diversifica aprovizionarea — un avantaj strategic pe măsură ce cererea pentru tehnologii de energie curată crește.
Din punct de vedere al ingineriei chimice și al metodelor de extracție, această abordare introduce câteva ipoteze și oportunități cheie: se poate folosi hidroxid de sodiu sau alte agenți alcalini pentru a decața complexele dintre argile și REE-uri; microundele oferă un flux de energie controlabil care targetează dielectricitatea mineralelor; iar acidul azotic, aplicat după deschiderea structurii, le solubilizează pentru extracție. Integrând aceste etape, se obține o secvență de pretratare, activare și lixiviere care pare promițătoare în probele de laborator.
Context științific și obstacole practice
Extracția REE-urilor din cozi de steril nu este doar un puzzle chimic; este o problemă de materiale. Elementele pământurilor rare sunt adesea adsorbite pe sau blocate în minerale cu granulometrie fină, cum ar fi argilele și oxizii de fier. A le elibera necesită ruperea legăturilor fără a crea noi riscuri de mediu. Metoda condusă de Northeastern vizează tocmai gazda minerală: pretratarea alcalină slăbește priza, microundele accelerează reacțiile și acidul azotic separă elementele pentru o purificare ulterioară.
Dar saltul de la bancul de laborator la o instalație industrială este nontrivial. Dimensionarea reactorilor cu microunde pentru mii de tone de material ridică provocări de inginerie și cost. Majoritatea echipamentelor de microunde de laborator operează pe loturi mici; adaptarea la flux continuu sau la loturi mari cere proiectare specializată, control termic precis și sisteme de recuperare a energiei. De asemenea, mineralogia variază foarte mult de la o grămadă de deșeuri la alta — compoziția argiloasă poate include kaolinită, illit, smectit (montmorilonit) sau combinații complexe, iar oxizii de fier pot contribui diferit la fixarea REE-urilor. Această variabilitate înseamnă că o rețetă universală este puțin probabilă; procesul trebuie adaptat la geologia locală.
În unele locații, alte metale valoroase — magneziu, aluminiu, uneori chiar elemente critice secundare — există de asemenea în deșeuri și ar putea fi recuperate concomitent. Co-recuperarea poate îmbunătăți substanțial economia procesului, dar complică proiectarea operațională: trebuie puse la punct strategii selective de lixiviere, separare și refacere a agenților chimici pentru a evita contaminarea încrucișată și pentru a menține puritatea fluxurilor de produs.
"Ce observăm este o schimbare a structurii solide a acestui material", spune Damilola Daramola, biochimist chimic la Northeastern University și membru al echipei de cercetare, descriind modul în care tratamentul combinat creează porozitate și eliberează elementele blocate. Afirmația subliniază de ce această cercetare ține cât se poate de mult de ingineria materialelor, pe lângă chimie: controlul micro- și nano-structurii materialului determină eficiența etapelor de separare.
Considerațiile de mediu sunt centrale. Re-procesarea cozilor de steril poate reduce amprenta exploatărilor noi, poate diminua transportul de minereuri peste oceane și poate face depozitarea deșeurilor mai sigură prin reducerea volumelor reactive. Totuși, sunt necesare evaluări atente ale ciclului de viață: aporturile energetice pentru încălzire (inclusiv consumul microundelor), tratarea reziduurilor lichide și solide, gestionarea agenților chimici (de exemplu neutralizarea acidului azotic, reciclarea soluțiilor alcaline) și riscul de poluare secundară trebuie toate echilibrate față de beneficiile elementelor recuperate.
Din perspectiva managementului industrial, câteva puncte practice trebuie abordate: (1) recuperarea și reciclarea reactivilor (reducerea costurilor operaționale și a impactului asupra mediului), (2) implementarea unor filtre și sisteme de tratament pentru a evita scurgerile de substanțe acide sau alcaline, (3) analiza economică care să integreze prețurile volatile ale REE-urilor și valorile potențiale ale metalelor co-recuperabile, și (4) proiectarea unor unități pilot modulare care pot fi ajustate în funcție de caracteristicile locale ale reziduurilor.
Perspectiva experților
Dr. Lena Ortiz, o cercetătoare în știința materialelor care studiază mineralele critice, comentează: "Inovații precum pretratarea asistată de microunde sunt promițătoare pentru că atacă problema din rădăcină — REE-urile prinse în gazde minerale complexe. Totuși, tranziția la operațiuni la scară industrială va necesita uzine pilot, procese adaptative la geologia locală și modele economice care să valorizeze elementele co-recuperate și câștigurile de mediu. E o direcție interesantă, dar nu o soluție plug-and-play."
Dr. Ortiz subliniază că evaluarea holistică — combinând inginerie de proces, economie circulară și reglementări de mediu — este esențială pentru a transforma promisiunea laboratoarelor într-o implementare practică. Modelele financiare trebuie să includă costurile cu energia, amortizarea echipamentelor specializate (reactoare cu microunde industriale, sisteme de tratare a apelor), certificarea produselor recuperate și potențialele subvenții sau stimulente pentru reducerea amprentei mineritului primar.
Drumul înainte va implica rafinarea tehnică, demonstrații la scară pilot și interes din partea industriei. Dacă aceste elemente se aliniază, grămezile de cozi de steril care odinioară reprezentau o povară ecologică ar putea deveni depozite strategice de metale necesare pentru construirea unui viitor energetic mai curat. În plus, recuperarea locală a REE-urilor poate contribui la securizarea lanțurilor locale de aprovizionare, reducând dependența de exporturile de materii prime și de procesele de prelucrare concentrate geografic.
Pe lîngă aspectele tehnice și economice, există componente sociale și legislative: transparența în ceea ce privește riscurile, implicarea comunităților locale afectate de foste exploatări miniere, și crearea unor cadre de reglementare care să încurajeze repunerea în valoare a deșeurilor fără a relaxa standardele de mediu. Parteneriatele între universități, companii private și autorități publice vor fi cheia pentru pilotarea și scalarea tehnologiilor noi.
În final, abordările inovatoare de acest tip — care combină chimie, inginerie a materialelor și tehnologii de proces — oferă o cale practică de a extrage valoare din deșeurile miniere. Adoptarea lor la scară mare va necesita timp, cercetare continuă, investitori dispuși să finanțeze fazele pilot și o coordonare clară între actorii industriali și reglementatori. Totuși, printr-o implementare atentă și prin optimizarea ciclului de viață al proceselor, reciclarea REE-urilor din cozi de steril poate constitui o opțiune viabilă pentru economie circulară, securitate resurselor și reducere a impactului mediului legat de minerit.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu