Innehållet i sällsynta jordartsmetaller i amerikanska kolaska visar att kol som minas från Appalachianberget skulle kunna vara den proverbiga gyllene gåsen för svår att hitta material som är kritisk för att rengöra energi och annan framväxande teknik.
I kölvattnet av ett 2014-kolaskautsläpp i North Carolina Dan River från ett bristat dräneringsrör har frågan om vad man ska göra med landets åldrande kvarhållningsdammar och framtida avfall av kolaska varit ett omtvistat ämne.
En särskilt entreprenörsintresse är att extrahera så kallade "kritiska" sällsynta jordartsmetaller såsom neodym, europium, terbium, dysprosium, yttrium och erbium från det brända kolet. Energiministeriet har identifierat dessa globalt knappa metaller som en prioritet för användningen av ren energi och annan framväxande teknik. Men exakt hur mycket av dessa element finns i olika källor till kolaska i USA har aldrig utforskats.
Delar per miljon
Forskare från Duke University mätt innehållet av sällsynta jordartsmetaller i prov av kolaska som representerar varje större kolkälla i USA. De tittade också på hur mycket av dessa element som skulle kunna extraheras från aska med en vanlig industriteknik.
Resultaten, publicerade online i tidskriften Environmental Science and Technology, visar att kol från Appalachian bergen innehåller de mest sällsynta jordartsmetallen. Om utvinningsteknologin var billig nog, finns det dock många sällsynta jordartsmetaller som finns i andra källor.
"Energiministeriet investerar $ 20 miljoner i forskning om utvinningsteknologi för kolavfall, och det finns bokstavligen miljarder dollar för sällsynta jordartsmetaller som ingår i vår nations kolaska, säger Heileen Hsu-Kim, civilingenjör i civila och miljöteknik.
"Om ett program skulle gå vidare skulle de tydligt vilja välja kolaska med det högsta antalet extraherbara sällsynta jordartsmetaller, och vårt arbete är den första omfattande studien för att börja kartlägga alternativen."
Forskarna tog kolaskaxemplar från kraftverk som mestadels befinner sig i det amerikanska Midwest som bränner kol som kommer från hela landet, inklusive de tre största källorna: Appalachian Mountains, södra och västra Illinois och Pulver River Basin i Wyoming och Montana. Innehållet i sällsynta jordartsmetaller testades sedan med användning av fluorvätesyra, vilket är mycket starkare och effektivare än industriella metoder, men är för farligt att använda i stor skala.
Resultaten visade att ash som samlats från Appalachian Mountain kol har den högsta mängden sällsynta jordartsmetaller vid 591 milligram per kilogram (eller delar per miljon). Ask från Illinois och pulverflodbassängen innehåller 403 mg / kg respektive 337 mg / kg.
Återställningsmetod behövs
Forskarna använde sedan en gemensam industriell extraktionsteknik med salpetersyra för att se hur mycket av de sällsynta jordartsmetallerna som skulle kunna återvinnas. Kolaska från Appalachian Mountains såg de lägsta extraktionsprocenten, medan aska från pulverflodbassängen såg högst. Hsu-Kim tror att det här kan bero på att de sällsynta jordartsmetallerna i kolaskaen Appalachianberg inkapslas i en glasig matris av aluminiumsilikater, vilken salpetersyra inte löser sig mycket bra.
"En anledning till att välja kolaska från Appalachian Mountains skulle vara för dess innehåll av högt sällsynt jordartsmetall, men du måste använda en annan återhämtningsmetod än salpetersyra", säger Hsu-Kim. "För ett eventuellt framtida satsning på att starta ett extraktionsprogram måste återvinningsmetoden anpassas till den specifika kärnan hos kolaska som används."
Forskare försökte också "rosta" kolaskaven med ett alkalimedel innan de löses med salpetersyra. Trots att processen inte hade optimerats för återvinningsändamål visade provningarna en markant förbättring av utvinningseffektiviteten.
"De reagenser vi använde är förmodligen för dyra att använda i industriell skala, men det finns många liknande kemikalier, säger Hsu-Kim. "Tricket kommer att undersöka våra alternativ och utveckla teknik för att driva kostnaderna nere. På det sättet kan vi utnyttja den här stora resursen som för närvarande bara sitter i avyttringsdammar. "
National Science Foundation, Environmental Research and Education Foundation, och American Coal Ash Association finansierade arbetet.
Källa: Duke University
relaterade böcker
at InnerSelf Market och Amazon
