źródło:AZO Mining

Czym są pierwiastki ziem rzadkich i gdzie występują?

Pierwiastki ziem rzadkich (REE) składają się z 17 pierwiastków metalicznych zbudowanych z 15 lantanowców w układzie okresowym:

Lantan

Cer

Prazeodym

Neodym

Promet

Samar

Europ

Gadolin

Terb

Dysproz

Holm

Erb

Tul

Iterb

Utet

Skand

Itr

Większość z nich nie jest tak rzadka, jak sugeruje nazwa grupy, ale zostały nazwane w XVIII i XIX wieku, w odróżnieniu od innych, bardziej powszechnych pierwiastków „ziemnych”, takich jak wapno i magnez.

Cer jest najpowszechniejszym pierwiastkiem ziem rzadkich i występuje w większych ilościach niż miedź i ołów.

Jednakże pod względem geologicznym pierwiastki ziem rzadkich rzadko występują w skoncentrowanych złożach, ponieważ np. pokłady węgla sprawiają, że ich wydobycie jest trudne pod względem ekonomicznym.

Występują one w czterech głównych, rzadkich typach skał: karbonatytach, które są niezwykłymi skałami magmowymi powstałymi z magm bogatych w węglany, alkalicznych środowiskach magmowych, złożach iłów pochłaniających jony oraz złożach aluwialnych zawierających monacyt i ksenotym.

Chiny wydobywają 95% pierwiastków ziem rzadkich, aby zaspokoić popyt na zaawansowane technologicznie style życia i energię odnawialną

Od końca lat 90. XX wieku Chiny dominują w produkcji pierwiastków ziem rzadkich, wykorzystując własne złoża glinki pochłaniającej jony, znanej jako „glinka południowochińska”.

Dla Chin jest to opłacalne rozwiązanie, ponieważ złoża gliny umożliwiają łatwą ekstrakcję pierwiastków ziem rzadkich przy użyciu słabych kwasów.

Metale ziem rzadkich są wykorzystywane w różnego rodzaju sprzęcie high-tech, wliczając w to komputery, odtwarzacze DVD, telefony komórkowe, oświetlenie, światłowody, aparaty fotograficzne i głośniki, a nawet sprzęt wojskowy, np. silniki odrzutowe, systemy naprowadzania rakiet, satelity i obronę przeciwrakietową.

Celem Porozumienia Paryskiego w sprawie klimatu z 2015 r. jest ograniczenie globalnego ocieplenia do poziomu poniżej 2 ˚C, najlepiej 1,5 ˚C, poziomu sprzed epoki przemysłowej. Spowodowało to wzrost popytu na energię odnawialną i samochody elektryczne, które również wymagają REE do działania.

W 2010 r. Chiny ogłosiły, że ograniczą eksport pierwiastków ziem rzadkich, aby zaspokoić rosnący popyt na rynku krajowym, ale jednocześnie utrzymać dominującą pozycję na rynku dostawców sprzętu high-tech dla reszty świata.

Chiny zajmują również silną pozycję ekonomiczną umożliwiającą im kontrolowanie podaży pierwiastków ziem rzadkich potrzebnych do produkcji energii odnawialnej, np. paneli słonecznych, turbin wiatrowych i pływowych, a także pojazdów elektrycznych.

Projekt wychwytywania pierwiastków ziem rzadkich z nawozów fosfogipsowych

Fosfogips jest produktem ubocznym nawozu i zawiera naturalnie występujące pierwiastki radioaktywne, takie jak uran i tor. Z tego powodu jest przechowywany bezterminowo, co wiąże się z ryzykiem zanieczyszczenia gleby, powietrza i wody.

Dlatego też naukowcy z Penn State University opracowali wieloetapową metodę wykorzystującą zmodyfikowane peptydy, czyli krótkie ciągi aminokwasów, które mogą dokładnie identyfikować i oddzielać pierwiastki ziem rzadkich za pomocą specjalnie opracowanej membrany.

Ponieważ tradycyjne metody separacji są niewystarczające, projekt ma na celu opracowanie nowych technik, materiałów i procesów separacyjnych.

Projekt opiera się na modelowaniu komputerowym opracowanym przez Rachel Getman, główną badaczkę i adiunktkę inżynierii chemicznej i biomolekularnej na Uniwersytecie Clemson, we współpracy z badaczkami Christine Duval i Julie Renner, w celu opracowania cząsteczek, które będą łączyć się z określonymi pierwiastkami ziem rzadkich.

Greenlee przyjrzy się zachowaniu roślin w wodzie i oceni ich wpływ na środowisko oraz różne potencjały ekonomiczne w różnych warunkach projektowych i eksploatacyjnych.

Profesor inżynierii chemicznej Lauren Greenlee twierdzi, że: „obecnie szacuje się, że w samych tylko odpadach fosfogipsowych na Florydzie uwięzionych jest około 200 000 ton pierwiastków ziem rzadkich”.

Zespół ustalił, że tradycyjne metody odzyskiwania wiążą się z barierami środowiskowymi i ekonomicznymi, dlatego obecnie odzyskuje się je z materiałów kompozytowych, co wymaga spalania paliw kopalnych i jest pracochłonne

Nowy projekt będzie koncentrował się na ich odzyskiwaniu w sposób zrównoważony i może zostać wdrożony na większą skalę, co przyniesie korzyści środowiskowe i ekonomiczne.

Jeśli projekt okaże się sukcesem, może to również zmniejszyć zależność USA od Chin w zakresie dostaw pierwiastków ziem rzadkich.

Finansowanie projektu National Science Foundation

Projekt REE Penn State jest finansowany ze środków czteroletniego grantu w wysokości 571 658 dolarów, co łącznie daje 1,7 miliona dolarów. Jest to współpraca z Case Western Reserve University i Clemson University.

Alternatywne sposoby odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich

Odzysk RRE odbywa się zwykle w ramach operacji na małą skalę, najczęściej poprzez ługowanie i ekstrakcję rozpuszczalnikiem.

Choć jest to prosty proces, ługowanie wymaga użycia dużej ilości niebezpiecznych odczynników chemicznych, dlatego jest niepożądane z komercyjnego punktu widzenia.

Ekstrakcja rozpuszczalnikiem jest skuteczną techniką, jednak mało efektywną, gdyż wymaga dużo pracy i czasu.

Inną powszechną metodą odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich jest agrogórnictwo, znane również jako e-górnictwo, które polega na transporcie odpadów elektronicznych, takich jak stare komputery, telefony i telewizory, z różnych krajów do Chin w celu wydobycia z nich pierwiastków ziem rzadkich.

Według Programu Środowiskowego ONZ w 2019 r. wytworzono ponad 53 mln ton elektrośmieci, z czego około 57 mld dolarów stanowiły surowce zawierające pierwiastki ziem rzadkich i metale.

Choć często jest uznawana za zrównoważoną metodę recyklingu materiałów, nie jest pozbawiona problemów, które wciąż wymagają rozwiązania.

Agrogórnictwo wymaga dużej przestrzeni magazynowej, zakładów recyklingu, składowania odpadów po odzyskaniu pierwiastków ziem rzadkich oraz wiąże się z kosztami transportu, które wiążą się ze spalaniem paliw kopalnych.

Projekt Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii ma potencjał przezwyciężenia niektórych problemów związanych z tradycyjnymi metodami odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich, jeśli uda mu się spełnić własne cele środowiskowe i ekonomiczne.

---

Czas publikacji: 04-07-2022