Elementi di terre rare, tra cui neodimio e ittrio, non sono in realtà rari – più comuni, infatti, nella crosta terrestre rispetto al rame e allo stagno. Ma, perché sono sparsi ampiamente, e difficili da separare dai minerali circostanti, estrarli e raffinarli è difficile.

Le terre rare sono preziose, pure. Hanno proprietà uniche che li rendono utili nei moderni prodotti energetici ed elettronici. I veicoli elettrici e le turbine eoliche necessitano di motori elettrici e generatori ad alte prestazioni, che a loro volta richiedono potenti magneti in neodimio e disprosio. Ittrio, Il terbio e l'europio sono fondamentali per display a colori efficienti dal punto di vista energetico su laptop, cellulari e schermi TV. Il lantanio è fondamentale per obiettivi fotografici di alta qualità, e il cerio funge da catalizzatore nei convertitori catalitici automobilistici. I ricercatori sono alla ricerca di alternative e sostituti, ma non è chiaro che ce ne siano.

La maggior parte delle terre rare – l'85% della fornitura mondiale – sono prodotte in Cina. L'ultima miniera di terre rare degli Stati Uniti è stata chiusa nel 2015 lasciando il paese dipendente dalle importazioni – e vulnerabile quando, come è successo nel 2010 La Cina ha interrotto tutte le esportazioni di terre rare in un conflitto commerciale.

Il fatto che una guerra commerciale possa nuovamente interrompere le forniture di terre rare ha spinto alcune persone a considerare la riapertura delle miniere statunitensi. Ma la nostra ricerca ha identificato un'altra possibilità:estrarre terre rare dalle ceneri di carbone, un abbondante prodotto di scarto con concentrazioni relativamente elevate di questi elementi chiave.

Cenere di carbone come fonte

Come sottoprodotto della combustione del carbone per produrre elettricità, gli Stati Uniti producono quasi 80 milioni di tonnellate di ceneri di carbone all'anno. Circa il 43% di questo viene utilizzato come ingrediente nel cemento e per arricchire il suolo con macro e micronutrienti. Il resto va nelle discariche o viene mescolato con l'acqua e immagazzinato in pozzi a cielo aperto chiamati stagni di contenimento.

Quella cenere di carbone contiene quantità ragionevoli di terre rare, in particolare scandio e neodimio. Nella cenere di alcuni tipi di carbone, le concentrazioni di terre rare sono fino a 100 volte superiori a quelle che si trovano naturalmente nella crosta terrestre.

Ricerca, finanziato in parte con denaro pubblico, ha trovato almeno tre modi per estrarre terre rare dalle ceneri di carbone, anche se nessuno è ancora commercialmente valido. I primi due metodi, utilizzando acidi e batteri speciali, sono troppo costosi o richiedono troppo tempo e quindi difficilmente praticabili su scala industriale.

Un terzo percorso, che la nostra ricerca esplora, utilizza riscaldato, anidride carbonica compressa per dissolvere ed estrarre selettivamente gli elementi delle terre rare. Questa forma di anidride carbonica, chiamato "supercritico, " ha diverse applicazioni, anche nel settore alimentare, rimuovere la caffeina dai chicchi di caffè.

Utilizzo di anidride carbonica

La nostra ricerca ha trovato un potenziale percorso verso la redditività per l'estrazione di terre rare dalle ceneri di carbone utilizzando l'anidride carbonica supercritica. Ci sono ancora sfide significative, anche se.

Primo, il processo necessita di altri prodotti chimici. L'anidride carbonica è relativamente economica, ma non può aiutare le terre rare ad aggregarsi e separarsi dagli altri elementi nella cenere di carbone. Ciò richiederà probabilmente una sostanza chimica costosa come il tributilfosfato. I ricercatori dovranno trovare il modo di utilizzarne il meno possibile per contenere i costi.

Secondo, il processo deve essere particolarmente efficiente nell'estrazione di scandio e neodimio, che sono particolarmente preziosi. Molte ceneri di carbone hanno molti di questi elementi, ma non tutti, che solleva la terza sfida.

Alcune fonti di carbone – e quindi la cenere quando quel carbone viene bruciato – hanno più terre rare di altre. Abbiamo scoperto che il valore delle terre rare in una singola tonnellata di ceneri di carbone può variare da US $ 99 in una centrale a carbone in Ohio a $ 534 in un impianto della West Virginia. Con costi di estrazione che dovrebbero variare tra $ 380 e $ 1, 200 per tonnellata, non tutte le ceneri delle centrali a carbone saranno un luogo redditizio per trovare terre rare.

Gestire gli avanzi

Dopo che le terre rare sono state estratte ove possibile - e redditizio - il resto delle ceneri di carbone non avrebbe bisogno di essere gestito in modo diverso da come è già. Ma aiuterebbe l'industria del carbone a fare un passo verso una "economia circolare, " in cui tutto ciò che un processo genera come rifiuto può essere utilizzato come materia prima in un altro processo. Inoltre, l'anidride carbonica e altre sostanze chimiche necessarie per l'estrazione delle terre rare possono essere riutilizzate, riduzione degli scarti del processo stesso.

Questo metodo darebbe all'industria del carbone un ulteriore flusso di entrate, che probabilmente non invertirebbe il suo declino, ma potrebbe dare al carbone un ruolo strategico diverso nell'economia del Paese, anche quando finisce il suo uso come fonte di energia.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.