El contenido de elementos de tierras raras en las cenizas de carbón de EE. UU. Muestra que el carbón extraído de las Montañas Apalaches podría ser el proverbial ganso dorado para materiales difíciles de encontrar, críticos para la energía limpia y otras tecnologías emergentes.
A raíz de un derrame de cenizas de carbón en 2014 en el río Dan de Carolina del Norte desde una tubería de drenaje rota, la cuestión de qué hacer con los estanques de retención envejecidos de la nación y el futuro desperdicio de cenizas de carbón ha sido un tema polémico.
Una idea particularmente emprendedora es extraer los elementos de tierras raras llamados "críticos" como el neodimio, el europio, el terbio, el disprosio, el itrio y el erbio del carbón quemado. El Departamento de Energía ha identificado estos metales mundialmente escasos como una prioridad para sus usos en energía limpia y otras tecnologías emergentes. Pero exactamente cuánto de estos elementos están contenidos en diferentes fuentes de ceniza de carbón en los Estados Unidos nunca se había explorado.
Partes por millón
Investigadores de la Universidad de Duke midieron el contenido de elementos de tierras raras en muestras de cenizas de carbón que representan todas las principales fuentes de carbón en los Estados Unidos. También analizaron la cantidad de estos elementos que podrían extraerse de las cenizas utilizando una técnica industrial común.
Los resultados, publicados en línea en la revista Ciencia y Tecnología del Medio Ambiente, muestran que el carbón de las Montañas Apalaches contiene los elementos de tierra más raros. Sin embargo, si las tecnologías de extracción fueran lo suficientemente baratas, también se encontrarán muchos elementos de tierras raras en otras fuentes.
"El Departamento de Energía está invirtiendo $ 20 millones en investigación sobre tecnologías de extracción para desechos de carbón, y hay literalmente billones de dólares en elementos de tierras raras contenidos en la ceniza de carbón de nuestra nación", dice Heileen Hsu-Kim, profesora asociada de civil. e ingeniería ambiental.
"Si un programa fuera a seguir adelante, claramente querrían recoger la ceniza de carbón con la mayor cantidad de elementos extraíbles de tierras raras, y nuestro trabajo es el primer estudio integral para comenzar a estudiar las opciones".
Los investigadores tomaron muestras de ceniza de carbón de plantas de energía ubicadas principalmente en el medio oeste estadounidense que queman carbón procedente de todo el país, incluidas las tres fuentes más grandes: las Montañas Apalaches, Illinois meridional y occidental y la cuenca del río Powder en Wyoming y Montana. El contenido de elementos de tierras raras se probó luego usando ácido fluorhídrico, que es mucho más fuerte y más eficiente que los métodos industriales, pero es demasiado peligroso para usar a gran escala.
Los resultados mostraron que la ceniza recolectada del carbón de las Montañas Apalaches tiene la mayor cantidad de elementos de tierras raras en 591 miligramos por kilogramo (o partes por millón). Las cenizas de Illinois y la cuenca del río Powder contienen 403 mg / kg y 337 mg / kg, respectivamente.
Método de recuperación necesario
Luego, los investigadores utilizaron una técnica de extracción industrial común con ácido nítrico para ver cuánto de los elementos de tierras raras podrían recuperarse. Las cenizas de carbón de los montes Apalaches tuvieron los porcentajes de extracción más bajos, mientras que las cenizas de la cuenca del río Powder fueron las más altas. Hsu-Kim piensa que esto podría ser porque los elementos de tierras raras en las cenizas de carbón de las Montañas Apalaches están encapsulados dentro de una matriz vítrea de silicatos de aluminio, que el ácido nítrico no se disuelve muy bien.
"Una razón para recoger la ceniza de carbón de las montañas Apalaches sería por su alto contenido de elementos de tierras raras, pero tendría que utilizar un método de recuperación que no sea ácido nítrico", dice Hsu-Kim. "Para que cualquier empresa futura comience un programa de extracción, el método de recuperación deberá adaptarse a la química específica de la ceniza de carbón que se utilice".
Los investigadores también trataron de "tostar" la ceniza de carbón con un agente alcalino antes de disolverla con ácido nítrico. Aunque el proceso no se había optimizado para fines de recuperación, las pruebas mostraron una mejora notable en la eficiencia de la extracción.
"Los reactivos que usamos son probablemente demasiado caros para usar a escala industrial, pero hay muchos productos químicos similares", dice Hsu-Kim. "El truco será explorar nuestras opciones y desarrollar tecnologías para reducir los costos. De esa forma podemos aprovechar este vasto recurso que actualmente está sentado en estanques de eliminación ".
La National Science Foundation, la Environmental Research and Education Foundation y la American Coal Ash Association financiaron el trabajo.
Fuente: Universidad Duke
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