08 февруари 2023
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Добивът на редкоземни елементи е важен за бъдещето. Но на каква цена? САЩ, Китай, Швеция

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 16 януари 2023 в 00:01 22360
Маунтин пас в югоизточна Калифорния остава единствената мина в Съединените щати за редкоземни елементи, градивните елементи на магнитите, използвани в смартфони, вятърни турбини и електромобили. Снимка: Wikimedia Commons

През пролетта на 1949 г. трима златотърсачи, въоръжени с гайгерови броячи, тръгват да търсят съкровища в сухите планини на Южна Невада и Югоизточна Калифорния.

През миналия век в тези планини е имало злато, сребро, мед и кобалт. Но мъжете търсели друг вид съкровище: уран. Светът по това време излиза от Втората световна война и навлиза в Студената война. Съединените щати се нуждаят от уран, за да изградят своя арсенал от ядрени оръжия. Добивът на местни източници се превръща във въпрос на националната сигурност.

След седмици на търсене тримата попадат на нещо, което според тях е ценно. Инструментите им откриват интензивна радиоактивност в кафяво-червени рудни жили, открити в скалисто възвишение в планинската верига Кларк в Калифорния. Но вместо уран, кафяво-червеното вещество се оказало бастнаезит - минерал, съдържащ флуор, въглерод и 17 интересни елемента, известни като редкоземни елементи. Следи от радиоактивен торий, който също се съдържа в рудата, са задействали гайгеровите броячи.

Колкото и разочароващо да е било това, бастнаезитът все пак е имал някаква стойност и златотърсачите са продали правото си на Американската молибденова корпорация, наречена по-късно Molycorp. Компанията се е интересувала от добива на редкоземни елементи. В средата на 20-ти век редкоземните елементи започват да се използват по различни начини: Церият например е в основата на прах за полиране на стъкло, а европият придава луминесценция на наскоро изобретените цветни телевизионни екрани и флуоресцентни лампи.

Редкоземни елементи

Има 17 редкоземни елемента, ценени заради изключителните си магнитни и проводими качества, но най-важният в момента е неодимът, който се легира с бор и желязо, за да образува най-силните постоянни магнити в света. Тези магнити се използват широко в електрически двигатели и имат голямо търсене, докато светът се стреми да намали използването на изкопаеми горива.

Неодимът и другите редкоземни елементи са от съществено значение за редица технологични продукти, включително смартфони, слънчеви панели, вятърни турбини и монитори. Mining Technology изчислява, че всяка батерия за електромобил използва около килограм редкоземни елементи, а всяка вятърна турбина използва около 600 кг.

Както при лития, търсенето на тези елементи се очаква да скочи рязко през следващите десетилетия, а Китай до голяма степен ще контролира пазара.

През следващите няколко десетилетия обектът, наречен по-късно мина "Маунтин пас" (Mountain Pass), е най-големият източник на редкоземни елементи в света, докато в края на 80-те години на миналия век Китай започва интензивно да добива собствени редкоземни елементи и да ги продава на по-ниски цени, а през 2002 г. поредица от разливи на токсични отпадъци в "Маунтин пас" спира добива в мината.

Но това не е краят на мината. Революцията на зелените технологии през 21-ви век привлича отново вниманието към Маунтин Пас, която по-късно отново отваря и остава единствената американска мина за редкоземни елементи.

Сега редкоземните метали са неразделна част от производството на много въглеродно неутрални технологии - както и на цял набор от инструменти, които движат съвременния свят. Тези елементи са градивните елементи на малките, свръхефективни постоянни магнити, които поддържат смартфоните да работят, вятърните турбини да се въртят, електромобилите да се движат и др.

Редкоземните елементи от мината до магнитите

Това са стъпките от изваждането от земята на редкоземните елементи до високотехнологичните продукти.

  1. Добив на редкоземни руди
  2. Концентрация на добитите редкоземни руди
  3. Разделяне на редкоземни метали
  4. Процес за производство на метали и сплави
  5. Производство на постоянни магнити, двигатели, сензори, задвижващи механизми, електрически превозни средства и потребителска електроника

Администрацията на президента Джо Байдън заявява през февруари 2021 г., че добивът на американски източници на редкоземни елементи е въпрос на национална сигурност.

Редкоземните елементи всъщност не са рядкост на Земята, но те обикновено са разпръснати в земната кора в ниски концентрации. А и самата руда струва сравнително малко без сложната, често опасна за околната среда преработка, свързана с превръщането на рудата в използваема форма, казва Джули Клингер (Julie Klinger), географ от Университета на Делауеър в Нюарк. В резултат на това добивната промишленост на редкоземни метали се бори с наследени екологични проблеми.

Редкоземните метали се добиват чрез изкопаване на огромни открити ями в земята, което може да замърси околната среда и да наруши екосистемите. При недобро регулиране добивът може да доведе до образуване на езера за отпадъчни води, пълни с киселини, тежки метали и радиоактивни материали, които могат да попаднат в подпочвените води. Преработката на суровата руда във вид, полезен за производството на магнити и други технологии, изисква продължителни процеси, при които се използват големи количества вода и потенциално токсични химикали и се образуват огромни количества отпадъци.

Но има начини да се намали въздействието на минното дело, смята Томас Лограсо (Thomas Lograsso), специалист по металургия в Националната лаборатория в Еймс, Айова, и директор на Института за критични материали, изследователски център на Министерството на енергетиката. Изследователите проучват всичко - от намаляване на количеството отпадъци, образувани по време на преработката на рудата, до подобряване на ефективността на разделянето на редкоземните елементи, което също може да намали количеството на токсичните отпадъци. Учените тестват и алтернативи на добива, като например рециклиране на редкоземни елементи от стара електроника или извличането им от въглищни отпадъци.

Клингер отбелязва, че е предпазлив оптимист и вярва, че добивната промишленост на редкоземни метали може да стане по-малко замърсяваща и по-устойчива, ако подобни решения бъдат общоприети.

Въздействието на добива на редкоземни метали върху околната среда

Между назъбените върхове на калифорнийската планинска верига Кларк и границата с Невада се намира широка, равна, блестяща долина, известна като Сухото езеро Иванпа. Преди около 8000 години в долината е имало вода през цялата година. Днес, подобно на много други подобни места в пустинята Мохаве, езерото е ефимерно и се появява само след интензивен дъжд и внезапно наводнение. Това е красиво, сурово място, дом на застрашени от изчезване пустинни костенурки и редки пустинни растения.

От около 1984 г. до 1998 г. сухото езеро Иванпа е било и резервоар за отпадни води, доставяни по тръбопроводи от Маунтин Пас. Отпадъчните води са страничен продукт от химическата обработка за концентриране на редкоземните елементи в добитите скали, което ги прави по-продаваеми за компаниите, които могат да извличат тези елементи за производството на специфични продукти. Посредством заровен тръбопровод мината изпраща отпадъчните води към изпарителни езера на около 23 километра в и около дъното на сухото езеро.

Къде се добиват редкоземни елементи?

Малък брой страни в момента добиват редкоземни елементи. Но редкоземни ресурси са открити на много други места, включително Виетнам, Турция и Гренландия.

Въпреки че находищата на редкоземни метали съществуват на всички континенти и потенциалните находища са известни, над 90% от редкоземните метали, произведени през 2013 г., са добити в Китай. Междувременно делът на Китай в известните запаси от редкоземни метали е само около 50%.

Преглед на запасите и потенциала за добив на REE. Кредит: U.S. Geological Survey

Схемата показва, че Китай произвежда 100 хиляди тона оксиди на редкоземни елементи (REE) от около 112 хиляди тона в световен мащаб (сиво), въпреки че запасите от редки земни елементи на Китай представляват само 55 милиона тона от 115 милиона тона (синьо). В резултат на това Китай понастоящем има монополна позиция в добива, рафинирането на REE и следователно също в съответното ноу-хау.

През годините тръбопроводът многократно се пропуква. Поне 60 отделни разлива изхвърлят в долината около 2000 тона отпадъчни води, съдържащи радиоактивен торий. Федералните служители се опасяват, че местните жители и посетителите на близкия Национален резерват Мохаве са застрашени от излагане на въздействието на този торий, което може да доведе до повишен риск от рак на белия дроб, панкреаса и други видове рак.

На корпорацията Unocal, която придобива Molycorp през 1977 г., е наредено да почисти разлива през 1997 г. и компанията плаща над 1,4 млн. долара под формата на глоби и споразумения. Химическата обработка на суровата руда е спряна. Скоро след това минните дейности са преустановени.

В другата част на света се разиграва друго екологично бедствие. Преобладаващата част - между 80 и 90 % - от редкоземните елементи на пазара от 90-те години на миналия век насам идват от Китай. Само на един обект - огромната мина Баян Обо (Bayan Obo) в китайския автономен регион Вътрешна Монголия - се падат 45% от производството на редкоземни елементи през 2019 г.

Баян Обо се простира на площ от около 48 кв. километра (За сравнение квартал Люлин - най-големият квартал в България - има площ 22.22 кв.км). Тя е и едно от най-силно замърсените места на Земята. Разчистването на земята, за да се копае за руда, означава премахване на растителността в район, който вече е застрашен от настъпването на пустинята Гоби.

През 2010 г. длъжностни лица в близкия град Баотоу отбелязват, че радиоактивни, съдържащи арсен и флуор минни отпадъци или течности от хвостохранилищата се изхвърлят в земеделските земи и в местните водоизточници, както и в близката Жълта река. Въздухът е замърсен с изпарения и токсичен прах, които намаляват видимостта. Жителите се оплакват от гадене, световъртеж, мигрена и артрит. Някои от тях имали кожни лезии и обезцветени зъби - признаци на продължително излагане на арсен; други имали признаци на чупливи кости - признаци на скелетна флуороза, разказва Клингер.

През 2010 г. Държавният съвет на Китай пише, че редкоземната промишленост в страната причинява "сериозни щети на околната среда". Изпускането на тежки метали и други замърсители по време на добива води до "унищожаване на растителността и замърсяване на повърхностните и подпочвените води и земеделските земи". Съветът пише, че "прекомерният добив на редкоземни метали" е довел до свлачища и запушване на реки.

Фалшиво цветно изображение на мината за редкоземни метали в Баян Обо, Китай, получено в резултат на комбинация от сателитни изображения. Кредит: Wikimedia Commons

Изправен пред тези нарастващи екологични бедствия, както и пред опасенията, че изчерпва ресурсите си от редки земни елементи твърде бързо, Китай намалява износа си на елементи през 2010 г. с 40 %. Новите ограничения предизвикват рязко покачване на цените и предизвикват безпокойство в целия свят, че от Китай зависи твърде много доставката на тези незаменими елементи. Това от своя страна предизвиква инвестиции в добива на редкоземни елементи в други страни.

През 2010 г. има малко други места за добив на редкоземни елементи, като минимално производство се осъществява в Индия, Бразилия и Малайзия. През 2011 г. е пусната в експлоатация нова мина в Западна Австралия, собственост на минната компания Lynas. Компанията копае във вкаменена лава, запазена в древен вулкан, наречен Маунт Уелд (Mount Weld).

Маунт Уелд не е имал подобно въздействие върху околната среда, каквото се наблюдава в Китай, защото местоположението му е твърде отдалечено и мината е твърде малка в сравнение с Баян Обо. Междувременно Съединените щати желаят отново да имат свой собствен източник на редкоземни метали - а Маунтин Пас все още е най-добрата възможност.

Мина Маунтин Пас се съживява

След неприятностите с пресъхналото езеро Иванпа, мината Маунтин Пас отново преминава в други ръце. Шеврон я купува през 2005 г., но не възобновява дейността ѝ. След това, през 2008 г., новосъздадена компания, наречена Molycorp Minerals, купува мината с амбициозни планове за създаване на цялостна верига за доставки на редки метали в САЩ.

Целта е била не само добив и преработка на руда, но и отделяне на желаните елементи и дори производството им в магнити. Понастоящем отделянето и производството на магнити се извършва в чужбина, най-вече в Китай. Компанията предлага и план за избягване на изливането на отпадъчни води в близките крехки местообитания. Molycorp възобновява добива и въвежда процес на "сух хвост" - метод за изстискване на 85 % от водата от минните отпадъци, като се образува гъста паста. След това компанията складира обездвижената, пастообразна утайка в облицовани ями на собствена земя и рециклира водата обратно в съоръжението.

За съжаление, Molycorp "е грандиозен провал" от бизнес гледна точка, отбелязва Мат Сластчър (Matt Sloustcher), главен вицепрезидент по комуникациите и политиката в MP Materials, настоящ собственик на мината Маунтин Пас. Неправилното управление в крайна сметка води до това, че през 2015 г. Molycorp подава молба за обявяване в несъстоятелност. MP Materials купува мината през 2017 г. и възобновява добива по-късно същата година. До 2022 г. мината Маунтин Пас произвежда 15 % от световните количества редки земни елементи.

MP Materials също има амбициозна програма с планове за създаване на цялостна верига за доставки. И компанията е решена да не повтаря грешките на своите предшественици. "Имаме находище от световна класа... невероятно находище, с неизползван потенциал", обяснява Майкъл Розентал (Michael Rosenthal), главен оперативен директор на MP Materials. "Искаме да поддържаме стабилна и разнообразна верига за доставки в САЩ, да бъдем шампионът по магнити в САЩ."

Предизвикателствата при отделянето на редкоземни елементи

В една гореща августовска сутрин Сластчър стои на ръба на мината Маунтин Пас - гигантска дупка в земята с диаметър 800 метра и дълбочина до 183 метра, достатъчно голяма, за да се вижда от космоса. Това е впечатляваща гледка и добра гледна точка, от която да опише визията си за бъдещето. Той посочва различните сгради: там, където рудата се натрошава и смила, там, където земните скали се обработват химически, за да се отделят възможно най-много нередки земни материали, и там, където водата се изстисква от тези отпадъци и отпадъците се поставят в облицовани езера.

Крайният резултат е силно концентрирана руда от редкоземни оксиди - все още далеч от етапа на производство на магнити. Но компанията има триетапен план "за възстановяване на пълните доставки на редкоземни метали в Съединените щати", от "мината до магнита", посочва Розентал. Етап 1, започнал през 2017 г., е да се възобнови добивът, раздробяването и концентрирането на рудата. Етап 2 ще завърши с химическото разделяне на редкоземните елементи. А етап 3 ще бъде производството на магнити, разказва Сластчър.

Източници на редкоземни елементи във времето

В средата на 20-ти век мината Маунтин Пас в САЩ е най-големият източник в света на редкоземни оксиди. Китай започна да доминира в световното производство през 90-те години. През последното десетилетие завръщането на Маунтин Пас заедно с отварянето на Маунт Уелд в Австралия и производството в Мианмар, Бразилия и други места започнаха да променят този баланс.

Глобално производство на редкоземни елементи

Кредит:  S.M. JOWITT/MRS BULLETIN 2022

След като влиза в експлоатация през 2017 г., MP Materials изпраща концентрираната си руда в Китай за следващите етапи, включително тежкия и опасен процес на отделяне на елементите един от друг. Но през ноември компанията обявява пред инвеститорите, че е започнала предварителните стъпки за етап 2 - "важен етап" по пътя към осъществяване на амбициите си да организира целия процес от мината до магнитите.

С инвестиции от Министерството на отбраната на САЩ компанията изгражда две сепарационни съоръжения. Едната инсталация ще извлича по-леките редкоземни елементи - тези с по-малък атомен номер, включително неодим и празеодим, които са ключови съставки на постоянните магнити, захранващи електромобилите и много от потребителската електроника. MP Materials разполага с допълнителни безвъзмездни средства от Министерството на отбраната за проектиране и изграждане на втори преработвателен завод за разделяне на по-тежките редкоземни елементи, като диспрозий, който също е съставна част на магнитите, и итрий, използван за производството на свръхпроводници и лазери.

Подобно на етап 2, етап 3 вече е в ход. През 2022 г. компанията полага основите на съоръжение за производство на неодимови магнити във Форт Уърт, Тексас. И сключва сделка с General Motors за доставка на тези магнити за двигателите на електромобилите.

Но отделянето на елементите е свързано със собствен набор от екологични проблеми.

Процесът е труден и води до много отпадъци. Редкоземните елементи са изключително сходни в химично отношение, което означава, че са склонни да се държат заедно. Принудителното им разделяне изисква множество последователни стъпки и различни мощни разтворители, за да се отделят един по един. Разяждащият натриев хидроксид например води до изпадане на церия от сместа. Други етапи включват разтвори, съдържащи органични молекули, наречени лиганди, които силно привличат металните атоми. Лигандите могат селективно да се свързват с определени редкоземни елементи и да ги изтеглят от сместа.

Но един от най-големите проблеми на този процес на извличане е неговата неефективност, обяснява Санта Янсон-Попова (Santa Jansone-Popova), специалист по органична химия в Националната лаборатория "Оук Ридж" в Тенеси. Извличането на тези метали е бавно и несъвършено и компаниите трябва да преминат през много етапи на извличане, за да получат достатъчно пазарно количество от елементите. При сегашните химически методи "са необходими много, много, много етапи, за да се постигне желаното разделяне", обяснява Янсон-Попова. Това прави целия процес "по-сложен, по-скъп и води до повече отпадъци".

Под ръководството на Института за критични материали към Министерството на енергетиката Янсон-Попова и нейните колеги търсят начин да направят процеса по-ефективен, като елиминират много от тези етапи. През 2022 г. изследователите откриват лиганд, който според тях е много по-ефективен при улавянето на определени редкоземни елементи от лигандите, използвани сега в индустрията. Партньорите от индустрията са готови да изпробват новия процес тази година, казва Янсон-Попова.

Най-голямото находище на редки земни елементи в европейската история, открито в Швеция

Най-голямото находище на редкоземни минерали в Европа е открито в Швеция. Кредит: LKAB

Шведската държавна минна компания LKAB наскоро съобщи за най-голямото находище на редкоземни метали, откривано някога в Европа – повече от милион тона редкоземни оксиди, които ще бъдат безценни в надпреварата към декарбонизация.

LKAB бърза да проучи находката, известна като находище Per Geijer, което бе открито в близост до мината Kiruna на компанията в Лапландия, която е описана като най-голямата и най-модерна подземна мина за желязна руда в света.

„Това е добра новина не само за LKAB, региона и шведския народ, но и за Европа и климата“, коментира Ян Мострьом, президент и главен изпълнителен директор на групата. „Това е най-голямото известно находище на редкоземни елементи в нашата част от света и може да се превърне във важен градивен елемент за производството на критично важни суровини, които са абсолютно ключови за осъществяването на зеления преход. Изправени сме пред проблем с доставките. Без мини не може да има електромобили."

Депозитът Per Giijer е в непосредствена близост до мината Kiruna на LKAB. Кредит: LKAB

Находката от над един милион тона (Баян Обо съдържа около 40 милиона тона) е най-голямата в европейската история и LKAB се надява да започне да я експлоатира възможно най-бързо, но компанията казва в прессъобщение, че настоящият процес на издаване на разрешителни изглежда ще й попречи да доставя суровини на пазар за "поне 10-15 години".

Справка:

R. C. Chapleski, Jr. et al. Improving Rare-Earth Mineral Separation with Insights from Molecular Recognition: Functionalized Hydroxamic Acid Adsorption onto Bastnäsite and Calcite. Langmuir. Vol. 38, April 20, 2022, p. 5439. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c03422.

U.S. Geological Survey. 2022 Final List of Critical Minerals. Published February 22, 2022.

J. M. Klinger. Rare-earth frontiers: From terrestrial subsoils to lunar landscapes. Cornell University Press, 2017.

S.H. Ali. Social and environmental impact of the rare-earth industries. Resources. Vol. 3, February 13, 2014, p. 123. doi: 10.3390/resources3010123.

A. L. Buck. A history of the Atomic Energy Commission. U.S. Department of Energy. Published July 1983. 

J. C. Olson et al. Rare-Earth mineral deposits of the Mountain Pass district, San Bernardino County, California. U.S. Geological Survey Professional Paper 261. Published 1954. https://doi.org/10.3133/pp261.

Източник:

Rare earth mining may be key to our renewable energy future. But at what cost?, Science News

Largest rare earths deposit in European history found in Sweden
Loz Blain, NewАtlas


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.