Важнейшие полезные ископаемые, в том числе редкоземельные элементы, используются для питания таких устройств, как смартфоны и компьютеры, и имеют важное значение для национальной экономики и национальной безопасности. Центр критических минералов штата Пенсильвания разработал новый процесс очистки, который извлекает смешанные оксиды редкоземельных элементов из кислых стоков шахт и связанных с ними шламов с чистотой 88,5%.
Критические минералы (КМ), в том числе 17 редкоземельных элементов (РЗЭ), используются во многих бытовых товарах, таких как смартфоны и компьютеры, а также во многих коммерческих продуктах, таких как электромобили, аккумуляторы и солнечные панели. Спрос на них резко вырос, и они классифицируются как критически важные, поскольку имеют большое экономическое значение, высокий риск поставок, а их отсутствие имело бы серьезные последствия для экономической и национальной безопасности Соединенных Штатов.
Было обнаружено, что кислые шахтные стоки (КШД) и связанные с ними твердые вещества и осадки, образующиеся в результате обработки КД, являются жизнеспособными источниками различных УВ, включая РЗЭ, алюминий, кобальт и марганец.
Министерство энергетики США (DOE) профинансировало усилия по демонстрации как технической осуществимости, так и экономической целесообразности извлечения, разделения и извлечения РЗЭ и КМ из угля США и его побочных продуктов с целью получения смешанных оксидов редкоземельных элементов из угля. на основе ресурсов с минимальной чистотой 75%.
«Мы работаем над разработкой стратегий извлечения CM и РЗЭ из этих потоков отходов и достигли рубежа в 88,5% содержания РЗЭ», — сказала Сарма Писупати, профессор энергетики и горного дела и директор Центра критических минералов в Пенсильвании. . «Текущая цель, установленная Министерством энергетики США для достижения смешанных оксидов редкоземельных элементов, составляет 75%, и мы превзошли эту цель».
Кислотный дренаж шахты и связанный с ним шлам, представляющий собой угольный пласт Нижнего Киттеннинга, были получены с трех очистных сооружений, находящихся в ведении Департамента охраны окружающей среды Пенсильвании, и были охарактеризованы и оценены на предмет извлечения множества важных минералов.
Новый процесс очистки, основанный на ранее разработанном трехступенчатом процессе обработки AMD, был разработан для извлечения высококачественных продуктов алюминия, РЗЭ, кобальта и марганца из материалов шлама посредством водной обработки с несколькими этапами очистки и точным контролем параметров процесса. , по мнению исследователей.
«Извлечение РЗЭ и КМ непосредственно из AMD устраняет необходимость растворения шлама и связанных с этим затрат на реагенты и переработку, что приводит к более устойчивым методам удаления отходов с низкими затратами», — сказал Мохаммад Резаи, доцент кафедры горного дела в Пенсильванском университете. и соавтор исследования. «Мы продемонстрировали, что можем превратить эти потоки отходов, которые десятилетиями вызывали озабоченность у окружающей среды, в ценные ресурсы, так что это беспроигрышный вариант для окружающей среды, общества и нации».
ВМД обычно лечат добавлением извести или других химических веществ для повышения pH до 7.
«Обычно AMD нейтрализуют путем добавления различных щелочных химикатов», — сказал Резаи, который также имеет звание профессора по развитию карьеры в области горного дела. «Поскольку pH AMD увеличивается в процессе обработки, металлы выпадают в осадок в виде гидроксидов металлов или других комплексов».
В новой системе pH по-прежнему повышается до pH 7, но поэтапно.
«Вместо того, чтобы сразу добавлять гидроксид натрия, гидроксид кальция или известь для повышения pH, мы повышаем его поэтапно», — сказал Писупати. «Преимущество этого метода в том, что он позволяет определенным минералам выпадать в осадок при разных уровнях pH. Если мы добавим нашу основу сразу и доведем pH до 7, все эти вещества выпадут в осадок одновременно. вернуться и разлучить их».
Исследователи подняли pH до уровня, необходимого для осаждения железа, а затем до pH, необходимого для осаждения алюминия. По словам исследователей, после удаления железа и алюминия РЗЭ извлекаются путем карбонатного осаждения.
«Наша проблема заключалась в том, что мы не могли удалить 100% железа и алюминия; в концентрации РЗЭ было немного остатка», — сказал Писупати. «Даже если у вас всего 1% содержания алюминия в смеси, он преобладает, и качество редкоземельных элементов не будет таким чистым. Это было учтено в новом процессе очистки».
В процессе очистки удаленные осадки снова возвращаются в цикл для удаления железа, алюминия и других остатков.
«В процессе очистки мы снова и снова проходим цикл, возвращаясь к pH 3 или 3,5 и начиная все сначала», — сказал Писупати. «Мы медленно избавляемся от других остатков, возможно, два или три раза в течение цикла, чтобы повысить чистоту РЗЭ. В наших предыдущих исследованиях мы были на уровне от 17% до 18%, так что это значительное достижение».
Извлечение более 99% целевых элементов было достигнуто за счет конструкции рециркуляционной загрузки. В исходном трехступенчатом процессе осаждения осадки кобальта и марганца имели концентрацию 0,85% и 23% соответственно. В результате процесса очистки их концентрации были увеличены до 1,3% и 43% соответственно.