La teneur en éléments de terres rares dans les cendres de charbon aux États-Unis montre que le charbon extrait des Appalaches pourrait être l'oie dorée proverbiale pour les matériaux difficiles à trouver critiques pour l'énergie propre et d'autres technologies émergentes.
À la suite d'un déversement de cendres de charbon dans la rivière Dan en Caroline du Nord en 2014 à partir d'un tuyau de drainage rompu, la question de savoir quoi faire avec les bassins de rétention vieillissants du pays et les futurs déchets de cendres de charbon a été un sujet controversé.
Une idée particulièrement entrepreneuriale est d'extraire des éléments de terres rares dits "critiques" tels que le néodyme, l'europium, le terbium, le dysprosium, l'yttrium et l'erbium du charbon brûlé. Le ministère de l'Énergie a identifié ces métaux rares dans le monde comme une priorité pour leurs utilisations dans l'énergie propre et d'autres technologies émergentes. Mais exactement combien de ces éléments sont contenus dans différentes sources de cendres de charbon aux États-Unis n'avaient jamais été explorés.
Parties par million
Des chercheurs de l'Université Duke ont mesuré la teneur en éléments des terres rares dans des échantillons de cendres de charbon représentant toutes les principales sources de charbon aux États-Unis. Ils ont également examiné combien de ces éléments pourraient être extraits de la cendre en utilisant une technique industrielle commune.
Les résultats, publiés en ligne dans la revue Environmental Science and Technology, montrent que le charbon des Appalaches contient les éléments terrestres les plus rares. Cependant, si les technologies d'extraction étaient assez bon marché, il y a beaucoup d'éléments de terres rares dans d'autres sources.
«Le ministère de l'Énergie investit $ 20 millions dans la recherche sur les technologies d'extraction des déchets de charbon, et il y a littéralement des milliards d'éléments de terres rares dans les cendres de charbon de notre pays», explique Heileen Hsu-Kim, professeure agrégée de génie civil. et l'ingénierie environnementale.
"Si un programme devait aller de l'avant, ils voudraient clairement choisir les cendres de charbon avec la plus grande quantité d'éléments extractibles des terres rares, et notre travail est la première étude complète à commencer à étudier les options."
Les chercheurs ont prélevé des échantillons de cendres de charbon dans des centrales situées dans le Midwest américain et qui brûlent du charbon provenant de tout le pays, notamment des Appalaches, du sud et de l'ouest de l'Illinois et du Powder River dans le Wyoming et le Montana. La teneur en éléments des terres rares a ensuite été testée en utilisant l'acide fluorhydrique, qui est beaucoup plus fort et plus efficace que les méthodes industrielles, mais qui est trop dangereux pour être utilisé à grande échelle.
Les résultats ont montré que les cendres provenant du charbon des Appalaches ont la plus grande quantité d'éléments de terres rares à 591 milligrammes par kilogramme (ou parties par million). Les cendres de l'Illinois et du bassin de la Powder River contiennent respectivement 403 mg / kg et 337 mg / kg.
Méthode de récupération nécessaire
Les chercheurs ont ensuite utilisé une technique d'extraction industrielle commune utilisant de l'acide nitrique pour déterminer la quantité d'éléments de terres rares pouvant être récupérés. Les cendres de charbon des Appalaches ont connu les plus faibles pourcentages d'extraction, tandis que les cendres du bassin de Powder River ont connu les plus hauts pourcentages. Hsu-Kim pense que cela pourrait être dû au fait que les éléments de terres rares dans la cendre de charbon des Appalaches sont encapsulés dans une matrice vitreuse de silicates d'aluminium, que l'acide nitrique ne dissout pas très bien.
«L'une des raisons pour lesquelles il faut prélever des cendres de charbon dans les Appalaches serait leur teneur en éléments à haute teneur en terres rares, mais il faudrait utiliser une méthode de récupération autre que l'acide nitrique», explique Hsu-Kim. "Pour toute entreprise future de commencer un programme d'extraction, la méthode de récupération devra être adaptée à la chimie spécifique de la cendre de charbon utilisée."
Les chercheurs ont également essayé de "rôtir" la cendre de charbon avec un agent alcalin avant de la dissoudre avec de l'acide nitrique. Même si le processus n'avait pas été optimisé pour la récupération, les tests ont montré une amélioration marquée de l'efficacité de l'extraction.
«Les réactifs que nous utilisons sont probablement trop chers à utiliser à l'échelle industrielle, mais il existe de nombreux produits chimiques similaires», explique Hsu-Kim. "L'astuce sera d'explorer nos options et de développer des technologies pour réduire les coûts. De cette façon, nous pouvons puiser dans cette vaste ressource qui est actuellement assis dans les bassins d'élimination. "
La National Science Foundation, la Environmental Research and Education Foundation et l'American Coal Ash Association ont financé le travail.
La source: Duke University
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