Der Gehalt an Seltenerdelementen in US-Kohleaschen zeigt, dass die aus den Appalachen gewonnene Kohle die sprichwörtliche Goldgans für schwer zu findende Materialien sein könnte, die für saubere Energie und andere aufkommende Technologien entscheidend sind.

Nachdem im Jahr 2014 durch ein gebrochenes Abflussrohr Kohleasche in den Dan River in North Carolina gelangte, war die Frage, was mit den alternden Rückhaltebecken des Landes und künftigen Kohlenascheabfällen geschehen soll, ein umstrittenes Thema.

Eine besonders unternehmerische Idee besteht darin, aus der verbrannten Kohle sogenannte „kritische“ Seltenerdelemente wie Neodym, Europium, Terbium, Dysprosium, Yttrium und Erbium zu gewinnen. Das Energieministerium hat diese weltweit knappen Metalle als vorrangig für ihre Verwendung in sauberer Energie und anderen neuen Technologien identifiziert. Doch wie viele dieser Elemente genau in den verschiedenen Kohleaschequellen in den USA enthalten sind, wurde nie erforscht.

Teile pro Million

Forscher der Duke University haben den Gehalt an Seltenerdelementen in Kohlenascheproben gemessen, die alle wichtigen Kohlequellen in den Vereinigten Staaten repräsentieren. Sie untersuchten auch, wie viel dieser Elemente mit einer herkömmlichen Industrietechnik aus der Asche gewonnen werden könnte.

Die Ergebnisse, online in der Zeitschrift veröffentlicht Environmental Science and Technologyzeigen, dass Kohle aus den Appalachen die meisten Seltenerdelemente enthält. Wenn die Extraktionstechnologien jedoch billig genug wären, gibt es auch in anderen Quellen reichlich Seltenerdelemente.

„Das Energieministerium investiert 20 Millionen US-Dollar in die Erforschung von Extraktionstechnologien für Kohleabfälle, und in der Kohleasche unseres Landes sind buchstäblich Seltenerdelemente im Wert von mehreren Milliarden US-Dollar enthalten“, sagt Heileen Hsu-Kim, außerordentliche Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen.

„Wenn ein Programm vorangetrieben würde, würden sie eindeutig die Kohlenasche mit der höchsten Menge an abbaubaren Seltenerdelementen auswählen wollen, und unsere Arbeit ist die erste umfassende Studie, die mit der Untersuchung der Optionen beginnt.“

Die Forscher entnahmen Kohlenascheproben aus Kraftwerken, die sich hauptsächlich im Mittleren Westen der USA befinden und Kohle aus dem ganzen Land verbrennen, einschließlich der drei größten Quellen: den Appalachen, Süd- und West-Illinois und dem Powder River Basin in Wyoming und Montana. Der Gehalt an Seltenerdelementen wurde dann mit Flusssäure getestet, die viel stärker und effizienter als industrielle Methoden ist, aber zu gefährlich für den Einsatz in großem Maßstab.

Die Ergebnisse zeigten, dass die aus Kohle aus den Appalachen gewonnene Asche mit 591 Milligramm pro Kilogramm (oder Teilen pro Million) den höchsten Anteil an Seltenerdelementen aufweist. Asche aus Illinois und dem Powder River Basin enthält 403 mg/kg bzw. 337 mg/kg.

Wiederherstellungsmethode erforderlich

Anschließend verwendeten die Forscher eine gängige industrielle Extraktionstechnik mit Salpetersäure, um zu sehen, wie viel der Seltenerdelemente zurückgewonnen werden konnten. Kohlenasche aus den Appalachen verzeichnete die niedrigsten Extraktionsraten, während Asche aus dem Powder River Basin die höchsten erreichte. Hsu-Kim vermutet, dass dies daran liegen könnte, dass die Seltenerdelemente in der Kohlenasche der Appalachen in einer glasigen Matrix aus Aluminiumsilikaten eingekapselt sind, die Salpetersäure nicht sehr gut auflöst.

„Ein Grund, Kohlenasche aus den Appalachen zu pflücken, wäre der hohe Gehalt an Seltenerdelementen, aber man müsste eine andere Gewinnungsmethode als Salpetersäure verwenden“, sagt Hsu-Kim. „Damit jedes zukünftige Unternehmen ein Extraktionsprogramm starten kann, muss die Rückgewinnungsmethode auf die spezifische Chemie der verwendeten Kohlenasche zugeschnitten sein.“

Die Forscher versuchten auch, die Kohlenasche mit einem alkalischen Mittel zu „rösten“, bevor sie sie mit Salpetersäure auflösten. Auch wenn der Prozess nicht für Rückgewinnungszwecke optimiert war, zeigten die Tests eine deutliche Verbesserung der Extraktionseffizienz.

„Die von uns verwendeten Reagenzien sind wahrscheinlich zu teuer für den industriellen Einsatz, aber es gibt viele ähnliche Chemikalien“, sagt Hsu-Kim. „Der Trick besteht darin, unsere Möglichkeiten auszuloten und Technologien zu entwickeln, um die Kosten zu senken. Auf diese Weise können wir diese riesige Ressource nutzen, die derzeit nur in den Entsorgungsbecken herumliegt.“

Die National Science Foundation, die Environmental Research and Education Foundation und die American Coal Ash Association finanzierten die Arbeit.

Quelle: Duke University

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