PDF Basket
Pierwiastki ziem rzadkich są wykorzystywane w szerokiej gamie produktów, między innymi w soczewkach optycznych oraz magnesach. Znajdują też zastosowanie w wielu procesach przemysłowych, w tym w produkcji ceramiki, w metalurgii oraz w polerowaniu. Problemem pozostaje fakt, że Europa nie produkuje obecnie tych minerałów, a swoje potrzeby w tym zakresie zaspokaja poprzez import, głównie z Chin.
Chcąc zwiększyć samowystarczalność Europy, zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SecREEts opracował metody pozyskiwania skoncentrowanych pierwiastków ziem rzadkich ze skał fosforanowych wykorzystywanych do produkcji nawozów. Zespół wykorzystał metodę chromatograficzną w celu oddzielenia cennych pierwiastków, a następnie wykorzystał elektrolizę stopionych soli w celu uzyskania metali ziem rzadkich do produkcji magnesów.
„Pozyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich przy niemal zerowym wpływie na środowisko stanowi bardzo zrównoważoną alternatywę dla nowych przedsięwzięć górniczych”, wyjaśnia Arne Petter Ratvik, koordynator projektu i pracownik naukowy SINTEF, jednej z największych niezależnych organizacji badawczych w Europie.
„Co najważniejsze, procesy oddzielania tych pierwiastków opracowane w ramach projektu SecREEts mogą w znacznym stopniu przyczynić się do rozwoju gospodarki o obiegu zamkniętym, gdyż mogą być stosowane także do obróbki innych źródeł surowców zawierających pierwiastki ziem rzadkich, w tym surowców wtórnych, takich jak zużyte magnesy i odpady elektroniczne”, dodaje Ratvik.
Pozyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich
Skały fosforanowe wykorzystywane w produkcji nawozów z reguły zawierają w swoim składzie od 0,3 % do 1 % pierwiastków ziem rzadkich. Gdy nawóz jest wytwarzany przy pomocy metody nitrofosfatowej, wszystkie cenne pierwiastki ziem rzadkich trafiają do gotowego produktu, gdzie nie przedstawiają żadnej wartości. Z tego powodu zespół projektu SecREEts opracował nowatorski proces pozyskiwania tych pierwiastków w czasie produkcji nawozu.
Choć proces oparty na mieszanych kwasach jest najpopularniejszą metodą produkcji nawozów, pierwiastki ziem rzadkich ostatecznie trafiają do odpadów wraz z gipsem i pierwiastkami promieniotwórczymi, co utrudnia ich oddzielenie.
„Metoda nitrofosfatowa stanowi dużo lepsze rozwiązanie z punktu widzenia pozyskiwania pierwiastków ziem rzadkich, ponieważ można je pozyskiwać bezpośrednio w istniejących zakładach, wprowadzając po prostu dodatkowy etap obróbki surowca”, wyjaśnia Ratvik.
Zespół projektu SecREEts z powodzeniem przeprowadził trzy wdrożenia pilotażowe. W ramach pierwszego z nich, pierwiastki ziem rzadkich były pozyskiwane bezpośrednio w trakcie procesu produkcji nawozu w zakładzie spółki Yara – jednego z partnerów projektu, przetwarzającego blisko 650 000 skał fosforanowych rocznie. Koncentrat zawierający pożądane pierwiastki ziem rzadkich został uzyskany z bogatego w fosforany roztworu macierzystego przy pomocy technik wytrącania.
Koncentrat ten trafił następnie do zespołu REEtec, który zajął się separacją poszczególnych tlenków pierwiastków ziem rzadkich charakteryzujących się wysoką czystością przy pomocy nowatorskiego procesu chromatograficznego. Ta wyjątkowa metoda jest znacznie bardziej przyjazna dla środowiska niż wykorzystywane dotychczas metody ekstrakcji przy użyciu rozpuszczalników.
Uzyskane w ten sposób tlenki zostały następnie wysłane do wyspecjalizowanych inżynierów spółki Less Common Metals, którzy wykorzystali je w celu wytworzenia metali w drodze procesu elektrolizy opartego na fluorkach, przebiegającego w temperaturze od 1 050 °C do 1 100 °C. Uzyskany metal został następnie stopiony i odlany w formie taśmy, wykorzystanej do produkcji magnesów o wysokich osiągach.
„Silne magnesy mają kluczowe znaczenie dla europejskiej gospodarki ze względu na ich zastosowania w pojazdach elektrycznych, silnikach przemysłowych oraz turbinach wiatrowych”, wyjaśnia Ratvik. Jakość stopu wykorzystanego do produkcji magnesów została potwierdzona przez zespół spółki Vacuumschmelze, która zajmuje się ich produkcją.
Modułowy proces opracowany w ramach projektu SecREEts może zostać wykorzystany przez wszystkich producentów nawozów stosujących metodę nitrofosfatową.
Dostrzeganie możliwości oraz zagrożeń
Biorąc pod uwagę fakt, że Komisja Europejska ogłosi wkrótce europejski akt w sprawie surowców krytycznych, którego celem jest zapewnienie Europie dostępu do pierwiastków ziem rzadkich, to innowacyjne rozwiązanie pojawia się w doskonałym momencie.
Choć w Europie znajduje się szereg dużych złóż pierwiastków ziem rzadkich, spośród których najbardziej znane są te zlokalizowane w norweskim regionie Fensfeltet oraz niedawno odkryte w okolicach szwedzkiego miasta Kiruna, nie jesteśmy w stanie zaspokoić całego zapotrzebowania z własnych zasobów.
„Przejście od poszukiwania złóż mineralnych do ich wydobycia stanowi kosztowne przedsięwzięcie, a samo uzyskanie stosownych pozwoleń może zająć od 10 do 15 lat”, wyjaśnia Ratvik. „Nasz proces stanowi szybszą i realistyczną alternatywę”.
Spółka REEtec, będąca jednym z projektu, ogłosiła swój zamiar stania się pierwszym w Europie producentem tlenków pierwiastków ziem rzadkich charakteryzujących się wysoką czystością, któremu uda się osiągnąć przemysłową skalę produkcji. Dotychczas przedsiębiorstwo odniosło sukces w zdobyciu wymaganego kapitału dzięki spółce LKAB, która została jego największym udziałowcem. W początkowej fazie realizacji koncentrat pierwiastków ziem rzadkich będzie jednak pochodził z kanadyjskiej kopalni ze względu na obecne ograniczenia dostępności nawozów w Europie.
„Chińskie plany skupienia się na wytwarzaniu gotowych produktów mogą wpłynąć negatywnie na dostawy surowców do Europy i zakłócić europejską produkcję, dlatego powinniśmy analizować możliwości wykorzystania wielu łańcuchów wartości w celu zapewnienia pewnych dostaw kluczowych materiałów”, podsumowuje Ratvik.
Badacz nadal zajmuje się analizą możliwości wykorzystania procesów opracowanych w ramach projektu SecREEts w celu odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich, realizując badania w ramach projektów mających na celu zapewnienie sukcesu ekologicznej transformacji Europy, takich jak między innymi projekt REEPRODUCE.