Neues Verfahren gewinnt Seltene Erden aus Kohlerückständen effizienter

Seltene Erden kommen in einer Vielzahl moderner Technologien zum Einsatz – von Windkraftanlagen bis hin zu Mobiltelefonen. Zwar sind diese Elemente nicht wirklich selten, doch ihre Gewinnung und Reinigung gestaltet sich schwierig.

Ein von Forschenden der Northeastern University in den USA geleitetes Team hat eine neue Methode entwickelt, um Seltene Erden aus Abfällen des Kohlebergbaus zurückzugewinnen. Das Verfahren arbeitet laut den Forschenden bis zu dreimal effizienter als bisherige Ansätze.

Bei diesen als Kohlerückstände bezeichneten Abfällen handelt es sich um eine Mischung aus fein zermahlenem Gestein, Wasser und Kohlepartikeln. Riesige Mengen davon sammeln sich in Becken, die verhindern sollen, dass die Rückstände die Umwelt verunreinigen.

Seltene Erden aus Kohlerückständen gewinnen

In den USA wird der Großteil dieses Materials später entweder zur Auffüllung von Baustoffen verwendet oder schlicht entsorgt. Schätzungen zufolge könnten aus jeweils 1,5 Milliarden Tonnen dieser abgelagerten Rückstände mehr als 600 Kilotonnen Seltene Erden gewonnen werden – eine Aufgabe, die bestehende Verfahren bislang nicht effizient bewältigen konnten.

Das neue Extraktionsverfahren besteht aus zwei entscheidenden Schritten: Zunächst werden die Kohlerückstände in einer alkalischen Lösung unter Mikrowellenerhitzung behandelt. Anschliessend trennt eine Behandlung mit Salpetersäure die Seltenen Erden vom übrigen Gestein.

„Die Ergebnisse zeigen, dass die alkalische Vorbehandlung von Kohlerückständen vor dem Säureaufschluss die Effizienz der Extraktion Seltener Erden erheblich beeinflusst, während in der alkalischen Lösung nur eine minimale Extraktion stattfindet“, schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Studie.

Um Seltene Erden aus Kohlerückständen zu lösen, müssen sie aus den Tonmineralen herausgelöst werden, die sie fest umschliessen. Genau das machte frühere Extraktionsmethoden wenig wirksam und veranlasste Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu, nach anderen Quellen für Seltene Erden zu suchen.

Die Kombination aus alkalischer Vorbehandlung und Mikrowellenerhitzung verändert die Struktur der Mineralien, welche die Elemente umgeben. Dadurch werden die Kohlerückstände in eine porösere Form überführt.

„Es stellt sich heraus, dass man tatsächlich die feste Struktur dieses Materials verändert“, sagt der Chemiebiologe Damilola Daramola von der Northeastern University.

Neodym und die Hürden der Skalierung

Zu den Seltenen Erden, die sich mit diesem Prozess gewinnen lassen, zählt Neodym. Das Element wird für hochfeste Magnete, Elektroautos, Computerspeicher und Windkraftanlagen benötigt – also für Anwendungen, die sowohl im heutigen Alltag als auch beim fortlaufenden Übergang zu umweltfreundlicheren Technologien entscheidend sind.

Die bisherigen Ergebnisse sind zwar sehr vielversprechend, dennoch bleiben mehrere Herausforderungen bestehen. Das Verfahren könnte die Effizienz deutlich verbessern, ist jedoch weiterhin kostspielig und möglicherweise nur schwer im grossen Massstab umsetzbar.

Zwar stehen enorme Mengen an Kohlerückständen zur Verfügung – allein im US-Bundesstaat Pennsylvania liegen beispielsweise rund 2 Milliarden Tonnen davon. Allerdings unterscheidet sich die mineralische Zusammensetzung dieser Gesteine je nach Standort. Der Extraktionsprozess müsste daher für jeden einzelnen Fall weiter angepasst werden.

Darüber hinaus enthalten Kohlerückstände zahlreiche weitere wertvolle Elemente, etwa Magnesium, die idealerweise gleichzeitig mit den Seltenen Erden zurückgewonnen würden. Auch dies muss bei der weiteren Entwicklung berücksichtigt werden.

Trotz dieser Einschränkungen ist ein deutlicher Anstieg der Extraktionseffizienz ein Grund zur Freude: Die Nachfrage nach Seltenen Erden war noch nie so hoch, und in den kommenden Jahren werden deutlich grössere Mengen benötigt.

„Dieser Ansatz liefert neue Erkenntnisse über die Mechanismen der Freisetzung Seltener Erden und über das Potenzial, die alkalische Vorbehandlung von Kohleabfällen für eine effiziente Extraktion Seltener Erden zu optimieren“, schreiben die Forschenden.

Die Studie wurde in einer Fachzeitschrift für Umweltwissenschaft und Technik veröffentlicht.