8 دقیقه
دفنشده در تودههای باطلههای دورریز معدنی، گنجینهای نهفته وجود دارد که میتواند فشار بر زنجیرههای تأمین جهانی را کاهش دهد: عناصر خاکی کمیاب. این عناصر از منظر کیهانی عجیب و غریب نیستند، اما در میان باقیماندههای ریزآسیابشده فرآوری زغالسنگ — که بهعنوان باطلههای زغالسنگ شناخته میشوند — فلزاتی قرار دارند که برای صنایع انرژی مدرن و الکترونیک حیاتیاند. پرسش این است که چگونه میتوان آنها را بازیابی کرد؟ همین سؤال تیمی به سرپرستی دانشگاه Northeastern را برانگیخت تا روشهای جدیدی را بررسی کنند؛ نتایجی که میتواند دید ما نسبت به معدنکاوی، بازیافت و بازسازی محیط زیست را دگرگون کند.
عناصر خاکی کمیاب (REEها) — مانند نئودیمیوم، دیسپروزیم و سایرین — ستون فقرات آهنرباهای پرقدرت، موتورهای خودروهای برقی، ژنراتورهای توربین بادی و قطعات جمعوجور الکترونیکی هستند. عنوان «خاکی کمیاب» بیشتر ناشی از رفتار ژئوشیمیایی آنهاست تا نایابی مطلق: این عناصر تمایل دارند به کانیهای رسی و میزبانهای معدنی دیگر بچسبند، که استخراج آنها را از قفسهای میکروسکوپیشان فنی پیچیده و اغلب پرهزینه میکند. روشهای سنتی در آزادسازی این عناصر از ساختارهای ریزمحیطی محدودیت دارند و همین موضوع جستوجو برای ذخایر جدید و پردازشهای منابعبر در خارج را تشدید میکند؛ وضعیتی که ریسکهای زنجیره تأمین و وابستگی به بازارهای خارجی را افزایش میدهد.
نحوه کار روش جدید
رویکرد نوآورانهای که در این مطالعه ارائه شده، ترکیبی از دو گام است که ماتریس معدنی نگهدارنده عناصر خاکی کمیاب را دگرگون میکند. ابتدا، باطلهها در یک محلول قلیایی غوطهور میشوند که هدف آن تضعیف پیوندهای شیمیایی بین عناصر و میزبانهای رسی یا اکسیدآهن است. در گام دوم، همان ماده پیشتغییریافته تحت گرمایش با انرژی مایکروویو قرار میگیرد و سپس هضم اسیدی — شستوشوی با اسید نیتریک — انجام میشود تا عناصر آزادشده از بقیه سنگ جدا شوند. نتیجه نهایی: ساختار جامدی متخلخل و تغییرشکلیافته که در فرآیند جداسازی شیمیایی بسیار همکاریپذیرتر از رسهای فشرده اولیه است.
مایکروویوها در اینجا بهعنوان میانبر آشپزخانه بهکار نمیروند؛ در آزمایشگاه آنها گرمایش حجمی سریع و هدفمندی را فراهم میکنند که شبکههای بلوری را کاراتر از کورههای متعارف تغییر میدهد. پیشتیمار قلیایی بهنظر میرسد که ساختار کریستالی محبوسکننده عناصر را باز میکند و گرمایش مایکروویو-کمکشده این تبدیل را تسریع میبخشد. پس از مرحله اسیدی، بازده بازیابی عناصری مانند نئودیمیوم بهطرز قابلتوجهی افزایش مییابد. در این مطالعه تیم گزارش داده است که بازدههای استخراج تا سه برابر بالاتر از برخی روشهای فعلی است که این بهبود در میزان بازیابی میتواند پیامدهای اقتصادی و استراتژیک قابلتأملی داشته باشد.
پژوهشگران میگویند فرایند استخراج بهکار رفته در مطالعه ممکن است مقیاسپذیری دشواری داشته باشد.
چنین بهبودی اهمیت دارد. برآوردها نشان میدهد که تنها در ایالات متحده، به ازای هر 1.5 میلیارد تن باطله زغالسنگ ممکن است بیش از 600 کیلوتن عناصر خاکی کمیاب قابل بازیابی پنهان شده باشد. بهعنوان مثال پنسیلوانیا حدود دو میلیارد تن چنین ضایعاتی دارد؛ حجمها در سراسر کشور و جهان بسیار گستردهاند. تبدیل یک تعهد زیستمحیطی به یک منبع قابلاستفاده میتواند نیاز به معادن جدید را کاهش دهد و تنوع منابع را افزایش دهد — مزیتی استراتژیک با افزایش تقاضا برای فناوریهای انرژی پاک.
زمینه علمی و موانع عملی
استخراج عناصر خاکی کمیاب از باطلهها صرفاً یک معما در سطح شیمی نیست؛ این یک مسئله موادشناختی است. REEها اغلب بر روی کانیهای ریزدانه رسی یا اکسیدهای آهن جذب یا درون آنها قفل شدهاند. آزادسازی آنها مستلزم شکستن پیوندها بدون ایجاد خطرات زیستمحیطی جدید است. روش پیشنهادی تحت هدایت Northeastern میزبان معدنی را هدف قرار میدهد: پیشتیمار قلیایی چسبندگی را شل میکند، مایکروویو واکنشها را تسریع میکند و اسید نیتریک عناصر را برای پالایشهای بعدی جدا میسازد.
با این حال، جهش از آزمایشگاه به کارخانه ساده نیست. مقیاسدهی راکتورهای مایکروویو برای پردازش هزاران تن ماده چالشهای مهندسی و هزینهای بههمراه دارد؛ از طراحی سیستمهای توزیع انرژی مایکروویو تا مدیریت گرمایش یکنواخت در حجمهای بزرگ. کانیشناسی باطلهها از یک توده تا دیگری بهطور گسترده تغییر میکند، بنابراین یک دستورالعمل یکسان برای همه تودهها بعید بهنظر میرسد. در برخی محلها، فلزات ارزشمند دیگر — مانند منیزیم یا عناصر پایه — نیز در زباله وجود دارند و میتوان آنها را همراه با REEها بازیابی کرد؛ این کار از نظر اقتصادی مفید است اما طراحی فرایند را پیچیدهتر میکند و ممکن است نیاز به مراحل تفکیک اضافی داشته باشد.
علاوه بر این، باید پارامترهای عملیاتی بهدقت تنظیم شوند: زمان و دمای پیشتیمار قلیایی، توان و توزیع مایکروویو، غلظت و دوز اسید نیتریک، و سپس مراحل خنثیسازی و بازیافت محلولها. کنترل فازها و محصولات جانبی معدنی نیز اهمیت دارد چرا که واکنشها ممکن است کانیهای ثانویهای تولید کنند که بر مراحل پالایش بعدی تأثیر بگذارند. همه اینها باعث میشوند که طراحی یک کارخانه آزمایشی (pilot plant) و مدلهای اقتصادی دقیق برای برآورد پایداری مالی و زیستمحیطی ضروری باشند.
«آنچه ما میبینیم تغییر در ساختار جامد این ماده است»، میگوید دامیلا دارامولا، زیستشیمیدان شیمیایی در دانشگاه Northeastern و یکی از اعضای تیم پژوهشی، و توصیف میکند که چگونه درمان ترکیبی تخلخل ایجاد کرده و عناصر قفلشده را آزاد میکند. این بیان نشان میدهد که این پژوهش تا چه اندازه درباره مهندسی مواد است، نه فقط شیمی تجزیه.
جنبههای زیستمحیطی در مرکز توجه قرار دارند. بازپردازش باطلهها میتواند امضای زیستمحیطی استخراج تازه را کاهش دهد، حملونقل سنگهای معدنی از طریق اقیانوسها را کم کند و ذخیرهسازی فعلی زبالهها را ایمنتر سازد با کاهش حجمهای واکنشپذیر. با این وجود، ارزیابی چرخه عمر (LCA) و تحلیلهای جامع نیاز است: ورودیهای انرژی، دفع مواد شیمیایی مصرفشده، و احتمال آلودگی ثانویه همگی باید در برابر منافع حاصل از عناصر بازیابیشده سنجیده شوند. برای مثال، هزینههای انرژی مرتبط با تولید حرارت مایکروویو و مدیریت اسید نیتریک، و همچنین راهکارهای بازیافت یا خنثیسازی محلولهای مصرفی، باید در مدل اقتصادی و زیستمحیطی لحاظ شوند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر لنا اورتیز، یک موادشناس که در زمینه مواد معدنی حساس مطالعه میکند، اظهار میدارد: «نوآوریهایی مانند پیشتیمار با کمک مایکروویو امیدوارکنندهاند زیرا به مشکل ریشهای حمله میکنند — عناصر خاکی کمیاب که در میزبانهای معدنی پیچیده گیر افتادهاند. با این حال، گذار به عملیات در مقیاس صنعتی نیازمند کارخانههای پایلوت، فرایندهای سازگار با زمینشناسی محلی و مدلهای اقتصادی است که ارزش عناصر همراه بازیابیشده و منافع زیستمحیطی را نیز لحاظ کنند. این یک مسیر هیجانانگیز است، اما راهکاری آمادهبهکار نیست.»
راه پیش رو شامل اصلاحات فنی، نمایشهای آزمایشی در مقیاس پایلوت و جذب علاقه صنعتی خواهد بود. اگر این عوامل همراستا شوند، تودههای باطله زغالسنگ که زمانی باعث مشکلات زیستمحیطی بودند میتوانند به مخازن استراتژیک فلزاتی تبدیل شوند که برای ساختن آیندهای پاکتر نیاز داریم.
برای تقویت قابلیت اجرایی، پیشنهاد میشود که مطالعات موردی ناحیهای انجام شود تا کانیشناسی محلی، ترکیب شیمیایی باطله، و پتانسیل عناصر همراه مشخص شود. همچنین ایجاد همکاری بین دانشگاهها، صنایع معدنی و نهادهای تنظیمکننده میتواند چارچوبهای قانونی و حمایتی لازم برای سرمایهگذاری در پایلوتها و سپس راهاندازیهای تجاری را فراهم آورد. از منظر فناوری، توسعه راکتورهای مایکروویو با بازده انرژی بالاتر و طراحیهایی که امکان کنترل دقیقتر توزیع میدان الکترومغناطیسی را میدهند، کلیدی خواهد بود.
از منظر اقتصاد چرخهای و سیاستگذاری، بازیافت عناصر خاکی کمیاب از باطلهها با کاهش نیاز به واردات و ایجاد منابع داخلی میتواند موجب استحکام زنجیره تأمین شود. بهعلاوه، اگر بازفرآوری باطلهها بتواند به کاهش استخراج جدید کمک کند، خسارات زیستمحیطی مرتبط با معدنکاوی سنتی نیز کاهش مییابد. با این حال، پذیرش عمومی و شفافیت در مورد اثرات زیستمحیطی، مدیریت مواد شیمیایی و نحوه دفع پسماندهای ثانویه، برای موفقیت هر برنامهای ضروری است.
چالشهای عملیاتی شامل بهصرفهسازی هزینهها، ایمنسازی استفاده از اسیدها و مواد شیمیایی، و طراحی سیستمهایی برای بازیافت یا خنثیسازی محلولها هستند. افزون بر این، بازگردانی عناصر همراه (co-recovery) میتواند هم سود اقتصادی را افزایش دهد و هم فرایندها را پیچیدهتر کند؛ برای نمونه، بازیابی منیزیم یا عناصری مانند کادمیوم یا سرب در برخی باطلهها ممکن است نیازمند مراحل تفکیک ایمنی بیشتری باشد. بنابراین، ارزیابی کامل مواد ورودی و تدوین استراتژیهای جداسازی چندمرحلهای ضروری است.
در نهایت، موفقیت این مسیر بستگی به همگرایی فناوری، سرمایه، و سیاست دارد. اگر سرمایهگذاران صنعتی، حمایتهای دولتی و استانداردهای زیستمحیطی مناسب در محل فراهم شوند، این فناوری میتواند به بخشی از راهحل بزرگتری تبدیل شود که تأمین عناصر کلیدی فناوریهای پاک را بومیسازی و پایدارتر میسازد.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_x
کمی تبلیغاتی به نظر میاد، ایده خوب ولی تا وقتی انرژی و مدیریت اسید واضح نشه، ادعاها زود قضاوت میشن.
پمپزون
نگرش متوازنهایه؛ هم فرصت هست هم ریسک. اگر LCA مثبت باشه و مدیریت شیمیایی درست باشه، ارزش سرمایهگذاری داره.
امیر
من تو پروژههای بازیافت دیدم تغییر ساختار جامد خیلی کمک میکنه، ولی مایکروویو در مقیاس بزرگ داستان جداست، باید پایلوت بزنن.
لابکور
بازده تا سه برابر تو آزمایشگاه جذابه، ولی آیا تو تودههای مختلف و مقیاس صنعتی هم تکرار میشه؟ پارامترهای انرژی مایکروویو رو کجا نوشتن...
توربو
معقوله به نظرم، مخصوصا که منابع داخلی تقویت میشه. اما تا قیمت نهایی و بازیافت اسید روشن نشه، دست کم نگیرنش.
دیتاپال
وای، اینو انتظار نداشتم! اگه درست باشه باطلهها میتونن تبدیل به منبع ارزشمند شن، ولی هزینه و پسماند اسیدی نگرانکنندهس...
ارسال نظر