يمكن أن تكون الحفرة السامة منجمًا ذهبيًا لعناصر الأرض النادرة

هناك حكاية أخبرت عن عامل منجم عثر على علب النحاس في تفريغ القمامة في الأيام الأولى من التعدين. وقال إن مياه الصرف الصحي من تعدين النحاس كانت تتدفق عبر أرضه ، وحولت علب الصلب إلى النحاس.

قد تكون القصة ملفقًا ، لكن العملية حقيقية ، وتسمى الأسمنت. لا تزال Montana Resources ، شركة التعدين التي تولى من شركة Anaconda Copper Company ، تستخدم هذه الخدعة الكيميائية في عملية في منجمها القاري في Butte ، Mont.

بجانب المنجم توجد حفرة بيركلي ، التي تمتلئ بـ 50 مليار جالون من المشروب السام الحامض. Montana Resources Pipes Liquid من الحفرة ، مما يمكّنها من التتابع على أكوام من الحديد الخردة. يصبح الحديد نحاسيًا ويجمع للإنتاج.

على الرغم من أن طرق إزالة المعادن من المياه كانت موجودة منذ فترة طويلة ، إلا أن التدافع العالمي للمعادن المهمة للتصنيع والتقدم التكنولوجي في السنوات الأخيرة قد أنجبت جيلًا جديدًا من تقنيات الاستخراج والعمليات.

واحدة من المصادر الغنية بالمعادن التي يركز عليها الباحثون هي مياه الصرف الصحي ، بما في ذلك محلول ملحي من محطات تحلية المياه ، ومياه تكسير النفط والغاز ومياه الصرف الصحي من التعدين. يقدر الباحثون في جامعة ولاية أوريغون أن محلول محلول المياه من تحلية المياه وحدها يحتوي على معادن تقدر قيمتها بحوالي 2.2 تريليون دولار.

وقال بيتر س. فيسك ، مدير التحالف الوطني لابتكار المياه في لورانس بيركلي الوطنية في وزارة الطاقة: “المياه هي الهيئة الخام في القرن الحادي والعشرين”. “التكنولوجيا تسمح لنا الآن باختيار أكوام القمامة من مياه الصرف الصحي واختيار العناصر ذات القيمة العالية.”

الأبحاث حول استخراج الأرض النادرة ، مجموعة من العناصر المعدنية ، من النفايات واسعة الانتشار مع زيادة الحاجة إليها بشكل كبير. يدرس الباحثون في مسح إنديانا الجيولوجي والمياه بجامعة إنديانا ، على سبيل المثال ، إمكانية استخراج الأرض النادرة في نفايات الفحم ، بما في ذلك مخلفات الرماد المتطاير والفحم. وقد ابتكر الباحثون في جامعة تكساس في أوستن أغشية تحاكي تلك الطبيعية لفصل الأرض النادرة عن النفايات.

ليس فقط تعدين مياه الصرف الصحي أكثر اقتصادا وأسرع من بدء مناجم جديدة ، بل هو أيضا أنظف.

من بين الجوائز الكبيرة التي تنقلها المياه في الحفرة المجاورة للبوت عنصرين نادرين من الأرض (Rees) ، Neodymium و Praseodymium. وهي أمر حيوي للمغناطيس الصغير القوي في السيارات الكهربائية ، وللتكنولوجيا الطبية ولأغراض الدفاع ، مثل الصواريخ والأقمار الصناعية الموجهة الدقيقة. تستخدم طائرة مقاتلة واحدة F-35 900 رطل من المعادن النادرة.

وقال مارك تومبسون ، نائب رئيس الشؤون البيئية في مونتانا للموارد: “إننا نحول مسؤولية عملاقة إلى شيء يساهم في الدفاع”. “هناك بعض المعادن عالية المستوى تحدث هنا. أشياء حقيقية egghead.”

هذا هو الوقت الحاسم للبحث في الإنتاج المحلي للأرض النادرة. لا تخضع الولايات المتحدة فقط وراء الصين ، ولكن الحرب التجارية للرئيس ترامب حفزت الصين على التهديد بتقييد صادرات المعادن النادرة النادرة نتيجة لتعريفات ترامب. يقول الخبراء في برنامج أمن المعادن الحرجة في مركز الدراسات الاستراتيجية والدولية إن الفجوة الكبيرة ستمكن الصين من توسيع قدراتها الدفاعية بسرعة أكبر بكثير مما يمكن للولايات المتحدة.

كل من غرينلاند وأوكرانيا هما محور انتباه إدارة ترامب إلى حد كبير لأن البلدان لديها رواسب كبيرة للأرض النادرة.

كما أمر السيد ترامب الحكومة بالتحرك نحو استخراج أجزاء كبيرة من قاع المحيط ، بما في ذلك في المياه الدولية ، لثرواتها المعدنية.

هناك 17 نوعًا من المعادن المعروفة باسم الأرض النادرة ، والتي تم العثور عليها جميعًا في حفرة بيركلي. إنها ليست نادرة في الانتشار ، لكن يطلق عليها ذلك لأنها غالبًا ما تكون منتشرة بتركيزات صغيرة.

يتم فرز الأرض النادرة إلى نوعين: ثقيلة وخفيفة. الأراضي النادرة الثقيلة – مثل dysprosium و terbium و yttrium – لها وزن ذري أكبر وعادة ما تكون أكثر ندرة ، مما يعني أنها تبيع بكميات أصغر وعرضة للنقص. المعادن الخفيفة ، على النقيض من ذلك ، لها وزن ذري أقل.

تصريف منجم الحمض هو ملوث شديد السمية تم إنشاؤه عندما يتعرض البايرايت الحامل للكبريت في الصخور للأكسجين والماء أثناء التعدين. ثم يتأكسد الصرف ويخلق حمض الكبريتيك والممرات المائية. إنها واحدة من أكبر المشكلات البيئية في البلاد ، وعشرات الآلاف من الألغام المهجورة تلوث 12000 ميل من الجداول.

ومع ذلك ، فإن الحمض يذوب أيضًا الزنك والنحاس والأرض النادرة والمعادن الأخرى من الصخرة وإلى الماء ، مما يوفر فرصة للتكنولوجيا المناسبة لاستخراجها – والتي لم تكن موجودة حتى وقت قريب.

قام بول Ziemkiewicz ، مدير معهد أبحاث المياه بجامعة ويست فرجينيا ، بالبحث في Pit Water في Butte لمدة 25 عامًا. قام هو وفريق من الباحثين من Virginia Tech و L3 بتطوير عملية الهندسة الكيميائية ، بتطوير طريقة لاستخراج المعادن الحرجة من تصريف منجم الحمض في مناجم الفحم في فرجينيا الغربية ، وهي نفس العملية المستخدمة في Butte. تمتلئ أكياس بلاستيكية كبيرة ومنسوجة بكثافة بحمأة من طين من محطة معالجة المياه. يتسرب الماء ببطء ، تاركًا تركيزًا مسبقًا من حوالي 1 إلى 2 في المائة من الأرض النادرة التي تحتاج إلى مزيد من التحسين ، مع عمليات كيميائية. الخطوة الأخيرة في العملية الحاصلة على براءة اختراع هي استخراج مع المذيبات التي تخلق عناصر نادرة نادرة.

وقال الدكتور Ziemkiewicz: “أحد الأشياء اللطيفة حول تصريف الألغام الحمضية هو المركزات التي نحصل عليها يتم إثراءها بشكل خاص في الأرض النادرة الثقيلة”. “الضوئية ليست ذات قيمة.”

ينتظر مشروع Butte الكلمة على منحة وزارة الدفاع البالغة 75 مليون دولار لبناء مركبة ، والخطوة الأخيرة اللازمة لتحسين التركيز على الأرض النادرة والبدء في الإنتاج على نطاق واسع.

إن الزنك وفيرة أيضًا في مزيج التجديف الحمضي هنا ، ولأنه يجلب سعرًا أعلى ، يعد أمرًا مهمًا كطريقة لدفع هذه العملية. يتم استخراج النيكل والكوبالت أيضا.

في حين أن عناصر الأرض النادرة مطلوبة كثيرًا ، فإن الصين تنتج الأغلبية وتعالج الأسعار للحفاظ على انخفاضها ، مما يفرض المنافسة. لهذا السبب تقوم وزارة الدفاع بتمويل الكثير من العمل على عناصر الأرض النادرة والمعادن الأخرى. تمتلك الولايات المتحدة منجم واحد فقط من المنجم النادر ، في Mountain Pass ، كاليفورنيا ، والذي ينتج حوالي 15 في المائة من الإمدادات العالمية للأرض النادرة.

كانت حفرة بيركلي عبارة عن قرحة مهرجان منذ عام 1982 ، عندما أغلقت شركة Anaconda Copper Company المنجم المفتوح ، وأطفأت المضخات وتسمح للمياه بملءها. الماء الحمضي للغاية من تصريف الألغام الحمضية لدرجة أنه عندما طارت عشرات الآلاف من الأوز الثلجية على هجرتها في عام 2016 ، هبط الكثيرون على السطح وتسمم بسرعة. مات حوالي 3000 الطيور.

مطلوب شركة Atlantic Richfield Company و Montana Resources لعلاج مياه الحفرة إلى الأبد لمنعها من الوصول إلى مستويات يمكن أن تلوث المياه الجوفية. (Montana Resources Mines The Continental Pit ، بجانب حفرة Berkeley.) يتطلب قانون المياه النظيفة أن تعالج الشركات تصريف منجم الحمض ، وهي عملية باهظة الثمن. إن إضافة مستوى آخر من العلاج إلى مصنع Bend Herseshoe هنا أقل تكلفة من بناء مستوى جديد ويمكن أن يعوض تكاليف العلاج أو حتى تحقيق الربح.

كان هناك العشرات من الجهود البحثية لتحرير المعادن المعلقة من الماء. عرض السيد Thompson خريطة مع خطوط تشع من Butte ، مما يوضح أين تم إرسال عينات المياه إلى مرافق البحث في جميع أنحاء البلاد. لكن عملية إنتاج المعادن التي تحدث الآن هي أول عملية اقتصادية.

في حين أن ثروات الحساء المعدني هنا كانت معروفة منذ عقود ، إلا أن وسيلة لاستخراجها بعيد المنال ، حتى طور فريق الدكتور Ziemkiewicz الطريقة الجديدة. لقد كان ينتج أرضًا نادرة في مناجم الفحم في فرجينيا الغربية حيث يمثل تصريف منجم الحمض مشكلة. كل منجم ينتج أربعة أطنان من الأرض النادرة في السنة.

ومع ذلك ، فإن حفرة بيركلي لها تركيز أكثر ثراءً من الأرض النادرة في محلول وحجم أعلى من الماء ومن المتوقع أن ينتج 40 طنًا في السنة. يعتقد الدكتور Ziemkiewicz أن هذه العملية إذا تم استخدامها في المناجم الأخرى يمكن أن توفر في النهاية جميع الواردات الأمريكية تقريبًا لعناصر الأرض النادرة اللازمة لأغراض الدفاع ، والتي ، كما قال ، تصل حاليًا إلى حوالي 1400 طن.

لكن الطلب على الأرض النادرة قد يزداد بنسبة تصل إلى 600 في المائة في العقود المقبلة ، وفقًا لبعض التقديرات.

في الجهد العالمي لتنظيف المياه وإنتاج المعادن الحرجة ، يبحث المختبر في لورانس بيركلي في مجموعة من التكنولوجيا المرتبطة بتصفية المياه ، وخاصة التجارب لتحسين الأغشية. إنه يدير مسرع الجسيمات يسمى Advanced Light Source ، والذي يخلق ضوءًا بالأشعة السينية المشرقة للغاية يمكّن العلماء من دراسة الأغشية المختلفة على النطاق الذري.

لقد عمل المختبر مع باحثين خارجيين لإنشاء جيل جديد من المرشحات ، يسمى النانوسبونج ، المصممة لتصوير جزيء مستهدف واحد ، مثل الليثيوم.

وقال آدم أوليانا ، الرئيس التنفيذي لشركة Chemfinity ، وهي شركة بروكلين التي تدرس استخدام النانوسبونج لتنظيف العديد من الأنواع المختلفة من النفايات: “إنها ميت الماسك الذري”. “إنه يمسك بنوع واحد فقط من المعادن.”

الليثيوم والكوبالت والمغنيسيوم من المعادن الحرجة ، بالإضافة إلى الأرض النادرة ، التي جذبت اهتمامًا كبيرًا من الباحثين.

تكتسب ION Exchange ، وهي تقنية مثبتة لإزالة المعادن والتلوث من المياه ، اهتمامًا. طورت شركة Lilac Solutions ، وهي شركة ناشئة في أوكلاند ، كاليفورنيا ، حبات الراتنج المتخصصة اللازمة لاستخراج الليثيوم من محلول ملحي مع أيون تبادل وتخطط لبدء أول منشأة إنتاجها في The Great Salt Lake في ولاية يوتا.

تضخ التكنولوجيا للشركة محلول ملحي من خلال مرشحات Eyion Exchange ، وتستخرج المعادن ويعيد المياه إلى مصدرها ، وهي عملية ديفيد سنايد ، رئيس الشركة ، إن القليل من الاضطرابات البيئية. إذا أثبتت العمل على نطاق واسع ، فقد تحدث ثورة في استخراج الليثيوم وتقليل أو القضاء على الحاجة إلى مناجم تحت الأرض وحفر مفتوحة.

Magrathea Metals هي شركة ناشئة في أوكلاند التي تصنع سبائك المغنيسيوم من الملوحات المالحة المتبقية بعد أن يتم تحلل مياه البحر. تسمح الشركة للبلاينات بالتجف ، مما يترك خلف أملاح كلوريد المغنيسيوم. تيار كهربائي-الذي يمكن أن يستخدم الطاقة المتجددة خارج الذروة-يسخن المحلول ويفصل الأملاح عن المغنيسيوم المنصهر ، والذي يتم إلقاؤه في سباقات.

وقال الرئيس التنفيذي ، أليكس جرانت ، إن هذه العملية نظيفة للغاية ، على الرغم من أنها لم تستخدم بعد لتصنيع المغنيسيوم على نطاق واسع. قامت وزارة الدفاع بتمويل الكثير من أعمالها.

تنتج الصين 90 في المائة من المغنيسيوم في العالم. يتم صهر المعدن بشيء يسمى عملية Pidgeon -. يتم تسخينها مع الأفران التي تعمل بالفحم إلى حوالي 2000 درجة ، وهي ملوثة للغاية وكثيفة الكربون. يتوقع الدكتور فيسك الكثير من الابتكار.

“ثلاثة متجهات تتقارب” ، قال. “ترتفع قيمة بعض هذه المواد الهامة. إن تكلفة التعدين والاستخراج التقليديين ترتفع ، وأمن الموردين الدوليين ، وخاصة روسيا والصين ، تنخفض”.