Ett nytt sätt att behandla sura mindränering (AMD) kan bidra till att omvandla miljöföroreningsproblemet till en viktig inhemsk källa till de kritiska sällsynta jordartsmetallerna som behövs för att producera teknik från smarta telefoner till stridsflygplan, enligt Penn State-forskare.

"Avdränering av sura gruvor har varit ett betydande miljöproblem i många decennier, " sa Mohammad Rezaee, biträdande professor i gruvteknik vid College of Earth and Mineral Sciences i Penn State. "Denna forskning visar att vi kan modifiera befintliga reningsprocesser på ett sätt som inte bara tar upp miljöhänsyn, men samtidigt återvinner värdefulla element och faktiskt minskar kostnaden för behandling."

Ett team av forskare från Penn State utvecklade en behandlingsprocess i två steg som gjorde det möjligt för dem att återvinna högre koncentrationer av sällsynta jordartsmetaller med hjälp av mindre mängder kemikalier än vad som tidigare varit möjligt, sa forskarna.

"Denna teknik representerar en effektiv, låg kostnad och miljövänlig metod för att utvinna dessa värdefulla mineraler som används i en mängd olika konsument- och industriprodukter, sa Sarma Pisupati, professor i energi- och mineralteknik och chef för Center for Critical Minerals i Penn State.

Sällsynta jordartsmetaller är en grupp av 17 mineraler som ofta används i avancerad teknik och av USA utsetts som kritiska för landets ekonomiska och nationella säkerhet. USA importerar för närvarande nästan 100 % av dessa material, med Kina som producerar cirka 85 % av världens utbud.

AMD från kolgruvdrift i Appalachien representerar en lovande inhemsk källa till sällsynta jordartsmetaller eftersom den ofta innehåller höga koncentrationer av mineralerna, och eftersom det redan samlas in och behandlas på grund av miljöhänsyn, sa forskarna.

"Vi har för närvarande kostnader bara för att behandla vattnet, och i många fall, vi samlar inte ens alla dessa mineraler, " sade Pisupati. "Nu kan vi förvandla det som ansetts vara en avfallsprodukt till en värdefull resurs."

AMD uppstår när pyritsten – järnsulfid – som grävts fram av gruvaktivitet interagerar med vatten och luft och sedan oxiderar, skapar svavelsyra. Syran bryter sedan ner omgivande stenar, får giftiga metaller att lösas upp i vattnet, sa forskarna.

Traditionella behandlingsmetoder innebär att man samlar upp AMD i retentionsdammar och tillsätter kemikalier för att neutralisera pH - en indikator på hur surt eller basiskt ett ämne är. Detta gör att de lösta metallerna fälls ut, eller forma till fasta ämnen, och slå sig ner ur vattnet. Upp till 70 % av sällsynta jordartsmetaller kan utvinnas som ett slam med denna process, och resten släpps ut tillsammans med det behandlade vattnet, enligt forskare.

Forskarna fann att de kunde extrahera en högre koncentration av sällsynta jordartsmetaller och andra kritiska mineraler genom att tillsätta koldioxid till AMD och sedan föra det till ett neutralt pH på 7, målet för miljösanering, i två separata steg.

Med denna metod, 90 % av aluminium återvanns vid ett pH på 5 och 85 % av sällsynta jordartsmetaller återvanns vid pH 7, forskarna rapporterade i Chemical Engineering Journal .

Att tillsätta koldioxid till AMD producerar kemiska reaktioner som resulterar i bildandet av fasta mineraler som kallas karboniter, sa forskarna. De sällsynta jordartsmetallerna binder till de extra karboniterna och fälls ut ur vattnet vid lägre pH-värden.

Processen, kallas koldioxidmineralisering, är en framväxande teknik som används för att avlägsna överskott av koldioxid från atmosfären. Denna studie representerar första gången den har använts för att återvinna stora koncentrationer av sällsynta jordartsmetaller från AMD, sa forskarna.

Att återvinna samma koncentration av sällsynta jordartsmetaller från AMD med traditionella behandlingsmetoder skulle kräva tillsats av ytterligare kemikalier för att öka pH-värdet över 7. Forskarna sa genom att sänka återvinningskostnaderna, den nya behandlingsmetoden skulle kunna göra den inhemska marknaden för sällsynta jordartsmetaller mer konkurrenskraftig.

"Med en enkel modifiering av befintliga behandlingsprocesser, industrin skulle kunna använda mindre kemikalier och få ut mer värde av AMD-avfall, " sa Rezaee. "Detta är skönheten med den här forskningen."