De zeldzame aardmetalen, een groep van 17 metalen, komen relatief veel voor in de aardkorst, maar de winning ervan is extreem moeilijk.
Neodymium, een van de uiterst moeilijk te winnen zeldzame aardmetalen. Foto: RHJ/Getty
Zeldzame aardmetalen bezitten vele nuttige eigenschappen, waardoor ze zeer gewild zijn in de energie- en technologie-industrie. Deze groep omvat 17 metalen, waaronder 15 metalen aan het einde van het periodiek systeem, samen met yttrium en scandium.
De meest waardevolle van deze elementen zijn neodymium, praseodymium, terbium en dysprosium. Deze fungeren als extreem krachtige miniatuurmagneten, een cruciaal onderdeel van elektronische apparaten zoals smartphones, accu's voor elektrische voertuigen en windturbines. De beperkte beschikbaarheid van zeldzame aardmetalen is echter een groot probleem voor bedrijven en overheden bij de productie van deze moderne benodigdheden.
Zeldzame aardmetalen zijn eigenlijk helemaal niet zo zeldzaam. Volgens onderzoek van de U.S. Geological Survey (USGS) naar de kristallijne abundantie van verschillende elementen (de gemiddelde beschikbaarheid in de aardkorst) komen de meeste zeldzame aardmetalen in ongeveer dezelfde hoeveelheden voor als gewone metalen zoals koper en zink. "Ze zijn zeker niet zo zeldzaam als metalen zoals zilver, goud of platina", aldus Aaron Noble, hoogleraar aan de Virginia Polytechnic University.
Het winnen ervan uit natuurlijke bronnen is echter extreem moeilijk. "Het probleem is dat ze niet op één plek geconcentreerd zijn. Er zit ongeveer 300 milligram zeldzame aardmetalen in elke kilogram schalie in de Verenigde Staten", aldus Paul Ziemkiewicz, directeur van het West Virginia Water Research Institute.
Normaal gesproken hopen metalen zich op in de aardkorst als gevolg van diverse geologische processen, zoals lavastromen, hydrothermale activiteit en bergvorming. De ongebruikelijke chemische eigenschappen van zeldzame aardmetalen betekenen echter dat ze onder deze specifieke omstandigheden meestal niet geconcentreerd voorkomen. Sporen van zeldzame aardmetalen zijn verspreid over de planeet, waardoor de winning ervan minder efficiënt is.
Af en toe kunnen zure ondergrondse omgevingen de concentraties van zeldzame aardmetalen op bepaalde locaties licht verhogen. Het vinden van deze locaties is echter slechts de eerste uitdaging.
In de natuur komen metalen voor als mengsels die ertsen worden genoemd. Deze ertsen bevatten metaalmoleculen die door sterke ionische bindingen verbonden zijn met andere niet-metalen (anti-ionen). Om zuiver metaal te verkrijgen, moeten deze bindingen worden verbroken en moet het niet-metaal worden verwijderd. De moeilijkheid van deze taak hangt af van het metaal en het niet-metaal waarmee het gebonden is.
"Kopererts komt doorgaans voor in de vorm van sulfiden (chemische verbindingen die zwavel en andere elementen bevatten). Je verhit het erts totdat de sulfiden als gas ontsnappen en het zuivere koper naar de bodem van de reactor zakt. Dat is een vrij eenvoudig extractieproces. Sommige andere ertsen, zoals ijzeroxiden, vereisen toevoegingen om het metaal vrij te maken. Maar het scheiden van zeldzame aardmetalen is veel complexer," legt Ziemkiewicz uit.
Zeldzame aardmetalen hebben drie positieve ladingen en vormen extreem sterke ionische bindingen met fosfaat-anti-ionen, die elk drie negatieve ladingen hebben. Daarom moet het extractieproces de extreem sterke binding tussen het positieve metaal en het negatieve fosfaat overwinnen.
"Ertsen van zeldzame aardmetalen zijn chemisch zeer stabiele mineralen, waardoor er veel energie en chemische kracht nodig is om ze af te breken. Dat proces vereist doorgaans extreem lage pH-waarden, zware omstandigheden en extreem hoge temperaturen, omdat de bindingen in het erts ongelooflijk sterk zijn," aldus Noble.
De moeilijkheid om zuivere elementen te winnen heeft ze de naam "zeldzame aardmetalen" opgeleverd. Sommige experts onderzoeken nieuwe methoden om deze waardevolle metalen te recyclen en te winnen uit industrieel afval en oude elektronica om de druk op de huidige voorraden te verlichten. Ze proberen ook de unieke magnetische en elektronische eigenschappen van zeldzame aardmetalen na te bootsen in nieuwe verbindingen, in de hoop dat deze nieuwe verbindingen toegankelijkere alternatieven zullen worden. Er zijn echter momenteel geen effectieve alternatieven voor zeldzame aardmetalen, ondanks de toenemende vraag.
Thu Thao (volgens Live Science )
Bronlink
Reactie (0)