Elektrokinetisk gruvteknik för att utvinna sällsynta jordartsmetaller (REE) ur bergarter som vittrat
Elektrokinetisk gruvteknik är en in-situ process där ett elektriskt fält skapas i en bergmatris genom att applicera en lågspänningslikström (DC) på elektroder sänkta direkt i berget. Som ett resultat av appliceringen av det elektriska fältet kan metallföreningar mobiliseras, koncentreras och extraheras från berget på grund av den så kallade elektromigration.
Sällsynta jordartsmetaller (REEs) är viktiga i modern industri och inte minst med anledning av behovet av högpresterande magneter. Den konventionella gruvtekniken tillämpar dock överdriven användning t.ex. av ammoniumsaltbaserade lakningsmedel för att utvinna REE från jonadsorptionsavlagringar av sällsynta jordartsmetaller (IADs), som uppvisar låg effektivitet och förödande miljöpåverkan på det lokala ekosystemet.
Därför är det nödvändigt att byta från den traditionella-metoden av gruvdrift, att bryta malm, till en ny generation av in-situ gruvdrift.
Nyligen har ett forskarlag under ledning av prof. He Hongping från Guangzhou Institute of Geochemistry vid den kinesiska vetenskapsakademin utvecklat en ny teknik, elektrokinetisk gruvdrift (EKM), för ”grön” och effektiv utvinning av REE från vittrande bergarter.
Tekniken utövar en spänning på toppen och botten av IAD, som genererar ett elektriskt fält för att accelerera REE och vattenmigration mot katoden.
Jämfört med konventionella tekniker uppnår EKM ~90% återvinningseffektivitet, ~80% minskning av lakmedelsanvändningen och ~70% minskning av metalliska föroreningar i de erhållna REEs.
För att utvärdera genomförbarheten av EKM för REE-utvinning, utförde Prof. Hes labb först experiment i bänkskala i en hemmagjord prototyp med en simulerad IAD. Resultaten tydde på att REE-återvinningseffektiviteten som uppnåddes med EKM-tekniken var 2,6 gånger högre än den som uppnåddes med ammoniumlakningstekniken.
Sedan genomförde de ytterligare uppskalade experiment i kilogramskalan (20 kg) i en större EKM-uppsättning. Resultaten överensstämde med experiment i bänkskala, dvs. EKM-tekniken kan uppnå högre återhämtningseffektivitet och kräver mindre behandlingstid.
Baserat på de framgångsrika experimenten i bänkskala och uppskalning, tillämpade de EKM-tekniken på en faktisk IAD (~14 tonsskala) via ett fältexperiment på plats. Resultaten tydde på att REEs utvinningseffektivitet uppnådde högre än 90 % på 264 timmar.
Forskarna undersökte ytterligare mekanismer som ligger till grund för EKM:s höga REE-utvinningseffektivitet. ”Det applicerade elektriska fältet som accelererar REEs och vattenmigrering enkelriktat mot den designade platsen via elektromigration och elektroosmos är nyckeln för att förbättra REE-återvinningseffektiviteten”, säger, övesatt till svenska, Prof. He.
Bortsett från hållbarheten och den höga utvinningseffektiviteten visar EKM selektivitet för REE jämfört med andra metalliska föreningar (Al 3+ Ca 2+ Na + och K + ), dvs de uppsamlade metalliska föreningarna minskas genom att använda EKM-tekniken. ”Vi identifierade en autonom föreningsreningsmekanism under den elektrokinetiska processen, som är baserad på hastighet och reaktivitetsdiversitet mellan REE och andra aktiva metalljoner”, säger, övrsatt till svenska, Prof. He.
Bara tiden kommer att utvisa om tekniken är revolutionerande för storskalig industriell extraktion.
P.S. Vittring innebär att bergets struktur förändrats av fysikaliska, kemiska eller biologiska processer. Bergarten i Norra Kärr är, enligt uppgift, ofta starkt vittrat särskilt i kontakten med graniten.
Claes-Erik Simonsbacka
Mot en mer hållbar gruvframtid med elektrokinetisk in situ-lakning
Detta nya tillvägagångssätt för gruvdrift, är att gå i spetsen för ett nytt paradigm för metallutvinning med ett markant minskat miljöavtryck.
Elektrokinetisk in-situ urlakning (EK-ISL) kombinerar två befintliga teknologier: (i) in-situ urlakning (ISL), som omfattar applicering av en lixiviant (alternativ t.ex. till cyanid för extraktion av metaller) för att selektivt lösa målmetall(er) från deras malm, utan att ta bort dess värdmatris, dvs utan bl.a, brytning inkl. sprängning, och (ii) elektrokinetik (EK), som innefattar applicering av ett riktat elektriskt fält för att kontrollera och accelerera transporten (via elektromigrering) av den lixivianta och/eller lösta målmetallen inom underytan. EK är en relativt mogen teknik som har använts inom flera teknikområden, inklusive metallåtervinning från flygaska, avloppsvattenslam, jordar och gruvavfallsmaterial. Dess tillämpning för att återvinna metaller från intakta hårdbergsdeponier (t.ex. primära malmfyndigheter) är dock ny. Här placeras elektroder med motsatt polaritet, antingen inuti eller omger malmen, med katjonmigrering riktad mot katod(erna) och anjonmigrering mot anoden(erna). Lixivianten införs via en extern källreservoar och urlakade metaller samlas upp från en målreservoar, som innehåller elektrod(er) som uppvisar motsatt laddning till den målmetallbärande jonen. Denna inställning möjliggör en exakt kontroll över transporten av både lixivianten och den/de lösta målmetallen/metallerna i malmkroppen.
Mvh,
Väldigt intressant teknik som miljömässigt är mycket bättre. Du nämner i din kommentar att tekniken redan använts för utvinning ur t ex gruvavfall. Det finns ju massvis med ”slamdammar” från gruvdrift ur apatitrika järnmalmer både i Norrland och i Bergslagen. Har någon gjort försök att utvinna REE från dessa i Sverige? Här borde det finnas mycket intressanta metaller och dessutom fosfor ut utvinna ur material som redan är brutet
”Har någon gjort försök att utvinna REE från dessa i Sverige?! / Bo+Gustafsson #2
Inte vad jag känner till , men vi har ju i Sverige flera REE-förande fosfater i apatitmineraliseringar som kanske kunde vara relevanta för elektrokinetisk in-situ lakning.
Mvh,
Tror jag på så mycket jag vill.
Har jobbat med elektrokinetisk torkning av pappersmassa i ett Schweizisk/Kanadensiskt projekt för 12 år sedan med design av strömförsörjningarna. Strömåtgången skulle bli enorm så centrifug och press med följd elektrisk torkning är billigare.
Som jag skrev tidigare i en tråd om iridium så har jag kört ström genom nästa allt som går, under merparten av mitt aktiva arbetsliv.
Just nu skriker världen efter REE och så dyker sådana här prospekt upp.
Så fort el och elektrolys nämns så tror alla att man kan trolla. Jag har massor av exempel där folk och forskare tappar fattningen.
Electrokinetic Treatment – an overview | ScienceDirect Topics
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/electrokinetic-treatment
Mvh,
Intressant.
Det här är en ny teknik som jag inte känner till sedan tidigare. När man pratar om in-situ så är det ju som regel att det är kemikalier som trycks ned i marken och det pumpas upp på annat håll. Det är en metod som har stora miljöproblem då mark och vattendrag kan bli förgiftade för lång tid framöver. Men det här verkar vara en metod där de miljöproblemen är mindre.
Electrokinetic recovery and remediation
https://livebluemarble.com/electrokinetic_recovery_and_remediation
Mvh,
Om detta fungerar tillfredställande i stor skala skulle det kunna förändra förutsättningarna för uranbrytning. Vid pH kring 8 förekommer uran i form av flervärt negativa uranyljoner så man får kasta om anod och katod.
Jag har uppfattat problemen med uranbrytning på följande sätt:
Naturligt förekommande uranmalmer är inte särskilt radioaktiva. Men så fort vi talar om inandning av partiklar som kan fastna i lungorna har vi ett potentiellt långtids-exponeringsproblem. Mekanisk uranmalmsbrytning genererar damm. Vidare: ska denna göras under jord måste bra ventilation anordnas då radonbildning akkompanjerar uranhalten.
Samt dessutom har vi frågan om omhändertagande av lakmasseresterna. Att eliminera en av miljörörelsens motståndsfrågor mot kärnkraft vore bra!
#8 Hans H : Det bästa vore väl att kunna utnyttja befintligt avfall i reaktorer med ny teknik. Satsa därför delar av de medel, som avses gå till HYBRIS, till forskning om sådan. Snacka om hållbart… Och använd resten till något vettigt.
Vi har kört DC-el i jorden i 160 år, i alla berg och jordarter, träsk/sjöar/hav, sedimentära som plutoniter, jorden runt.
Finns inget nytt att hämta här.
Jag har levererat strömförsörjningar till katodisk skydd av våra gamla bly-ledningar för telekablar, för att dessa skulle hålla lite längre innan fiber tog över. Och många fler objekt med för den delen, kraftstolpar, gasledning, hamnar.
För att skydda alla blyledningar en dalgång eller by används 20-50A vid 7 till 60 volt. Anoden grävs ned på lämpligt ställe och fältet sprider sig till alla ledningar som får sänkt potential. Ibland flera mil om lyckan finns med. ibland bara någon km.
Det finns IKKE någon sådan effekt som jonvandringar av ”metaller” att se runt varken katoden (rören/ledningarna/kraftstolparna..) eller anoden (oftast grafit) efter ens 50 år.
Punkt.
Electrowinning av flytande lösningar finns och är en annan sak. I gruvdammar mest motiverade för att minska utsläpp av metaller, inte av ekonomiska skäl.
#8 Hans H
A review of electrokinetic, ultrasonic and solution pulsing methods for mass transfer enhancement in in-situ processing
Denna recension fokuserar på potentialen hos tre metoder för att påskynda rörelsen av lixiviant joner i en in-situ återhämtningsprocess, nämligen: elektrokinetisk, ultraljud och lösningspulseringsmetoder.
ISR lämpar sig för kommersiell utvinning av lösliga salter och uran från permeabla, lätt lakbara avlagringar.
I denna recension fokuserar vi på den första och andra frågan och ger en detaljerad beskrivning från tillgänglig litteratur, en sammanfattning och diskuterar potentialen gällande ovan nämnda tre metoder, som skulle kunna användas för att öka massöverföringen vid ISR. Dessa metoder inkluderar elektrokinetik (EK).
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0892687521002582
Mvh,
#8 Brutus
Visst håller jag med dig om att ”återanvändning” av ”uttjänt” bränsle är en mycket god tanke. Förvandlar dessutom denna bränslerest från långlivat avfall till kortlivat ur radioaktivitetssynpunkt, vilket eliminerar slutförvarsproblematiken! Samtidigt som det ger ett bränsletillskott.
Det finns dock ännu aber som vi inte vet om de kommer att kunna lösas. Den bästa tanken är att köra det uttjänta bränslet ihop med torium i en saltsmältereaktor av den typ som danskarna forskar på. Det finns dock stora korrosionsproblem att lösa innan denna rutt blir teknisktt/kommersiellt möjlig. Saltsmältor och hög temperatur….
Och även om vi kan krama ur 80% av den teoretiska sönderfallspotentialen ur bränslet på detta sätt – mot i genomsnitt 1,5% i det ”utbrända” avfall vi idag tänkt slutförvara – så kan det behövas mer uran med framöver. Bland annat för att kicka igång toriumreaktorer. Torium ensamt är så långsamt sönderfallande att det aldrig kan uppnå kriticitet. Men med hjälp av snabba neutroner från U235 eller Pu239 bildar det U233 som är fissilt nog att ge kriticitet.
U233 är alltså fissilt. Varför används det inte i kärnvapen? Det är snabbare sönderfallande än både U235 och Pu239. Det är så snabbt sönderfallande att det inte duger som kärnvapenbränsle, men det går bra i en reaktor! Det sönderfaller för fort för att göra lagringsdugliga bomber. U235 har inte alls detta problem. Pu239 hamnar i en mellanklass där det betyder att kärnvapnen bara kan lagras ett visst antal år innan de måste hanteras m.a.p plutoniet.
Plutoniets lockelse för kärnvapentillverkarna ligger i att det går att göra mindre bomber, rent av så små att de kan skjutas som granater. När jag läste på Foa för 55 år sedan angavs minsta mängd U235 till 50 kg för att nå kriticitet, medan minsta mängd Pu239 angavs till 6 kg. Kanske har tekniken gjort att dessa gränser kunnat minskas ännu något. Men i grunden finns en väsentlig skillnad kvar.
Så till en gammal vanlig missuppfattning, särskilt inom miljörörelsen. I det uttjänta konventionella uranoxidbaserade kärnbränslet ingår både U238, Pu239 och Pu240 samt annat.
Jag tror det var tty som här på KU har påpekat att detta är en ointressant källa för utvinning av vapenplutonium. Det är alldeles för bökigt jämfört med andra för kärnvapenstaterna tänkbara vägar, bland annat för att Pu239 måste isotopsepareras från Pu240 vilket ställer ändå högre krav på centrifugeringen än att få isär U235 från U238. Samtidigt som Pu239 är betydligt mer radioaktivt än U235.
Frågan härstammar från tiden före kärnkraftsröstningen. Hannes Alfven lär ha pratat in både Fälldin och Palme i denna missuppfattning. Vilken sedan även ledde till ett indirekt motstånd från Palme mot MOX-bränsle.
Så Brutus, självklart ska vi forska. Vilket görs intensivt över stora delar av den tekniskt avancerade världen – utom i länder där trångsynthet råder. Dit hör inte bara Sverige utan tyvärr även Tyskland.
Denna ”nya” teknik för att utvinna RRE…Vad är kostnaden?
ingen, precis som med vätestål har talat om detta.
Det är klart att det finns tusen sätt att göra saker på med lika många avhandlingar MEN är det ekonomiskt gångbart? Det är den stora frågan, förutom att det fungerar storskaligt förstås.
Att det fungerar som VKV, med bidrag, är en sak, men för att kunna bli fungerande en längre tid krävs ekonomisk bärighet.
#12 Hans H : Tack för info. Mycket lärorikt för en pensionerad samhällsvetare. Det låter ju inte helt hopplöst att kunna benytta sig av avfallet, även om det ej kan ske idag. Mot bakgrund av allt ståhej med långtidslagring är det väl värt att hoppas på. Dessutom är det ju en oerhörd potential. Kan vi sedan fixa extremt små reaktorer att driva fordon med är vi hemma.
Brutus #9 och #14
När kärnkraften byggdes ut i Sverige hade vi avtal med England och Frankrike om upparbetning av bränslet. En del bränsle hann också sändas iväg innan miljövännerna satte stopp. För att man inte kunde lita på dessa länder, Sigyn dög inte för transporterna och terrorister kunde kapa fartyget.
Upparbetat bränsle återlevererades som MOX-bränsle och har provats i Oskarshamn.
Frankrike och England har fortsatt att upparbeta sitt avfall och har ett mycket mindre problem än Sverige om man ser till volymen bränsle.
Varför ogillar miljövänner återvinning i verkligheten?
#15 Gunnar Strandell
Varför ogillar miljövänner återvinning i verkligheten?
Av samma skäl som dom vill förbjuda explosionsmotorer utan att se till att det finns fossilfri el först mm. mm.
Det är känslorna som styr! Det känns inte bra med ett fartyg som åker omkring med högaktivt avfall.
Batterier känns bättre än avgaser osv.
Räkneövningar på frågeställningar i global skala ligger inte för personer som fokuserar sitt tänkande på lokalsamhälle och småskalighet.
#14 Brutus
Det är riktigt det Gunnar Strandell skriver i #15. Sverige skickade i kärnkraftverkens barndom radioaktivt avfall till Sellafield UK för så kallad upparbetning. Dvs man separerar genom kemiska processer olika grundämnen från varandra. Upplösning, utfällning, jonbyte och dylikt. En rätt farlig verksamhet då det var rätt kragtig strålning involverad.
I slutändan kunde man leverera tillbaka ett MOX-bränsle som alltså består av ”mixed oxides av uran och plutonium. Till skillnad från vårt vanliga bränsle som bara innehåller uranoxid. Med viss halt av U235, vanligen i spannet 3-5% så att det är fissilt. Naturligt uran har bara 0,7% U235 och är inte fissilt. MOX-bränsle är beroende av Pu239-halten.
De allra flesta kärnkraftverk vi hittills har i världen för civilt bruk är ”lättvattenreaktorer”. Kanada har dock flera tungvattenreaktorer. Sverige la ner sitt projekt Marviken som var tänkt som tungvattenreaktor.
Lättvatten (vanligt vatten alltså) som kylmedium bromsar ner neutronerna från snabba till långsamma. Det försämrar deras fissionsförmåga, alltså möjligheten att de klyver tyngre isotoper oavsett deras sammansättning. Det ingår ju en majoritet av U238 i det vanliga uranoxidbränslet även om halten U235 har höjts något med viss anrikning. De långsamma neutronerna sammansmälter då lätt med U238 och bildar tyngre isotoper. Pu239 som bildas är som sagt fissilt, ett material som kan skapa kriticitet och alltså driva en kedjereaktion. Andra ämnen som bildas genom infångning av en långsam neutron är Pu240, och isotoper av Curium och Americum. Dessa tyngre ämnen är långlivat radioaktiva ”störande” ämnen ur avfallslagringssynpunkt.
En reaktor som inte kyls med ”lättvatten” behåller neutronerna snabba från U235-sönderfallet. Dessa kan då undvika att en massa högre isotoper byggs upp då de gärna istället klyver sådana. Det är därför klart intressant med en teknik som bygger på andra kylprinciper. Bättre undvika så gott som helt att de ”störande” ämnena bildas! Då slipper vi transporter/upparbetning till enstaka sådana anläggningar!
USA har inga, där finns ett förbud mot upparbetning. Europa har en i UK och en i Fra. Ryssland har åtminstone en som varit inblandad i olyckstillbud. Även Sellafield har haft tillbud och släppt ut en hel del i Irländska sjön. Jag har personligen viss förståelse för att miljövänner ogillar upparbetning.
Smält bly som kylmedium är vad Blykalla-projektet jobbar med. Ger snabba neutroner. Och bränslet lär ska vara tänkt ha en U235-halt på ungefär 12% men fortfarande i form av fast uranoxid. Hur långt processen kan drivas före bränslebyte vet jag ej, men Wallenius och medarnetare har säkert räknat på saken. Men praktiken är en annan sak…
Det danska projektet har ju allt material som ”saltsmälta”. T ex uran kan ju omvandlas till olika fluorider där de lägre fluoriderna kan smältas medan UF6, uranhexafluorid, t o m är en gas som kan skickas in i en ultrasnabb gascentrifug som genom viktskillnaden kan separera U235 från U238.
Det intressanta med saltsmältan är att man kan använda en stor del torium som bränsle. Torium finns det gott om i världen, mer än uran. Torium är inte i sig fissilt, men en del omvandlas till U233 som är starkt fissilt. Och man kan dålblanda im uttjänt kärnbränsle. Varvid de snabba neutronerna från U233 sönderdelar de tyngre ”störande” ämnena till mindre och kortlivat radioaktiva ämnen.
Man kan även tänka sig att utnyttja det vi kallar ”depleted” uran, alltså den rest som finns kvar av U238 sedan man i en anrikningsanläggning plockat ut så mycket man kan av U235. Och det finns en hel del U238 som överblivet från anrikningsanläggningar… Det är ju absoluta merparten av ursprungliga uranet som bara innehåller 0,7% U235
Det ska noteras att även smält bly, eller smält bly/vismut eutektium med lite lägre smältpunkt är höggradigt korrosivt så det forskas på just den frågan i Oskarshamn för närvarande inom ramen för Blykallaprojektet. Förhoppningsvis hittar man en lösning, men det är långt ifrån säkert. Blykalla blir dock aldrig en waste burner.
#17 Hans H : Än en gång tack! Mycket lärorikt att läsa denna och andra kommentarer.
#13 Peter
Du lyfter en del självklara frågor som artikelförfattarna inte finner självklart att nämna, av vissa anledningar.
Det här är en av alla fishy bidragsbedragare som ploppar upp som svampar ur jorden.
Imponerad av all kunskap som finns i denna tråd
#10 Johannes
”Electrowinning av flytande lösningar finns och är en annan sak. I gruvdammar mest motiverade för att minska utsläpp av metaller, inte av ekonomiska skäl.”
Är det kanske detta som avses ske?
I så fall är jag skeptisk till bergurlakning eftersom det är så liten sprickarea som exponeras, men kanske kan man utöka detta genom fracking?
#21 Lasse
Berg är kompakt, även sönderkokt berg såsom tex Hallandsåsen. Mycket hög resistans.
Ser inte hur ”jonerna” i sina kristaller skulle kunna migrera, och ersättas av vad?
Sällsynta jordartsmetaller är inte så sällsynta utan mestadels i mycket låga halter i nästan alla bergarter, men speciellt lite mer i tex pegmatiter.
Min geologiprofessor sa att pegmatiter vad det som blev över och inte passade in.
Man får snällt ta skeden i vacker hand och bryta stora mängder berg och pulverisera.
Electrowinning är ingen dans på rosor, man har en mycket oxidativ miljö vid anoden och starkt reducerande vid katoden. Tex Fe2+ från svavelsyra betning som man länge försökt att återvinna med vettig ekonomi kommer studsa mellan anod/katod i Fe2 verus Fe3+ och förbruka ström.
Man torkar skiten i stället och dumpar den som mossmedel
och gräsförbättare, sprids ut över stora areor.
Allt går inte att ”winna” hur som helst.
De kritiska materialens guldålder
Övergången från fossildrivna fordon till elbilar som drivs på batterier sker i nästan alla länder. Regeringar spenderar miljarder på laddningsinfrastruktur för elbilar och subventioner för att uppmuntra konsumenter att byta till hybrider och plug-in elbilar, skåpbilar och lastbilar. Kina är ledande men andra länder eftersträvar att kommer ikapp, eftersom stora biltillverkare som t.ex. Volkswagen, Mercedes Benz, GM och Ford kommer ut med nya EV-modeller och planerar nya EV-tillverknings-/
monteringsfabriker i Europa och Nordamerika.
Det händer alltså mycket inom området kritiska material, och det mesta är positivt för de mineraler som bryts och förädlas till slutprodukter som används vid fordonselektrifiering, energilagring, elnäts förstärkningar och utbyggnaden av förnybar energi som vind- och solkraft.
Att övergå från fossila bränslen till elfordon och förnybara energikällor kommer att vara en oerhört svår uppgift, som görs så mycket svårare av bristen på de kritiska råvarorna som krävs.
Politiker som är skyldiga till påtryckningsgrupper (miljö, inhemska), lovar stora i subventioner och skattelättnader för att bygga batterifabriker för elfordon och bjuda in utländska ”gröna” investeringar, men de har till synes ingen idé om vilka metaller som behövs för denna övergång.
Det stora trycket på utbudet, matchat mot explosiv efterfrågan, garanterar högre priser för viktiga kritiska material, allt eftersom den globala trenden för elektrifiering och avkolning intensifieras.
Mvh,