Northeastern University: Seltene Erden aus Kohlerückständen bis zu dreimal effizienter gewinnen

Seltene Erden (Rare Earth Elements, REEs) stecken heute in einer ganzen Reihe moderner Technologien – von Windturbinen bis hin zu Smartphones. Wirklich selten sind diese Elemente zwar nicht, doch ihre Gewinnung und vor allem die Reinigung sind kompliziert.

Ein Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Northeastern University in den USA hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, um REEs aus Abfällen des Kohlebergbaus zurückzugewinnen – mit einer Effizienz, die im Vergleich zu etablierten Verfahren um bis zu das Dreifache höher liegen kann.

Kohlerückstände als Rohstoffquelle für Seltene Erden (REEs)

Im Fokus stehen sogenannte Kohlerückstände (coal tailings). Dabei handelt es sich um ein Gemisch aus fein zerkleinertem Gestein, Wasser und Kohlepartikeln. Von diesem Material sammelt sich enorm viel in Auffangbecken und Gruben an, die verhindern sollen, dass es die Umwelt belastet.

In den USA wird ein grosser Teil dieser Rückstände später als Zuschlagstoff in Baumaterialien eingesetzt oder schlicht entsorgt. Schätzungen zufolge liessen sich aus jeweils 1,5 Milliarden Tonnen dieser Deponiemengen mehr als 600 Kilotonnen REEs gewinnen – eine Aufgabe, an der bestehende Prozesse bislang in puncto Effizienz wiederholt scheiterten.

Das zweistufige Verfahren: alkalische Vorbehandlung, Mikrowellen und Salpetersäure

Das neue Extraktionsverfahren besteht aus zwei zentralen Schritten. Zunächst werden die Kohlerückstände in einer alkalischen Lösung „gekocht“, wobei die Erwärmung über Mikrowellen erfolgt. Anschliessend folgt eine Behandlung mit Salpetersäure, um die REEs vom übrigen Gestein zu trennen.

„Die Ergebnisse zeigen, dass eine alkalische Vorbehandlung von Kohlerückständen vor der Säureaufschlussbehandlung die Effizienz der REE-Extraktion deutlich beeinflusst, wobei in der alkalischen Lösung selbst nur eine minimale Extraktion stattfindet“, schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Arbeit.

Warum Mikrowellen helfen: Mineralstruktur wird poröser

Um REEs aus Kohlerückständen zu lösen, müssen sie aus Tonmineralen herausgelöst werden, die sie eng umschliessen. Genau diese feste Einbettung hat frühere Methoden so wenig wirksam gemacht – und dazu geführt, dass Forschende nach anderen Quellen für Seltene Erden gesucht haben.

Durch die Kombination aus alkalischer Vorbehandlung und Mikrowellenerwärmung verändert sich die Struktur der Mineralhülle, die die Elemente einschliesst. Die Kohlerückstände werden dabei in eine porösere Form überführt, was die nachfolgende Trennung erleichtert.

„Es stellt sich heraus, dass man damit tatsächlich die feste Struktur dieses Materials verändert“, sagt der Chemobiologe Damilola Daramola von der Northeastern University.

Zu den Elementen, die sich mit dem Verfahren gewinnen lassen, zählt Neodym – ein Stoff, der für starke Magnete genutzt wird, etwa in Elektroautos, Computerlaufwerken und Windturbinen. Diese Anwendungen sind zentral für den heutigen Alltag und die laufende Umstellung auf klimafreundlichere Technologien.

Offene Fragen: Kosten, Skalierung und unterschiedliche Gesteinszusammensetzungen

So vielversprechend die Ergebnisse sind, bleiben mehrere Hürden. Das Verfahren kann bei der Effizienz zwar einen spürbaren Fortschritt darstellen, ist aber weiterhin teuer und könnte sich im grossen Massstab als schwierig umsetzbar erweisen.

Zwar gibt es reichlich Kohlerückstände, die als Ausgangsmaterial dienen könnten – allein im US-Bundesstaat Pennsylvania liegen beispielsweise rund 2 Milliarden Tonnen ungenutzt vor. Allerdings variiert die mineralische Zusammensetzung der Gesteine je nach Region. Entsprechend müsste der Prozess jeweils standortspezifisch angepasst und weiter optimiert werden.

Hinzu kommt: In Kohlerückständen sind neben REEs auch weitere wertvolle Elemente enthalten, etwa Magnesium. Idealerweise sollten solche Stoffe parallel zu den Seltenen Erden mitgewonnen werden – ein zusätzlicher Faktor, der bei der Weiterentwicklung des Ansatzes berücksichtigt werden muss.

Trotz dieser Einschränkungen ist eine deutliche Steigerung der Extraktionseffizienz bemerkenswert: Die Nachfrage nach Seltenen Erden war noch nie so hoch, und in den kommenden Jahren wird voraussichtlich noch mehr davon benötigt.

„Dieser Ansatz liefert neue Einblicke in die Mechanismen der REE-Freisetzung und in das Potenzial, die alkalische Vorbehandlung von Kohleabfällen für eine effiziente REE-Extraktion zu optimieren“, schreiben die Forschenden.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Umweltwissenschaft & Technologie veröffentlicht.