Do ouro negro à energia verde: mineração de terras raras ao lado do carvão

Novas pesquisas documentam níveis elevados desses metais, necessários para a transição energética, acima e abaixo das camadas de carvão em Utah e Colorado.

Os depósitos de minerais considerados críticos, necessários para a transição dos sistemas energéticos mundiais para longe dos combustíveis fósseis, podem, ironicamente, estar co-localizados com depósitos de carvão que foram extraídos para produzir o combustível fóssil mais implicado nas alterações climáticas.

Agora, uma pesquisa liderada pela Universidade de Utah documentou concentrações elevadas de um subconjunto chave de minerais críticos, conhecidos como elementos de terras raras, ou REEs, em minas ativas que circundam o cinturão de carvão de Uinta, no Colorado e Utah.

Estas descobertas abrem a possibilidade de que estas minas possam ver um fluxo de recursos secundários na forma de metais utilizados em energia renovável e inúmeras outras aplicações de alta tecnologia, de acordo com a coautora do estudo Lauren Birgenheier, professora associada de geologia e geofísica.

“O modelo é se você já está movendo rochas, você poderia mover um pouco mais de rocha para obter recursos para a transição energética?” Birgenheier disse. “Nessas áreas, estamos a descobrir que os elementos de terras raras estão concentrados em unidades de xisto de grão fino, os xistos lamacentos que estão acima e abaixo das camadas de carvão.”

Uma busca por fontes alternativas de terras raras

Esta pesquisa foi conduzida em parceria com o Utah Geological Survey e o Colorado Geological Survey como parte do projeto de minério de carbono, terras raras e minerais críticos, financiado pelo Departamento de Energia, ou CORE-CM. As novas descobertas formarão a base para um pedido de financiamento adicional de US$ 9,4 milhões em financiamento federal para continuar a pesquisa.

Embora estes metais sejam cruciais para a produção nos EUA, especialmente em tecnologias de ponta, eles são em grande parte provenientes do exterior.

“Quando falamos deles como 'minerais críticos', grande parte da criticidade está relacionada à cadeia de abastecimento e ao processamento”, disse Michael Free, professor de engenharia metalúrgica e investigador principal da bolsa do DOE. “Este projeto foi concebido com base na análise de algumas fontes domésticas alternativas não convencionais para esses materiais.”

O estudo liderado pela U foi publicado no mês passado na revista Fronteiras nas Ciências da Terra. Os membros da equipe incluíam os estudantes de pós-graduação Haley Coe, o autor principal, e Diego Fernandez, professor pesquisador que dirige o laboratório que testou amostras.

O que são elementos de terras raras?

Apesar do apelido, os elementos de terras raras (REEs) não são raros na crosta terrestre, mas raramente são encontrados em concentrações suficientemente altas para tornar a sua extracção económica. Quase 90% do fornecimento global é processado na China, de acordo com o Centro de Política Bipartidária.

Esses elementos metálicos incluem os 15 da série dos lantanídeos, bem como o escândio (Sc) e o ítrio (Y), todos encontrados na terceira coluna da Tabela Periódica.

Esses elementos são geralmente encontrados em suas formas de óxido. Por existirem em concentrações tão baixas, esses minerais são difíceis de separar dos minérios e uns dos outros.

As terras raras possuem propriedades especiais que as tornam ingredientes essenciais em materiais associados a aplicações de alta tecnologia.

“Está realmente enraizado nos tipos de compostos que você pode formar com esses elementos raros ou com esses minerais críticos que os tornam atraentes e mais eficientes”, disse Michael Free, professor de engenharia metalúrgica da Universidade de Utah. “Quando você olha para os elementos mais raros, neodímio (Nd), praseodímio (Pr) e disprósio (Dy), eles podem ser combinados com outros elementos para formar ímãs de alta potência.”

Muitos compostos de lantanídeos são usados ​​em vidro e catalisadores, bem como em ímãs, supercondutores, fósforos, lasers e materiais luminescentes. Terras raras também são encontradas na tecnologia cotidiana, como telas de televisores e smartphones, dispositivos médicos, catalisadores automotivos e fluidos. A tecnologia energética neutra em carbono, incluindo turbinas eólicas, painéis solares, veículos eléctricos, baterias recarregáveis ​​e iluminação energeticamente eficiente, também exige estes elementos.

“Com pás de turbina, por exemplo, em um moinho de vento para gerar energia, você deseja usar ímãs de maior potência para torná-los mais eficientes. Basicamente nos ajuda em parte dessa transição energética. Trata-se de eficiência energética, trata-se de densidade energética para armazenamento”, disse Free. “Há muitos tipos de coisas estratégicas com alguns desses elementos que são críticos, que são usados ​​em dispositivos eletrônicos de ponta, tecnologias de satélite e aplicações de defesa. familiar com.”

Os EUA utilizam, em média, 8.300 toneladas métricas de óxidos de terras raras por ano, de acordo com o Serviço Geológico dos EUA. A mina Mountain Pass, no deserto de Mojave, na Califórnia, é a maior produtora de elementos de terras raras do país, mas a maior parte de sua produção é enviada ao exterior para processamento.

“A oferta aqui não está muito estabelecida em alguns casos. Foi estabelecido até certo ponto, mas depois foi enviado para o exterior porque não queríamos fazer o fornecimento aqui. Não queríamos abrir novas minas aqui”, disse Free. “Isso nos deixa vulneráveis ​​a muitas dessas tecnologias de ponta e às tecnologias de energia limpa nas quais estamos tentando nos aprofundar.

A associação entre carvão e depósitos de REE foi bem documentada noutros locais, mas foram previamente analisados ​​poucos dados relevantes para os campos de carvão outrora ocupados do Utah e do Colorado, que passaram por tempos difíceis à medida que a procura interna de carvão diminuiu. No entanto, entre um declínio a longo prazo, as minas de carvão ainda activas no Utah e no Colorado relatam que não conseguem extrair suficientemente rápido nos últimos anos para satisfazer a procura e os elevados preços do carvão.

“O objetivo deste projeto de fase um era coletar dados adicionais para tentar entender se isso valia a pena ser perseguido no Ocidente”, disse o coautor do estudo Michael Vanden Berg, gerente do programa de energia e minerais do Serviço Geológico de Utah. “Existe enriquecimento de elementos de terras raras nessas rochas que poderia fornecer algum tipo de subproduto ou valor agregado à indústria de mineração de carvão?”

O estudo teve como alvo a região produtora de carvão que se estende desde o planalto Wasatch de Utah, a leste, até Book Cliffs, no interior do Colorado. Os pesquisadores analisaram 3.500 amostras de 10 minas, quatro pilhas de resíduos de minas, sete núcleos estratigraficamente completos e até algumas pilhas de cinzas de carvão próximas a usinas de energia.

O estudo incluiu as minas ativas Skyline, Gentry, Emery e Sufco de Utah, as minas Dugout e Lila Canyon recentemente desativadas em Book Cliffs e as históricas minas Star Point e Beaver Creek No. As minas do Colorado estudadas foram Deserado e West Elk.

Analisando amostras de rochas aos milhares

“O carvão em si não é enriquecido em elementos de terras raras”, disse Vanden Berg. “Não haverá um subproduto da mineração do carvão, mas para uma empresa que minera a jazida de carvão, ela poderia ocupar alguns metros do chão ao mesmo tempo? Eles poderiam subir alguns metros do teto? Poderia haver potencial aí? Essa é a direção que os dados nos levaram.”

Para coletar amostras, a equipe trabalhou diretamente com os operadores da mina e examinou afloramentos de jazidas de carvão e pilhas de resíduos de processamento. Em alguns casos, analisaram núcleos de perfuração, tanto núcleos arquivados como núcleos recentemente perfurados nas minas. A equipe entrou nas minas de Utah para coletar amostras de rochas nas rampas subterrâneas que conectam as camadas de carvão.

Os pesquisadores implantaram dois métodos diferentes para registrar os níveis de REE presentes, expressos em partes por milhão, ou ppm, nas amostras. Um era um dispositivo portátil para leituras rápidas em campo, o outro usava espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado, ou ICP-MS, no laboratório do campus supervisionado por Fernandez.

“Estamos usando principalmente este dispositivo portátil de fluorescência de raios X, que é uma arma de análise que seguramos na rocha por dois minutos, e isso nos dá apenas cinco ou seis dos 17 elementos de terras raras”, disse Birgenheier. Se as amostras apresentassem concentrações superiores a 200 partes por milhão, ou ppm, eles realizavam uma análise mais completa usando o equipamento de espectrometria de massa do campus.

O Departamento de Energia estabeleceu 300 ppm como a concentração mínima para que a mineração de terras raras seja potencialmente viável economicamente. No entanto, para o estudo, os investigadores consideraram concentrações superiores a 200 ppm como “enriquecidas com REE”.

O estudo encontrou a maior prevalência de tais concentrações em formações de siltito e xisto adjacentes ao carvão, enquanto o arenito e o próprio carvão eram em sua maioria desprovidos de terras raras.

A equipe analisou 11 mil amostras até o momento, muito mais do que as utilizadas no estudo publicado. As próximas etapas incluem determinar a quantidade de minério de terras raras presente, o que provavelmente será feito com colegas da Universidade de Wyoming e do Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México.

“Ainda temos resultados em andamento e documentos que serão publicados em breve”, disse Birgenheier. “Estamos escrevendo uma proposta agora para a fase dois. Ainda não podemos fazer estimativas de volume de recursos porque não temos esses dados. Esta próxima fase nos levará a responder: 'como podemos realmente calcular o volume de terras raras nesses depósitos?'”

Como os elementos chegaram lá?

O estudo não identificou o processo geológico que enriqueceu as formações adjacentes ao carvão, mas Birgenheier tem algumas teorias. Muitas das formações carboníferas de Utah foram depositadas durante o Cretáceo período que terminou há 66 milhões de anos, numa época em que o oeste dos EUA estava vulcanicamente ativo.

“Existem dois modelos. Uma delas é talvez a cinza vulcânica que trouxe terras raras para antigas turfeiras”, disse ela. “A outra é que há evidências de que o material orgânico terrestre na turfeira realmente contém terras raras pesadas.”

Depois, com o tempo, o calor e o soterramento, as turfeiras enriquecidas em terras raras tornaram-se depósitos de carvão no Utah e no Colorado.

“Achamos que as terras raras estavam nos carvões e migraram para os argilitos ou siltitos adjacentes acima e abaixo dos carvões”, explicou Birgenheier, “provavelmente através de um processo chamado diagênese, basicamente qualquer movimento de fluido que acontece na rocha depois de ela ter sido depositada. ”