חוקרים נעזרו בפליטת חשמל מהירה כדי להפיק יסודות קשים להפקה מאפר פחם זול וחסר שימוש

טכנולוגיות חדישות רבות עושות שימוש במתכות נדירות, שמצויות בטבע בכמויות קטנות והפקתן קשה. המתכות הללו חיוניות במכשור כמו לייזרים ומגנטים רבי עוצמה, ואפשר למצוא אותן כמרכיבים במינונים קטנים אך הכרחיים. על כן יש מי שמכנים אותן "הוויטמינים של התעשייה".

בניגוד למה שמרמז השם, הן אינן כה נדירות. ריכוזן הכללי של המתכות הללו בקרום כדור הארץ אינו נמוך במיוחד, אך הן קשות להפקה. בניגוד למתכות נפוצות כמו ברזל, אלומיניום ונחושת, הן אינן מופיעות במחצבים כעפרות מרוכזות, אלא מפוזרות בריכוז נמוך בעפרות של חומרים אחרים. לכן דרושים תהליכים כימיים יקרים ומורכבים כדי למצות אותן ולזקק אותן לריכוז גבוה שיאפשר להשתמש בהן.

יש להבחין בין מתכות נדירות לקבוצת המתכות היקרות, שכוללת את הזהב, הכסף והפלטינה. המתכות היקרות הן יסודות שמצויים בריכוזים נמוכים מאוד בקרום כדור הארץ, ובשל הביקוש הרב להן בתעשייה, בכלכלה ובעולם התכשיטנות, מחירן גבוה מאוד.

השימושים במתכות הללו רבים ומגוונים. לדוגמה, המתכת הנדירה ניאודימיום היא מרכיב מרכזי במגנטים חזקים הנחוצים להפעלת מנועים של מכוניות חשמליות וגנרטורים של טורבינות רוח לייצור חשמל. מתכות נדירות אחרות משמשות לייצור סוללות, זרזים לתגובות כימיות ועוד.

העלייה החדה בביקוש לטכנולוגיות ירוקות, שמקטינות את השפעת האדם על הסביבה, הובילה דווקא לזינוק בצריכת המתכות הנדירות. הבעיה היא שהפקתן עולה במחיר סביבתי גבוה. בשל האופן הפזור מאוד שבו הן מופיעות במחצבים, צריך לכרות הרבה מאוד סלעים כדי להפיק מעט חומר, ולאחר מכן מיצוי המתכות מתוך העפרה מחייב להשתמש בכמות גדולה של חומצות חזקות. תהליך ההפקה של המתכות הנדירות מייצר כאלפיים טונות של פסולת רעילה על כל טונה של חומר שאפשר להשתמש בו.

אפר פחם | MindaugasKaziukonis, Shutterstock
מדי שנה מופקות כ-750 מיליון טונות של פסולת שנותרת לאחר תהליך שריפת פחם להפקת חשמל. אפר פחם | MindaugasKaziukonis, Shutterstock

שאריות של שאריות

במאמר שפורסם כעת מציע צוות חוקרים מאוניברסיטת רייס בארצות הברית כיוון יצירתי להגברת הניצולת של תהליכי הפקת המתכות. התהליך שפיתחו מבוסס על העברת זרם חשמלי קצר וחזק דרך חומר הגלם, במטרה להגדיל את מסיסות המתכות הנדירות בתחמוצת ועל ידי כך לשפר את יעילות תהליך המיצוי שלהן מחומרי הגלם.

התהליך ישים על חומרי גלם רבים. במקרה הזה בחרו החוקרים להתמקד באפר פחם – הפסולת שנותרת אחרי תהליך השריפה של פחם להפקת חשמל. מדובר בחומר גלם זול וזמין מאוד שאין לו כמעט שימוש. מדי שנה מופקות ברחבי העולם כ-750 מיליון טונות של אפר פחם שמצטבר באתרי סילוק פסולת. האפר מכיל מעט מאוד מתכות נדירות – רק חמש מאיות האחוז מתכולת האפר. לכאורה זו כמות זעירה, אך בהתחשב בנפח העצום של אפר הפחם הזמין לשימושנו, יש די והותר חומר לספק את כל צורכי האנושות.

בניסוי ההדגמה החוקרים דחסו אפר פחם לשפופרת קוורץ – חומר דמוי זכוכית – יחד עם אבקת פחמן ששימשה להגברת ההולכה החשמלית. לאחר מכן פרקו דרך התערובת מתח מתון למדי של כ-120 וולט למשך כשנייה. פריקת המתח גרמה לזרם חשמלי לעבור בחומר ולחמם אותו בפתאומיות, בדומה לחוט הלהט שנותן את האור בנורות הליבון הישנות. החוקרים העריכו כי בתהליך הזה הטמפרטורה של התערובת עלתה להרף עין עד ל-3,000 מעלות צלזיוס.

לפי החוקרים, החימום המהיר מפרק את התרכובות שבהן מצויים היסודות הנדירים והופך אותן לתחמוצות, כלומר לתרכובות של המתכת עם חמצן. כך אפשר למצות את היסודות בקלות יחסית בעזרת חומצה. התהליך משפר את יעילות ההפקה של המתכות הנדירות מהחומצה פי שניים לעומת שיטות המיצוי המסורתיות. כמו כן הוא מאפשר למצות את המתכות באמצעות חומצה מדוללת, וכך לצמצם את הנזק הסביבתי של תהליך המיצוי.

השיטה הודגמה על כמות קטנה של חומר גלם – כעשירית גרם של אפר פחם בלבד. עם זאת, אפשר להרחיב אותה באופן משמעותי על ידי שימוש בטכנולוגיות קיימות לפריקת מתחים גבוהים. פריקת המתח אומנם מוסיפה שלב לתהליך המיצוי ומסרבלת אותו מעט, אולם היא אינה דורשת אנרגיה רבה. התקווה היא שהשיטה תגדיל את הרווחיות של הפקת היסודות הנדירים מפסולת, לעומת הפקתם ממחצבים. להיבט הכלכלי חשיבות רבה, שכן טכנולוגיות מיחזור רבות אינן יוצאות בסופו של דבר אל הפועל משום שאינן כלכליות מספיק כדי להצדיק העדפה שלהן על פני כרייה של חומרי גלם חדשים.

השיטה החדשה למיצוי יסודות נדירים מפסולת עשויה להציע בשורה של ממש במה שנוגע להפקת החומרים הללו, החיוניים לפיתוח טכנולוגיות ירוקות חדשניות, ועשויה לאפשר את הפקתם בעלות נמוכה יותר ועם פחות נזק סביבתי.