"黑色黄金"与绿色能源长在一起：未来有机会从煤矿中开采稀土

犹他州地质调查局的地质学家迈克尔-范登伯格（Michael Vanden Berg）正在检查犹他州老星点煤矿附近的煤矿露头。图片来源：犹他大学 Lauren Birgenheier

现在，犹他大学领导的研究记录表明，在科罗拉多州和犹他州乌因塔煤矿带附近的活跃矿井中，关键矿物（稀土元素或 REEs）的一个关键子集浓度升高。

这项研究的合著者、地质学和地球物理学副教授劳伦-比尔根海尔（Lauren Birgenheier）说，这些发现为这些矿山提供了一种可能性，即以可再生能源和许多其他高科技应用中使用的金属形式出现的二次资源流："这种模式是，如果已经在移动岩石，那么你是否可以移动更多的岩石来换取能源转型所需的资源？这些地区，我们发现稀土元素集中在细粒页岩单元，即煤层上下的泥质页岩中。"

犹他大学地质学家 Lauren Birgenheier 在煤炭加工废料堆检查样本。图片来源：犹他州地质调查局 Michael Vanden Berg

寻找稀土的替代来源

这项研究是与犹他州地质调查局和科罗拉多州地质调查局合作进行的，是美国能源部资助的碳矿、稀土和关键矿物项目（CORE-CM）的一部分。这些新发现将成为申请额外 940 万美元联邦资金以继续开展研究的基础。

虽然这些金属对美国制造业，尤其是高端技术制造业至关重要，但它们大多来自海外。

"冶金工程教授、能源部资助项目的首席研究员迈克尔-弗里说："当我们说它们是'关键矿物'时，很多关键性都与供应链和加工有关。"这个项目旨在寻找这些材料的一些替代性非常规国内来源"。

这项由加州大学领导的研究上个月发表在《地球科学前沿》（Frontiers in Earth Science）杂志上。研究小组成员包括第一作者哈莉-科（Haley Coe）研究生和负责测试样本实验室的研究教授迭戈-费尔南德斯（Diego Fernandez）。

什么是稀土元素？

根据两党政策中心（Bipartisan Policy Center）的数据，全球近 90% 的稀土供应都是在中国加工的。

这些金属元素包括镧系元素中的 15 种，以及钪（Sc）和钇（Y），它们都位于元素周期表的第三列。

这些元素通常以氧化物的形式存在。由于存在的浓度很低，这些矿物很难从矿石中分离出来，也很难相互分离。

稀土具有特殊性质，是高科技应用材料的重要成分。

犹他大学冶金工程学教授迈克尔-弗里说："它的真正根源在于，可以用这些稀有元素或这些关键矿物形成各种化合物，使它们更具吸引力和更有效率。当观察钕（Nd）镨（Pr）和镝（Dy）这些稀有元素时，它们可以与其他元素结合形成高功率磁体。"

许多镧系化合物被用于玻璃和催化剂，以及磁铁、超导体、荧光粉、激光和发光材料。稀土还可用于日常技术，如电视和智能手机屏幕、医疗设备、汽车和流体催化剂。碳中和能源技术，包括风力涡轮机、太阳能电池板、电动汽车、充电电池和节能照明，也需要这些元素。

"以用于风力发电的涡轮叶片为例，你希望使用功率更大的磁铁来提高它们的效率。从根本上说，这有助于我们实现能源转型。这关系到能源效率，也关系到存储的能量密度，"Free 说。"这些元素的性能比我们熟悉的普通元素要好得多。"

根据美国地质调查局的数据，美国每年平均使用 8,300 公吨的稀土氧化物。位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠的山口矿是美国最大的稀土元素生产商，但其大部分产量都运往海外加工。

"在某些情况下，这里的供应并不稳定。在某种程度上是有的，但后来被运到了海外，因为我们不想在这里采购。我们不想在这里开辟新的矿山，"Free 说。"因此，这使得我们在许多高端技术和清洁能源技术方面处于弱势，而我们正试图更多地涉足这些领域。"

煤炭与稀土元素矿藏之间的联系在其他地方已经有了很好的记录，但以前几乎没有分析过与犹他州和科罗拉多州曾经繁忙的煤田相关的数据。然而，在长期的衰退中，犹他州和科罗拉多州剩余的活跃煤矿报告说，近年来他们无法以足够快的速度开采，以满足需求和高煤价。

研究报告的合著者、犹他州地质调查局能源与矿产项目经理 Michael Vanden Berg 说："第一阶段项目的目标是收集更多数据，以尝试了解这是否值得在西部地区开展。这些岩石中是否富含稀土元素，可以为煤炭开采业提供某种副产品或附加值？"

这项研究的目标产煤区从犹他州的瓦萨奇高原向东延伸，穿过布克悬崖深入科罗拉多州。研究人员分析了来自 10 个煤矿、4 个煤矿废料堆、7 个地层完整的岩心，甚至发电厂附近的一些煤灰堆的 3500 份样本。

研究对象包括犹他州活跃的天际线矿、金特里矿、埃默里矿和苏弗科矿，最近停产的布克悬崖地区的杜古特矿和莱拉峡谷矿，以及历史悠久的星点矿和海狸溪 8 号矿。研究的科罗拉多州矿山是 Deserado 和 West Elk。

分析成千上万的岩石样本

"煤炭本身并不富含稀土元素，"Vanden Berg 说。"开采煤炭不会产生副产品，但对于开采煤层的公司来说，他们能否同时开采几英尺厚的地板？能不能在天花板上开采几英尺？那里是否有潜力？这就是数据为我们指引的方向。"

为了收集样本，研究小组直接与煤矿经营者合作，检查煤层露头和加工废料堆。在某些情况下，他们还分析了钻孔岩心，包括存档的岩心和最近在煤矿钻取的岩心。研究小组进入犹他州的煤矿，从连接煤层的地下斜坡收集岩石样本。

研究人员采用了两种不同的方法来记录样本中存在的 REE 含量，单位为百万分之一或 ppm。一种是用于现场快速读数的手持设备，另一种是在费尔南德斯负责的校内实验室中使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。

Birgenheier 说："我们主要使用这种便携式 X 射线荧光设备，这是一种分析枪，我们把它放在岩石上两分钟，它只能提供 17 种稀土元素中的 5 或 6 种。如果样本中的稀土元素浓度高于百万分之 200，他们就会使用校园里的质谱仪进行更全面的分析。"

能源部规定，稀土开采的最低经济可行浓度为 300 ppm。不过，在研究中，研究人员认为浓度超过 200ppm 的稀土被视为"富集稀土"。

研究发现，在与煤相邻的粉砂岩和页岩地层中，稀土浓度最高，而砂岩和煤本身大多不含稀土。

迄今为止，研究小组已经分析了 11000 个样本，远远超过了发表的研究报告中使用的样本数量。下一步工作包括确定稀土矿的含量，这可能要与怀俄明大学和新墨西哥矿业技术学院的同事共同完成。

Birgenheier 说："我们仍在不断取得成果，论文也将很快发表。我们正在撰写第二阶段的建议书。我们还不能对资源量进行估算，因为我们还没有这些数据。下一阶段将推动我们回答'如何实际计算这些矿藏中的稀土量？"

稀土元素是如何到达那里的？

这项研究并没有确定富集邻近煤层的地质过程，但比尔根海尔提出了一些理论。犹他州的许多含煤地层沉积于距今 6600 万年前的白垩纪，当时美国西部火山活动频繁。

"有两种模式。一种可能是火山灰将稀土带入古代泥炭沼泽，"她说。"另一种是有证据表明泥炭沼泽中的陆地有机物质实际上吸收了重稀土。然后，经过时间、高温和掩埋，富含稀土的泥炭沼泽变成了犹他州和科罗拉多州的煤矿。"

Birgenheier 解释说："我们认为稀土存在于煤炭中，并且已经迁移到煤炭上方和下方的相邻泥岩或粉砂岩中，可能是通过一种叫做成岩作用的过程，基本上就是岩石沉积后发生的任何流体运动。"

编译来源：ScitechDaily