美国迎来稀土材料生产竞赛，有初创公司从煤灰中提取稀土元素
来源：DeepTech深科技
气候变化带来的挑战日益加剧，放弃化石燃料和采用低碳技术是我们应对挑战的最佳选择。
稀土元素是其中许多技术的关键成分，它们将在一定程度上决定哪些国家将实现其减排或提高非化石燃料发电比例的目标。但包括美国在内的一些国家越来越担心这些元素的供应是否会保持稳定。
根据国际能源署的数据，到2040年，稀土元素的需求预计将达到目前水平的三到七倍，对锂等其他关键矿物的需求可能会增加40倍。
2016年的《巴黎协定》规定，签署国有义务减少排放以控制全球温度上升，要实现这一目标，全球矿产供应要在同一时间内翻四倍。但按照目前的速度，供应量只会翻一倍。
获取稀土元素始于原料获取，总共有三种主要方式：直接从地球上开采；从报废的电子产品等东西中回收；从非常规来源提取，包括煤灰等工业废物和矿物废物。
美国的直接开采来源有限。位于加利福尼亚州的MountainPass稀土矿和加工厂，是唯一一个活跃的、能生产稀土元素的矿山。
开新矿可能需要几十年的时间。因此，学界和业界都致力于通过探索回收或非常规来源来增加新的获取途径并提高可持续性。
寻找关键材料
在2022年的50种指定“关键材料”名单上，17种稀土元素中16种榜上有名，这意味着它们在经济上很重要，但也很容易受到供应中断的影响。
这17种元素中，镨可用于飞机发动机，钆可用于核磁共振成像，钕可用于计算机硬盘驱动器。这些元素中包括所谓的“镧系元素”，即元素周期表第57号元素镧到71号元素镥（共15种），以及两种化学性质相似的元素。
“稀土元素”中的“稀有”不是指可用的数量，而是指它们的分布很广泛，很难在一个地方找到有经济意义的规模。
稀土元素的一个非常规来源是煤灰，即发电厂燃烧煤炭产生的残余固体废物。过去，煤灰经常与水混合形成泥浆，储存在泥浆池或蓄水池中。
这种含有高浓度稀土元素的煤灰可能是美国重要的国内来源。美国有1000多个煤灰储存池，大多分布在东部地区，但它们所在的城镇大多因工厂关闭而面临挑战。
阿拉巴马州莫比尔县的巴里工厂是最大的设施之一，储存的煤灰超过2100万吨，分布在600英亩的土地上。
这些煤灰池并非无害。根据美国环境保护局的说法，如果管理不当，它们可能会释放汞、镉和砷等物质污染水道、地下水、饮用水和空气。
应美国能源部2023年的要求，非营利环境法律组织Earthjustice和专注于防止石油、天然气和矿产开采的破坏性影响的非营利组织Earthworks提交了一份调查文件。
该文件指出，“91%储存煤炭燃烧残留物（CCR，coalcombustionresiduals）的发电厂正在污染底层地下水，导致它们不再符合联邦饮用水标准。”
在极端天气事件中，煤灰池也可能成为定时炸弹，由此产生的污染物泛滥可能会破坏野外环境和财产，并威胁当地社区健康和安全。
成立于2021年的初创公司Rivalia认为，我们可以重新利用废弃煤灰，重建美国国内的稀土元素供应，同时解决煤灰储存池对健康的危害。
创立Rivalia 的环境工程师劳拉·斯托伊（LauraStoy）表示，改善环境问题和振兴经济的双重因素激励着她。
在佐治亚理工学院攻读研究生期间，斯托伊开始开发Rivalia 的旗舰技术，目前正在美国能源部阿贡国家实验室的链式反应创新项目中对其进行扩展。
2019年，佐治亚理工学院支持了该公司为其技术申请专利（目前正在审批中），Rivalia持有该技术的独家许可证。
这项技术可以从煤灰中提取稀土元素，留下富含这些元素的溶液和含有铁和其他金属的残余固体。
通过连续的加热和冷却，稀土可以通过质子交换机制转移到离子液体中。
酸基还原技术和盐基浸出可以减少最终溶液中的铁含量，之后必须进一步分离稀土以生产纯金属或氧化物。
Rivalia 可以将初级产品出售给能够处理后续加工步骤的公司和使用稀土的制造商，并将剩余固体出售给混凝土生产商。斯托伊表示，Rivalia的工作将生产可用于清洁产品和替代能源的材料。
此外，一些公司还可以通过重新利用固体残留物来代替排放量大的波特兰水泥（混凝土中的主要成分），从而帮助减少混凝土生产过程中的碳足迹。
Rivalia 更喜欢利用现有的废物，而不是尚未燃烧的煤炭。这种方法是有风险的。考虑到稀土元素的含有量较低和有毒污染物的初始浓度较高，从非常规资源中提取稀土元素可能比直接开采成本更高。
不过，斯托伊表示，鉴于供应多样化的需要，这将是一项战略举措。这也是一个利用广泛存在的废弃材料的机会，这些材料几乎没有其他用途，也不能创造显著的经济价值。
此前，美国煤灰储量中稀土元素的价值约为43亿美元（基于2013年的价格）。时至今日，这个数字可能已经增长了很多。
作为一家相当新的初创公司，该公司仍处于研发阶段，目前正专注于降低开采成本。
在美国国内生产稀土元素的竞赛，至少在一定程度上是为了找出如何以较低的成本实现这一点。
然而，企业不太可能将生产成本降低到特别有竞争力的水平。专家们希望将溢价转嫁到消费者头上，以便吸收一部分成本。
美国能源部化石能源和碳管理办公室的碳矿石项目经理伊万·格兰尼特（EvanGranite）表示：“我们希望为美国的材料生产开辟一个新市场，这些材料的生产过程是环保的，同时尊重生产工人和符合道德。”
监管机构已经开始着手解决煤灰问题，因此想要使用这种材料的初创公司需要密切关注一切进展。在2008年和2014年发生破坏性泄漏后，美国环保局于2015年开始对煤灰池的管理进行监管。
监管机构最近更新了2015年出台的规则，要求覆盖或处理此前曾被豁免的较老的、不活跃的煤灰池。
根据2015年的规定，Earthjustice组织表示，如果煤灰池距离地下水不到五英尺，那么仅覆盖池塘是不够的。在这种情况下，只有充分挖掘才能防止潜在的破坏。
任何一种选择，加盖或挖掘，都会使Rivalia 等公司更难获得煤灰。斯托伊说，她认为这是现在要果断采取行动的一个理由。
斯托伊表示，对于为煤炭副产品创造新市场的潜在可能性，她保持谨慎的态度，因为这可能会危及美国的清洁能源发展。颇为讽刺的是，如果公用事业公司停止使用煤炭，Rivalia所依赖的原材料就会慢慢枯竭。
然而，她现在并不担心，即使没有新的产出，美国现在也有20亿吨煤灰，而且许多其他国家似乎在可预见的未来都将继续燃烧煤炭。
Earthjustice 的高级法律顾问丽萨·伊万斯（LisaEvans）说，处理这些煤灰时必须小心。她说，即使公司是出于清理的目的，也需要额外的监管，以确保它们妥善处理副产品。
她说：“多年来，我观察整个行业得到的经验是，人们不会做任何不需要做的事情。”她补充道，政府还应确保社区知晓附近的开采活动。
现代化开采
关键稀土材料的另一个非常规来源是尾矿，即矿山开采后留下的经济价值较低的残留物。Earthjustice组织的伊万斯表示，美国环保局尚未对尾矿进行监管，尽管尾矿会造成与煤灰类似的环境风险。
Phoenix公司是一家总部位于美国马萨诸塞州的初创公司，致力于从矿场中提取稀土元素。Phoenix的两位创始人在受采矿影响的社区长大。
除了磁铁中最常用的四种稀土（钕、镨、镝和铽）外，Phoenix还回收了电池金属、铂族金属、低碳铁和其他材料。它称其为“组合方法”，以提高经济可行性。
与Rivalia一样，Phoenix将残余材料重新用于混凝土等其他材料上。该公司表示，这是长期储存碳质材料的一种方式，通过捕获它们并防止它们最终进入供水系统来减少对环境的影响。
Phoenix 的联合创始人安东尼·巴拉顿（AnthonyBalladon）说，Phoenix致力于让开采更现代化，减少所需的能源、设备和资金。他说：“你可以开发出新的化学手段来获取稀土，而不用靠‘蛮力’。”
在获得含有稀土的氧化浓缩物后，Phoenix使用分离技术提取出所需的最终产品。随后通过一些方法还原为金属和合金产品，可以降低35%至45%的能量需求。
Phoenix 的首席技术官托马斯·维拉隆（TomásVillalón）表示，Phoenix的工艺减少了加工步骤之间损耗的材料量，并提高了最终产品的纯度。
Phoenix 的创始人还强调了该公司工艺的可持续性。他们说该工艺不使用危险材料，实现了零直接碳排放。该公司目前正在为商业客户生产稀土金属，预计到2026年，每年将生产3000多吨成品稀土金属。
维拉隆估计，Phoenix将在未来很长一段时间里“不愁生意”，因为每年至少有100亿吨尾矿出现。
磁铁需求增加
一些公司将回收材料作为可回收稀土的来源。Noveon公司致力于从废弃的商业磁铁中提取关键材料，例如电机、医疗设备或数据中心淘汰的硬盘，还有因制造缺陷或老旧而从供应链中淘汰出来的磁铁。
Noveon 利用这些材料生产新型烧结钕铁硼磁体，这也是风力涡轮机发电机和电动汽车电机的关键部件。
根据美国能源部的预测，到2050年，美国对这些稀土磁体的需求将增加四倍以上。Noveon的首席商务官彼得·阿菲乌尼（PeterAfiuny）说，这在一定程度上是因为工业技术的进步。
他说：“工业泵、压缩机、暖通空调系统……我们50%的电力消耗都是由这些电机驱动的。如果你正在努力实现碳中和，你就需要升级这些系统，提高它们的效率。”
非中国的（高性能）磁体制造商不到10家，而Noveon 是美国唯一一家。阿菲乌尼表示，其所有材料都是在美国国内采购的。
阿菲乌尼说，该公司生产一种名为“EcoFlux”的新型高性能磁体，其所需的材料比传统磁体更少。
虽然回收磁铁的性能很难追上用非回收材料生产的磁铁，但阿菲乌尼表示，Noveon拥有一项改善磁性材料成分和性能的专有技术，再加上其拥有专利的“磁铁到磁铁”技术，可以实现回收高达99.5%的材料。
他补充道，Noveon现在拥有多个客户，并在其德克萨斯州工厂进行商业规模的生产。他说，该公司计划在五年内每年生产1万吨。
这些新磁铁的客户与回收旧磁铁材料的客户是同一类，例如使用电机为消费电子产品、医疗或汽车产品提供服务的公司。
那么，这些替代来源能否取代现有的进口需求？在最近发表在美国国家工程院杂志TheBridge上的一篇论文中，美国能源部的研究人员估计，对于锗等一些关键材料，煤灰可以满足美国近4000年的需求。但对于大多数材料，供应只能持续不到20年，其中对于镍而言，供应量只能坚持一年多一点。
格兰尼特说，所以我们还需要更多的新来源：“你将需要许多不同的废料和非传统来源来满足长期需求，因为我们预计对许多关键金属的需求将不断增长。”
研究人员建议，我们可以考虑更广泛的废物来源，包括铝生产过程中产生的“赤泥”、石油生产中的“产出水”，以及来自海底甚至是外太空的材料。
政策优先
2015年至2021年间，美国能源部向从常规和非常规资源中提取稀土元素的相关项目拨款至少2700万美元。
2022年和2023年，政府还宣布至少有10亿美元的资金可用于支持相关工作，其中包括《两党基础设施法》中的大量资金。
其他美国官方机构也宣布，会支持那些帮助增加美国关键材料供应的公司，这表明人们对政策议程上的长期支持有一种紧迫感。Rivalia、Phoenix和Noveon 都受益于美国政府的支持，这表明政府愿意将赌注押在不同规模和发展阶段的公司身上。
这些资金分配往往揭示了美国各届政府的优先事项，不管其动机如何，他们似乎在稀土元素的重要性上意见一致。
Rivalia 的斯托伊说：“这是美国两党广泛支持的事情。从研究资助的角度来看，我认为这是非常安全的。政府对此感兴趣，并将长期资助。”
随着实现稀土元素和关键材料自给自足的竞赛加剧，美国可能会进一步扩大相关组织的数量和潜在来源的多样性。
斯托伊说，尽管竞争日益激烈，但每个人都有发展空间。她说：“我想在一个有很多人生产稀土的大生态系统中占据一席之地。这对每个人来说都是最好的结果。”
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