Het probleem van de zeldzame aardmetalen

Tot voor kort werd er niet erg veel gesproken over zeldzame aarden of zeldzame aardmetalen tot nu dat China, de primaire producent van deze grondstoffen, zijn exportqouta's voor deze elementen heeft aangescherpt. De zeldzame aardmetalen is een groep van zeventien zware scheikundige elementen die van nature op en in de aarde voorkomen. Deze zeldzame aardmetalen zijn scandium, yttrium en de vijftien lanthaniden. Het zijn dus niet de elementen waar men elke dag mee in aanraking komt maar toch zijn deze belangrijk voor de industrie. De naam zeldzame aardmetalen bedriegt eigenlijk een beetje aangezien geen enkel van de zeldzame aardmetalen echt zeldzaam is. Want volgens U.S. Geological Survey heeft de VS een reserve van 13 miljoen ton van deze metalen, Australië zou er zo'n 5,4 miljoen ton hebben, Rusland een goeie 19 miljoen ton en China heeft er 36 miljoen ton. Maar ze kregen deze naam doordat deze metalen een heel stuk moeilijker te ontginnen zijn dan andere metalen. Deze zeldzame aardmetalen worden economisch gewonnen uit de mineralen bastnasiet, monaziet en lopariet. De moeilijkheid van de ontginnen zit hem is het isoleren van de zeldzame aardmetalen van de andere stoffen. Deze zeldzame aardmetalen worden gebruikt in vele verschillende technologieën waaronder in de magneten in de generator van een windturbine, in de batterijen van elektrische en hybride wagens, in TL-lampen, in harde schijven en nog vele andere.

Alhoewel China de producent is van het overgrote deel van deze zeldzame aardmetalen is het niet zo dat deze enkel terug te vinden zijn in China. In vele andere landen zitten er ook grote voorraden van deze aardmetalen nog in de grond. Enkele van deze landen zijn bijvoorbeeld de VS en Australië. En het was zelfs zo dat tot 1990 de VS wereldwijd de grootste producent was van zeldzame aardmetalen. Maar vanaf dan is China ook begonnen met deze grondstoffen in grote hoeveelheden te produceren maar wel tegen een veel lagere kost dan in de andere landen waaronder dus ook de VS. Dus het was veel goedkoper om zeldzame aardmetalen te kopen van een Chinese producent dan van een producent van uit een ander land. En dus heel veel van de niet-Chinese producenten van zeldzame aardmetalen stopten met deze activiteit omdat ze de concurrentie met de Chinese producenten niet aan konden.

En zo is men in de huidige situatie terecht gekomen, dat 97% van alle zeldzame aardmetalen geproduceerd worden in China. Maar bij veel van de nieuwe technologieën zoals windturbine's, TL-lampen, hybride en elektrische wagen en etc. wordt er gebruik gemaakt van zeldzame aardmetalen. En dus is zowel in als buiten China een steeds grotere vraag naar deze aardmetalen. Maar China wil zijn binnenlandse industrie beschermen. En daarom zorgt men ervoor dat eerst de Chinese industrie voorzien wordt van deze grondstoffen en pas daarna de buitenlandse industrieën. Dit wordt gedaan aan de hand van exportquota's. Een exportquota legt vast hoeveel van deze grondstoffen er mag uitgevoerd worden naar het buitenland in een bepaalde tijdsperiode. China heeft deze exportquota's de laatste tijd steeds meer aangescherpt waardoor men in het buitenland stilaan met een tekort aan deze stoffen komt te zitten. En dit zorgt dus voor allerhande problemen.

En dus wordt de productie van zeldzame aardmetalen in de niet-Chinese landen weer heropgestart in de mijnen die men na 1990 heeft verlaten. Maar het heropstarten van de productie in deze mijnen is niet zo vanzelfsprekend alsof het lijkt op het eerste moment. Namelijk duurt het enkele jaren vooraleer men weer kan produceren op grote schaal. Om deze zeldzame aardmetalen te scheiden van de gesteentes, waarin ze gevonden worden, vraagt verschillende stappen. En onder andere in de VS beschikt men niet meer over de infrastructuur, de technische kennis en het intellectuele eigendom om dit te gaan uitvoeren. En merkwaardig genoeg werd van 1970 tot 1980 meer dan 70% van deze aardmetalen geproduceerd in de VS en nu 30 jaar later is de productie er teruggevallen tot nul percent. En het heropstarten van de productie zal er heel wat problemen met zich meebrengen en dus heel wat tijd vragen. Namelijk onder andere doordat wanneer de ontginning ervan wordt gestopt in een land, dan wordt er minder of niet meer in geïnvesteerd, en dan wordt de expertise over de cutting-egde technologieën geëxporteerd naar de locaties waar men wel nog deze grondstoffen ontgint. En in dit geval was dit dus naar China. En momenteel vormt dus het ontbreken van intellectuele kennis een zeer groot obstakel voor de comeback van deze industrie.

De twee eerste niet-Chinese mijnen die binnenkort opnieuw geopend zullen worden zijn 'Mountain Pass' en 'Mount Weld'. Allebei deze mijnen zijn dagbouwmijnen waarvan de ene, Mountain Pass, in California en de andere Mount Weld, Australië ligt. Maar daar kan niet zomaar de productie heropgestart worden op dezelfde manier als hoe het er aan toe ging in 1970 of 1980. Namelijk zijn de processen die men toen gebruikte vandaag de dag niet meer rendabel en daarnaast is de schade aan de omgeving en het milieu vandaag de dag niet meer aanvaardbaar. Verschillende zaken maken de ontginning en de zuivering van deze aardmetalen zou moeilijk en gecompliceerd. Eerst en vooral komen alle 17 deze metalen in het algemeen samen voor in één en dezelfde minerale afzetting. En aangezien deze 17 elementen ongeveer dezelfde of sterk gelijkaardige eigenschappen hebben is het zeer moeilijk om deze van elkaar te gaan scheiden via de conventionele scheidingstechnieken. En dus moeten er speciaal aangepaste processen gebruikt worden. Een tweede probleem is dat deze zeldzame aardmetalen veelal samen voorkomen met radioactieve elementen zoals thorium en uranium. En deze kunnen een ernstige bedreiging vormen indien men niet op de correcte manier omgaat met de restproducten van de het scheidingsproces.

In China zou men niet erg zorgzaam omgaan met de restproducten van het scheidingsproces waardoor een grote kost kan vermeden wordt. En dit zou ook aan de oorzaak liggen waarom de Chinese producenten een onoverwinbare concurrent waren na 1990. Toen Mountain Pass, in 1990, op volle capaciteit draaide werd er zo'n 3200 liter zoutwater per uur geproduceerd die deze radioactieve stoffen bevatte. Dit zoutwater werd via een 20 kilometer lange pijpleiding naar een verwerkingsstation gebracht. Maar in 1990 ontdekte men lekken in deze pijpleiding, en met het gevolg dat hun vergunning om er zeldzame aardmetalen te ontginnen werd ingetrokken. En zo verschoof een gedeelte van de markt voor de productie van deze zeldzame aardmetalen nog meer naar China. En op dit moment werd deze elementen opgegraven als een bijproduct tijdens de ontginning van ijzererts. Dus, aangezien bij hen de ontginning van twee grondstoffen in een mijn gecombineerd werd, konden ze de prijs zo laag houden. En wanneer er dan meer en meer geïnvesteerd werd in de ontginning van deze stoffen in China, werden er steeds meer nieuwe mijnen geopend.

Maar ondertussen is de vraag in de wereld naar deze elementen ook sterk beginnen groeien. Dit jaar was de vraag zo'n 125.000 ton en men schat dat in 2015 de jaarlijkse vraag meer dan 225.000 zal zijn. En bij deze schatting heeft men enkel nog gekeken naar de groei van de bestaande afnemende industrieën. En wanneer men weet dat bijvoorbeeld in windturbine's veelal gebruikt gemaakt wordt van zeldzame aardmetalen, dan voelt men ook al direct aan de vraag tegen 2015 nog veel groter dan zijn dan deze schatting.

In Mountain Pass heeft men wel al sinds 2004 terug de vergunning verkregen om deze zeldzame aardmetalen te ontginnen. En op dat moment is men gestart met het onderzoek en de ontwikkeling voor het heropstarten. Hierbij focust men zich vooral op de kost van de ontginning om dan de Chinese concurrentie de baas te kunnen. De onderzoekers hebben in de afgelopen al veel vorderingen geboekt op de ontwikkeling van een nieuwe productieproces. En ze vermoeden dat de productie tegen de helft van de huidige (Chinese) prijs haalbaar zal zijn. Maar dit houdt dan wel een aantal veranderingen in. Zo wordt er geen verontreinigd radioactief zoutwater meer geproduceerd maar gaat men werken met een gesloten systeem waarin de afvalproducten verwerkt zullen worden voor hergebruikt. Maar dit nieuwe proces heeft wel enkele onaangename gevolgen, namelijk zijn de geproduceerde aardmetalen niet van dezelfde zuiverheid als die vanuit China. Hierdoor kunnen deze niet voor alle toepassingen gebruikt worden, bijvoorbeeld kan men deze aardmetalen niet gebruiken voor de magneten van de generator van een windturbine. En hierdoor zijn de onderzoekers nog ver van klaar met de ontwikkeling van een geschikt proces voor de scheiding van de zeldzame aardmetalen van andere stoffen.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [technologyreview]