Zweedse ontdekking van zeldzame aardmetalen: het is nog te vroeg om te juichen
Een Zweedse mijn voor zeldzame aardmetalen kan Europa minder afhankelijk maken van China, maar de unieke chemische eigenschappen en de geografische spreiding maken het winnen en raffineren van deze elementen tot een bijzonder ingewikkelde – om maar niet te zeggen smerige – klus.
De ontdekking van een grote voorraad zeldzame aardmetalen in Arctisch Zweden kon niet op een beter moment komen. De mineralen zijn essentieel voor een reeks aan groene technologieën waarvan de Europese Unie het gebruik en de productie wil stimuleren om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en economische groei te bevorderen. Tegelijkertijd maakt de EU zich steeds meer zorgen over een te grote afhankelijkheid van China. De Unie betrekt tot 98 procent van de zeldzame aardmetalen uit China, becijferde de Europese Commissie twee jaar geleden.
‘Goed nieuws voor Europa en het klimaat. Dit is de grootste bekende afzetting van zeldzame aardelementen in ons deel van de wereld, en het kan een belangrijke bron worden van grondstoffen die cruciaal zijn om de groene transitie mogelijk te maken. We staan voor een leveringsprobleem. Zonder mijnen kunnen er geen elektrische voertuigen komen,’ zegt Jan Moström, ceo van het Zweedse mijnbouwbedrijf LKAB.
De kurken moeten echter nog even op de flessen blijven. Het vergt nog meerdere jaren van boren en bemonsteren om de kwaliteit van de Per Geijer-afzetting vast te stellen, en te bepalen op welke manier deze winstgevend en verantwoord kan worden gedolven. Tegelijkertijd wachten er nog forse milieustudies en andere werkzaamheden om een mijnbouwvergunning te verkrijgen. ‘Het zal ten minste tien tot vijftien jaar duren voordat we daadwerkelijk met de mijnbouw kunnen beginnen’, aldus Moström, die er bij de Commissie op aandringt de procedures versneld door te voeren.
Er is een goede reden waarom de vergunningen zo lang op zich laten wachten: de winning en raffinage van zeldzame aardmetalen is een notoir smerige activiteit. Wat onderscheidt het van andere mijnbouwactiviteiten? Om die vraag te beantwoorden, moeten we de chemie van deze unieke groep elementen nader onderzoeken.
Weinig effect
De groep zeldzame aardmetalen omvatten vijftien zilverwitte metalen in de zesde rij van het periodiek systeem, die samen met de zwaardere actiniden gewoonlijk apart worden weergegeven om de tabel van de elementen niet te breed te maken. De overgangsmetalen scandium en yttrium, die recht boven het eerste zeldzame aardmetaal lanthaan in de derde kolom staan, worden gewoonlijk ook meegeteld, omdat ze vaak samen met de ‘echte’ lanthaniden worden aangetroffen en vergelijkbare chemische eigenschappen hebben.
Voor scheikundeleraren zijn zeldzame aarden een zegen: als zij de chemie van één zeldzame aarde hebben uitgelegd, zijn ze meteen klaar voor allemaal. Hun chemische gedrag is vrijwel hetzelfde, omdat de buitenste schil van elektronen voor alle zeldzame aarden in wezen hetzelfde is.
De chemie van een element wordt namelijk bepaald door de elektronische configuratie van de buitenste atoombanen, omdat deze de interactie met de ‘buitenwereld’ aangaan. Als deze orbitalen bijvoorbeeld volledig zijn gevuld, dan hebben de elektronen daar weinig stimulans om iets aan hun comfortabele situatie te veranderen en is het element niet erg reactief, zoals het geval is bij edelgassen. Een eenzaam elektron daarentegen zal graag nieuwe vrienden maken.
Alle atomen beschikken over dezelfde verzameling orbitalen, en deze worden van lagere naar hogere energie opgevuld. Meestal komt dit overeen met van binnen naar buiten werken: eerst de banen het dichtst bij de atoomkern, en dan stap voor stap hogere orbitalen. De laatst overgebleven elektronen komen in de buitenste schil terecht.
In het geval van zeldzame aardmetalen is er echter iets vreemds aan de hand: vanaf lanthaan komen de laatste elektronen niet in de buitenste schil terecht – want die is al vol – maar eentje daaronder. Op die manier is de buitenkant van alle zeldzame-aardatomen in feite hetzelfde. Daarom zijn de verschillen in chemie tussen zeldzame aardmetalen vooral het gevolg van verschillen in grootte – en dat heeft weinig invloed op de reactiviteit.
Bijproducten
De chemische uniformiteit van zeldzame aarden heeft ingrijpende gevolgen voor de extractie en zuivering ervan. Ten eerste, terwijl veel metaalatomen het gezelschap van hun soortgenoten verkiezen, gedraagt de groep zeldzame aardmetalen zich als een eenheid. Er zijn verschillen in samenstelling tussen afzettingen, maar als je één zeldzaam aardmetaal vindt, vind je alle andere op dezelfde plaats – geen uitzonderingen.
Bovendien wordt zelfs dit mengsel van zeldzame aarden nooit geïsoleerd gevonden: het is meestal een bestanddeel (enkele gewichtsprocenten) van een ander soort mineraal. Terwijl veel metalen als – relatief – zuiver erts kunnen worden gevonden, liggen veel zeldzame aardmetalen sterk verspreid in de aardkorst. De naam ‘zeldzaam’ moet je lezen als ‘moeilijker te vinden’. Zeldzame aarden zijn namelijk niet bijzonder zeldzaam – ze komen ongeveer evenveel voor als tin, kobalt en lood.
De lage concentratie zeldzame aardmetalen in de aardkorst betekent dat grote hoeveelheden erts moeten worden verwerkt, wat een moeizaam en energie-intensief proces is waarbij schadelijke chemicaliën worden gebruikt. Meer erts betekent meer afval en dat kan ingrijpende gevolgen hebben voor het landschap en de ecologie. Een Chinese studie uit 2015 schat dat de aankoop van 1 ton zeldzame aardmetalen leidt tot de vernietiging van 200 vierkante meter vegetatie, de afgraving van 300 kubieke meter grond en de productie van 2000 ton afvalstoffen, die soms radioactief zijn.
Bovendien levert de ruwe verwerking van erts nog steeds slechts een mengsel van zeldzame aardmetalen op, die gezien hun gelijkenis moeilijk te scheiden zijn. Een gangbare commerciële methode is vloeistof-vloeistof extractie, waarbij organische moleculen worden gebruikt die zich met verschillende affiniteit aan verschillende zeldzame aarden binden. Een olieachtig oplosmiddel met dergelijke liganden wordt krachtig gemengd met een waterige oplossing van zeldzame aarden en vervolgens gescheiden, zoals olie en azijn in een saladedressing.
Tijdens dit proces ‘trekken’ de liganden zeldzame aarden de oliefase in – sommige meer dan andere. Door dit vele malen te herhalen, en met verschillende liganden, kunnen uiteindelijk redelijk zuivere individuele zeldzame aarden worden verkregen. Ook dit repetitieve proces genereert veel afval.
Het is dan ook niet verwonderlijk dat het Westen de winning van zeldzame aardmetalen graag aan de Chinezen overlaat. Dit is dus niet – zoals vaak wordt gedacht – omdat China een van de weinige plaatsen ter wereld is met rijke afzettingen. Het land bezit slechts een derde van de bekende reserves, volgens Amerikaans geologisch onderzoek uit 2020. We hebben gewoon geen zin in de rommel.
De ontdekking van de afzetting in Zweden is overigens ook geen grote verrassing, gezien de vele zeldzame aardmetalen die voor het eerst door Zweedse wetenschappers werden geïsoleerd en geïdentificeerd uit ter plaatse verzamelde gesteentemonsters.
Ervan uitgaande dat de kwaliteit en de toegankelijkheid van de Zweedse afzetting toereikend is, zal LKAB een manier moeten vinden om de afzetting te exploiteren op een manier die voldoet aan de lokale en Europese milieuwetgeving. Eén aspect werkt enorm in het voordeel van Zweden en Europa: de zeldzame aardmetalen in Per Geijer zijn ingebed in ijzererts, dat LKAB lokaal al ontgint. Op die manier kunnen de kostbare elementen als bijproducten worden gewonnen, wat kostenbesparend werkt.
Hoofdbeeld: LKAB
