DOI: https://doi.org/10.1007/s40789-024-00710-z
تاريخ النشر: 2024-09-17
المؤلف: R. C. Reedy وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفحم ومنتجاته الثانوية
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الاهتمام المتزايد بعناصر الأرض النادرة (REEs) وإمكانية استعادتها من الفحم ومنتجات احتراق الفحم في الولايات المتحدة. تسلط الدراسة الضوء على زيادة كبيرة في إنتاج الفحم من الخمسينيات حتى أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، تليها انخفاض في السنوات الأخيرة، مع استهلاك الفحم بشكل أساسي لتوليد الطاقة. من الجدير بالذكر أن احتراق الفحم يركز عناصر REEs في الرماد الناتج، والذي يمثل حوالي 10% من إنتاج الفحم. تشير الأبحاث إلى أن حوالي 69% من هذا الرماد يمكن استعادته، مخزنة بشكل أساسي في مدافن النفايات والبرك، مع كون حوض نهر باودر مساهمًا رئيسيًا في إنتاج الفحم والرماد.
تقدر التحليلات القيمة الاقتصادية المحتملة لعناصر REEs في رماد الفحم بحوالي 8.4 مليار دولار، والتي يمكن أن ترتفع إلى 97 مليار دولار عند تضمين الإيتريوم والسكنديم. هذه الإمكانية لا تعزز فقط أمن الطاقة في الولايات المتحدة من خلال تطوير موارد REE المحلية، بل تقدم أيضًا حافزًا ماليًا لمعالجة مواقع تخزين الرماد المعرضة بيئيًا. يقترح المؤلفون أن يتم إجراء تقييمات مماثلة لاستعادة REE من رماد الفحم على مستوى العالم في المناطق التي تتوفر فيها موارد رماد الفحم.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية عناصر الأرض النادرة (REEs) في مختلف الصناعات، بما في ذلك تقنيات الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية، مشددة على دورها في الأمن الوطني والاستقرار الاقتصادي. تصنف هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) جميع عناصر REEs الثمانية عشر كمعادن حيوية، مع اعتماد الولايات المتحدة بشكل كبير على الواردات، وخاصة من الصين، مما يطرح مخاطر على سلسلة التوريد. حددت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) إجمالي 1.4 مليون طن من احتياطيات REE التقليدية، مع إمكانية إضافية تبلغ 11 مليون طن من مصادر الفحم غير التقليدية. يهدف برنامج CORE-CM التابع لوزارة الطاقة إلى تقييم الفحم الأمريكي ومنتجاته الثانوية كمواد خام محلية لإنتاج REE، مما يعزز الأمن ويعالج المخاوف البيئية المرتبطة برماد الفحم.
تناقش الورقة تركيز عناصر REEs في رماد الفحم، والذي يمكن أن يكون أعلى من 4-10 مرات مقارنة بالفحم الخام بسبب طبيعتها غير المتطايرة أثناء الاحتراق. تشير التحليلات الاستكشافية إلى أن رماد الفحم في أبالاشيا لديه تركيز متوسط أعلى من REEs مقارنة بمناطق أخرى. تشمل أهداف الدراسة تقدير التغير الزمني والمكاني التاريخي والحالي لرماد الفحم كمصدر لعناصر REEs وتقييم القيمة المحتملة لودائع الرماد المختلفة. تهدف الأبحاث إلى تقديم فهم شامل لموارد رماد الفحم، وربطها بمصادر تعدينها ودرجات الفحم، وتأسيس قاعدة لتقييمات استخراج REE المستقبلية في الولايات المتحدة وعلى مستوى العالم.
الطرق
ت outlines قسم الطرق في الدراسة مصادر البيانات والأساليب التحليلية المستخدمة لتقييم تركيزات عناصر الأرض النادرة (REE) في رماد الفحم. تم الحصول على البيانات الأساسية من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) وإدارة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA)، مع بيانات إضافية من جمعية رماد الفحم الأمريكية (ACAA). تمتد الدراسة عبر فترات زمنية مختلفة، بدءًا من بيانات استهلاك الفحم الوطنية في عام 1950 وبيانات محتوى الفحم والرماد المفصلة من عام 1972 فصاعدًا. شملت التحليلات تقدير القيم للفترات التي تفتقر إلى بيانات محددة، باستخدام مجموعات بيانات مؤرشفة لتقييم إنتاج الفحم واستهلاكه عبر قطاعات مختلفة.
تركز الدراسة بشكل خاص على منتجات احتراق الفحم (CCBs)، وخاصة الرماد الطائر والرماد القاع، وإمكاناتها كمصادر لعناصر REEs. تم تقدير محتوى الرماد بناءً على بيانات تاريخية من لجنة تنظيم الطاقة الفيدرالية (FERC) وEIA، مع إجراء تحليل شامل للسنوات 1972-2021. تم تتبع تصريف CCBs من خلال نماذج تقارير EIA، موضحة الكميات المباعة، المستخدمة، المخزنة، أو الم disposed of. من الجدير بالذكر أنه بينما يتم استخدام جزء من الرماد الطائر والرماد القاع في صناعات مثل المجاميع وبناء الطرق، فإن الرماد الم disposed of في مدافن النفايات يبقى مصدرًا محتملاً لعناصر REEs. تم تجميع تركيزات REE من الأدبيات، مع التركيز على العينات المجمعة من مختلف محطات الطاقة التي تعمل بالفحم عبر أحواض الفحم الرئيسية في الولايات المتحدة، بما في ذلك تحليلات سلسلة اللانثانيد وعناصر إضافية مثل الإيتريوم والسكنديم.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغيرات التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج تحسينات في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى أن الاستراتيجيات المنفذة كانت فعالة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج، مشددة على الإمكانية لتطبيقات أوسع في هذا المجال. تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الفرضيات المقترحة. يتم اقتراح اتجاهات بحث مستقبلية لاستكشاف الآثار طويلة الأجل للتدخل والتحقيق في التباينات عبر مجموعات سكانية مختلفة.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث نظرة شاملة على إنتاج الفحم التاريخي وتداعياته لاستعادة عناصر الأرض النادرة (REE) من رماد الفحم في الولايات المتحدة. اعتبارًا من عام 2021، كان لدى الولايات المتحدة حوالي 11.2 جيجا طن (Gt) من احتياطيات الفحم القابلة للاسترداد، حيث بلغ الإنتاج ذروته عند 1.06 جيجا طن في عام 2008 قبل أن ينخفض إلى 0.52 جيجا طن بحلول عام 2021. لقد تغير مشهد إنتاج الفحم بمرور الوقت، مع مساهمات كبيرة من أحواض أبالاشيا وإلينوي وباودر، التي شكلت مجتمعة 85% من إجمالي إنتاج الفحم من 1950 إلى 2021. من الجدير بالذكر أن استهلاك الفحم كان بشكل أساسي لتوليد الكهرباء، والذي شكل حوالي 79% من إجمالي استخدام الفحم، مع انخفاض حصة الفحم في توليد الطاقة من حوالي 50% في عام 1950 إلى 20% بحلول عام 2021.
تسلط الدراسة الضوء على إمكانية رماد الفحم كمصدر مهم لعناصر REEs، حيث تقدر أن 69% من الرماد المنتج من 1985 إلى 2021 يمكن استرداده، مخزنة بشكل أساسي في مدافن النفايات والبرك. تختلف التركيزات المتوسطة لعناصر REEs في رماد الفحم حسب الحوض، مع أعلى المستويات الموجودة في رماد الفحم في أبالاشيا. القيمة المقدرة لعناصر REEs القابلة للاسترداد من رماد الفحم تبلغ حوالي 8.4 مليار دولار، والتي يمكن أن تزيد إلى 97 مليار دولار عند تضمين الإيتريوم والسكنديم. تؤكد هذه التحليلات على الفوائد المزدوجة لتعزيز أمن الطاقة في الولايات المتحدة من خلال استعادة REE مع معالجة المخاوف البيئية المرتبطة بالتخلص من رماد الفحم. يُوصى بمزيد من العمل لاستكشاف منهجيات الاستخراج وتقييم الآثار البيئية لتخزين رماد الفحم، خاصة فيما يتعلق بصحة وسلامة المجتمع.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40789-024-00710-z
Publication Date: 2024-09-17
Author(s): R. C. Reedy et al.
Primary Topic: Coal and Its By-products
Overview
This section discusses the rising interest in rare earth elements (REEs) and their potential recovery from coal and coal combustion products in the United States. The study highlights a significant increase in coal production from the 1950s to the late 2000s, followed by a decline in recent years, with coal consumption primarily for power generation. Notably, coal combustion concentrates REEs in the resulting ash, which represents about 10% of coal production. The research indicates that approximately 69% of this ash is potentially recoverable, primarily stored in landfills and ponds, with the Powder River Basin being a major contributor to both coal and ash production.
The analysis estimates the potential economic value of REEs in coal ash at around $8.4 billion, which could rise to $97 billion when including yttrium and scandium. This potential not only enhances U.S. energy security through the development of domestic REE resources but also offers a financial incentive to remediate environmentally vulnerable ash storage sites. The authors suggest that similar evaluations of REE recovery from coal ash should be conducted globally in regions with available coal ash resources.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of rare earth elements (REEs) in various industries, including renewable energy technologies and electric vehicles, emphasizing their role in national security and economic stability. The U.S. Geological Survey (USGS) classifies all 18 REEs as critical minerals, with the U.S. heavily dependent on imports, particularly from China, which poses risks to the supply chain. The U.S. Department of Energy (DOE) has identified a total of 1.4 million tons of conventional REE reserves, with an additional potential of 11 million tons from unconventional coal sources. The DOE’s CORE-CM program aims to evaluate U.S. coal and its byproducts as domestic feedstocks for REE production, thereby enhancing security and addressing environmental concerns associated with coal ash.
The paper discusses the concentration of REEs in coal ash, which can be 4-10 times higher than in raw coal due to their non-volatile nature during combustion. A reconnaissance analysis indicates that Appalachian coal ash has a higher mean concentration of REEs compared to other regions. The study’s objectives include estimating the historical and current spatiotemporal variability of coal ash as a resource for REEs and assessing the potential value of different ash deposits. The research aims to provide a comprehensive understanding of coal ash resources, linking them to their mining sources and coal ranks, and to establish a foundation for future REE extraction assessments in the U.S. and globally.
Methods
The methods section of the study outlines the data sources and analytical approaches utilized to assess rare earth element (REE) concentrations in coal ash. The primary data were sourced from the United States Geological Survey (USGS) and the US Energy Information Administration (EIA), with supplementary data from the American Coal Ash Association (ACAA). The study spans various timeframes, beginning with national coal consumption data in 1950 and detailed coal and ash content data from 1972 onwards. The analysis involved estimating values for periods lacking specific data, using archived datasets to evaluate coal production and consumption across different sectors.
The study specifically focuses on coal combustion byproducts (CCBs), particularly fly ash and bottom ash, and their potential as resources for REEs. Ash content was estimated based on historical data from the Federal Energy Regulatory Commission (FERC) and EIA, with a comprehensive analysis conducted for the years 1972-2021. The disposition of CCBs was tracked through EIA reporting forms, detailing the amounts sold, used, stored, or disposed of. Notably, while a portion of fly and bottom ash is utilized in industries such as aggregate and road building, the ash disposed of in landfills remains a potential resource for REEs. REE concentrations were compiled from literature, focusing on samples collected from various coal-fired power plants across major coal basins in the U.S., including analyses of the lanthanide series and additional elements like yttrium and scandium.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variables, with statistical significance achieved at a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group demonstrated improvements in performance metrics compared to the control group, suggesting that the implemented strategies were effective.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these results, emphasizing the potential for broader applications in the field. The findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed hypotheses. Future research directions are suggested to explore the long-term effects of the intervention and to investigate variations across different populations.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of historical coal production and its implications for rare earth element (REE) recovery from coal ash in the United States. As of 2021, the U.S. had approximately 11.2 gigatonnes (Gt) of recoverable coal reserves, with production peaking at 1.06 Gt in 2008 before declining to 0.52 Gt by 2021. The coal production landscape has shifted over time, with significant contributions from the Appalachian, Illinois, and Powder River basins, which collectively accounted for 85% of total coal production from 1950 to 2021. Notably, coal consumption has predominantly been for electricity generation, which constituted about 79% of total coal use, with coal’s share of power generation decreasing from approximately 50% in 1950 to 20% by 2021.
The study highlights the potential of coal ash as a significant resource for REEs, estimating that 69% of the ash produced from 1985 to 2021 is potentially recoverable, primarily stored in landfills and ponds. The mean concentrations of REEs in coal ash vary by basin, with the highest levels found in Appalachian coal ash. The estimated value of recoverable REEs from coal ash is approximately $8.4 billion, which could increase to $97 billion when including yttrium and scandium. This analysis underscores the dual benefits of enhancing U.S. energy security through REE recovery while addressing environmental concerns associated with coal ash disposal. Future work is recommended to explore extraction methodologies and assess the environmental impacts of coal ash storage, particularly in relation to community health and safety.