Floridas Phosphatminen könnten eine bedeutende Quelle für Seltenerdelemente sein

POLK COUNTY, Florida – Das Periodensystem, an das Sie sich vielleicht aus dem Chemieunterricht erinnern, hatte zwei zusätzliche Reihen mit Elementen unterhalb des Haupttabellens. In der oberen hinzugefügten Reihe befinden sich Seltenerdelemente, Metalle, die in Alltagstechnologien wie Mobiltelefonen und Flachbildfernsehern von entscheidender Bedeutung sind. Ihr weltweiter Bedarf für den Einsatz in erneuerbaren Energietechnologien wie Solarpaneelen und Elektrofahrzeugen ist sprunghaft angestiegen.

Sogenannte „Seltene Erden“, Metalle mit Namen wie Yttrium und Scandium, sind gar nicht so selten. Die meisten kommen häufiger vor als Silber, Gold und Platin. Man findet sie eher in geringen Konzentrationen als in großen, natürlichen Vorräten.

Die Vereinigten Staaten importieren derzeit mehr als 80 % ihrer Seltenerdelemente von Offshore-Lieferanten. Eine kürzlich durchgeführte Bewertung der Lieferkette des Bundes ergab eine „übermäßige Abhängigkeit von ausländischen Quellen und gegnerischen Nationen“. Durch politische Maßnahmen und das überparteiliche Infrastrukturgesetz hat die Biden-Regierung darauf gedrängt, die US-Versorgung mit kritischen Mineralien, die für den Übergang zu sauberer Energie benötigt werden, einschließlich seltener Erden, auszubauen.

Im Zuge dieser Bemühungen zur Ausweitung einheimischer Quellen behaupten einige Forscher, dass Floridas Phosphatvorkommen, die seit über einem Jahrhundert von der Düngemittelindustrie abgebaut werden, ein zweites Leben als wichtiger Lieferant von Seltenerdmineralien haben könnten.

„Wir könnten fast 50 % der US-Nachfrage nach vielen der kritischen Seltenerdelemente aus Florida decken“, sagte Chunhong „Patrick“ Zhang, Direktor für Bergbau- und Aufbereitungsforschung am Florida Industrial and Phosphate Research Institute (FIPR) in Lakeland.

Dr. Patrick Zhang, Forschungsdirektor für Phosphataufbereitung und -abbau am Florida Industrial and Phosphate Research Institute, Teil der Florida Polytechnic University, zeigt im Labor des Instituts eine Lösung mit Seltenerdmineralien.

Es bleiben jedoch große Fragen offen, wer die erheblichen Anlaufkosten finanzieren würde – und ob die Gemeinden in Florida, in denen die Industrie seit einem Jahrhundert beheimatet ist, auch von einem Mineralienrausch profitieren würden oder ob sie geschädigt würden.

Die 15 Seltenerdelemente werden anhand ihres Atomgewichts in zwei Kategorien eingeteilt: „leichte“ und „schwere“ Elemente. Während andere Lagerstätten in den USA hohe Konzentrationen an Leichtmetallen aufweisen, weist Florida aufgrund seiner geologischen Küstengeschichte eine hohe Konzentration an Schwermetallen auf.

Sogenannte REEs sind bessere Leiter und magnetischer als andere Metalle, was sie besonders wertvoll für Elektronik, Cleantech, Verteidigung und andere Technologien macht.

Wer sie kontrolliert, ist ein zunehmendes geopolitisches Problem. Die US-Importe stammen hauptsächlich aus China, das derzeit etwa 70 % des weltweiten Angebots produziert.

Phosphaterz ist relativ weich und löst sich in Wasser auf, sodass es sich leicht von umgebenden Metallen trennen lässt. Bei einer landesweiten Auswertung der Phosphatvorkommen in den USA fanden der Forschungsgeologe Poul Emsbo vom US Geological Survey (USGS) und sein Team Konzentrationen seltener Erden in den USA, die „gleich oder größer als alle bekannten Ressourcen“ sind. Das Team stellte außerdem fest, dass die seltenen Erden in heimischen Phosphatvorkommen „leicht abbaubar“ seien, sagte Emsbo, und weniger Umweltprobleme aufwerfen als herkömmliche REE-Minen.

Forscher und Branchenexperten sagten, die Phosphatreserven der USA könnten Teil einer neuen inländischen Lieferkette sein. Erhebliche Mengen an REEs finden sich nicht nur in Phosphatlagerstätten, sondern auch in Phosphogips, einem radioaktiven Nebenprodukt der Phosphorsäureverarbeitung. Laut der Phosphate Innovation Initiative, einer Industriegruppe, hinterlässt jede produzierte Tonne Phosphat fünf Tonnen Phosphogipsabfall. Der Abfall wird zu deponieähnlichen Bergen gestapelt, die eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Die Industrie ist auf der Suche nach alternativen Verwendungsmöglichkeiten, beispielsweise dem Recycling des Materials für den Straßenbau, eine umstrittene Maßnahme, die in diesem Jahr vom Gesetzgeber Floridas zur Prüfung genehmigt wurde.

Im „Bone Valley“ in Zentralflorida hat Zhang das letzte Jahrzehnt damit verbracht, am FIPR-Institut, das heute an der Florida Polytechnic University ansässig ist, das Potenzial für die Gewinnung seltener Erdelemente aus Phosphat und Phosphogips zu erforschen. Zhang sagte, dass seine vom US-Energieministerium finanzierte Arbeit zur wirtschaftlichen und technischen Machbarkeit der REE-Rückgewinnung aus Phosphatschlamm bewiesen habe, dass Bergbauabfälle und Nebenprodukte „lebensfähige Ressourcen für kritische Elemente“ seien.

Als nächsten Schritt haben Zhang, ein nationales Forschungsteam und The Mosaic Co., das größte Phosphatabbauunternehmen in Florida, eine kommerzielle Demonstrationsanlage auf Bergbaugebieten vorgeschlagen, die Seltenerdelemente aus Phosphorsäureschlamm verarbeiten würde.

Aufgrund des wissenschaftlichen Fortschritts ist kein zusätzlicher Bergbau erforderlich, um Seltenerdelemente zu gewinnen. Spezielle Polymere, sich wiederholende Molekülketten, die die Bindung von Mineralien unterstützen, können Phosphaten zugesetzt werden, um ihre Fähigkeit zum Herausziehen von Metallen zu erhöhen.

Ein Blick über die Schulter eines Bedieners der „Princess Grace“, einer Schleppleine, die Phosphat aus den Minen von Four Corners Mosaic fördert.

Joseph Laurino ist Gründer und Eigentümer von Periodic Products mit Sitz in Sarasota, einem Säure- und Chemieunternehmen, das Polymere für die REE-Extraktion entwickelt hat. Sein Hintergrund in der organischen Chemie inspirierte ihn, die Technologie zu patentieren. Die größte Quelle für Seltenerdelemente liege seiner Meinung nach nicht im Boden, sondern in Nebenprodukten der Phosphatindustrie wie Phosphogips.

„Der Phosphatabfall in den USA enthält genügend Seltene Erden, um den jährlichen Bedarf der USA an Seltenerdmetallen zu decken“, sagte er. „Wir müssen nichts abbauen, wir müssen es nur aus den Abfallprodukten zurückgewinnen.“

Laut Laurino sei eine Konzentration von 4 % der Seltenerdelemente in der Abfallwaschlösung erforderlich, damit die REEs erfolgreich abgetrennt werden könnten. Die Polymere können den REE-Gehalt weiter konzentrieren und so die Extraktion erleichtern. Der wirtschaftlich effizienteste Weg, sie aus Phosphatschlamm zu extrahieren, wäre laut Laurino die gemeinsame Ansiedlung von REE-Standorten bei aktuellen Phosphatbetrieben.

„Dieser Prozess muss an dem Ort durchgeführt werden, an dem das Material erzeugt wird, was wirklich gut für die Phosphatindustrie ist“, sagte Laurino.

Bergbauunternehmen wie Mosaic hätten finanziell viel zu gewinnen, wenn sie die Verarbeitung unterbringen würden, sagte er. Neue Polymertechnologien zur Gewinnung seltener Erden könnten auch die Abfallmenge in den Phosphorgipsstapeln reduzieren und so sowohl die Kosten als auch die Strahlenrisiken senken. Noch unklar sei, so Laurino, wie viel des Materials verarbeitet werden könne. Dies hängt von der Größe und Kapazität der Anlage ab.

Bisher hielten die Verantwortlichen von Mosaic die hohen Kapital- und Betriebskosten für zu hoch, um sie über den Labor- und Pilotmaßstab hinaus zu rechtfertigen. In einer Präsentation vor der US Energy Association berichtete das Unternehmen, dass der Prozess „ohne erhebliche staatliche finanzielle Unterstützung, Kooperationsvereinbarungen oder andere Geschäftsanreize“ noch nicht wirtschaftlich realisierbar sei.

Phosphatschlamm befindet sich in einem Überlauf auf dem Grundstück von The Mosaic Co. in Bone Valley, wo Phosphat von anderen Mineralien getrennt wird.

Zhangs jüngster Fortschrittsbericht an das Energieministerium vertritt die Auffassung, dass REEs eine wichtige Einnahmequelle für Polk County in Florida sein könnten, das in dem Bericht als „eine benachteiligte Gemeinde, die durch den Phosphatabbau jahrhundertelang Auswirkungen auf die Umwelt hat“ beschrieben wird. Der Landkreis beherbergt die größte Konzentration an Phosphatminen, -anlagen und -gipslagern in ganz Florida und trägt die industrielle Belastung für einen Großteil des landesweiten Phosphorbedarfs.

In den ersten Jahrzehnten der Branche war diese Belastung die Arbeit. Dann war es Wasser und sogar Gemeinschaft. Minen haben natürliche Bäche und Quellen vernichtet und Stadtteile verdrängt. Die Industrie reißt Tausende Hektar Boden und Vegetation ab, bevor sie sie für andere Zwecke wiederherstellt – ein jahrzehntelanger Prozess. Es lagert radioaktiven Abfall in kleinen Bergen, von denen Nachbarn und Umweltschützer befürchten, dass sie eine Kontaminationsgefahr darstellen.

Zhang sagte, er glaube, dass REEs den örtlichen Gemeinden einen erheblichen Nutzen bringen könnten. Zu den Fragen gehört jedoch, wie und wie viel. Eine Datenanalyse für dieses Projekt ergab, dass sich die Branche tendenziell auf Gebiete konzentriert, in denen mehr Armut herrscht als im Landesdurchschnitt.

Omanjana Goswami, eine interdisziplinäre Wissenschaftlerin im Lebensmittel- und Umweltprogramm der Union of Concerned Scientists, sagte, dass die durch die Düngemittelindustrie überproportional belasteten Gemeinden Modelle dafür brauchen, wie sich das ändern kann.

Wichtig seien auch Innovationen, um die Gesellschaft ganz vom Bergbau wegzubringen und hin zu nachhaltigeren Quellen für Phosphor und andere Elemente. „Letztendlich sind die Einlagen endlich“, sagte sie. „Die Lösung besteht darin, effizienter zu fördern und sicherzustellen, dass die Umwelt, insbesondere die Menschen und die Gemeinschaften rund um diese Minen nicht geschädigt werden.“

Omanjana Goswami von der Union of Concerned Scientists sagte, die Welt müsse Wege finden, den „Teufelskreis“ der Mineraliengewinnung durch Bergbau in einen positiven Kreislauf umzuwandeln, der weder den Menschen noch der Umwelt Probleme bereite.

Zu den neuen Einsatzmöglichkeiten für Phosphogips gehört die Rückgewinnung von Struvit, einem Magnesium-, Ammonium- und Phosphatdünger, aus Schlamm und Abwasser.

Neben rund 500.000 US-Dollar an Sachleistungen für Zhangs Demonstrationsanlage hat Mosaic in den letzten drei Jahren der University of Florida etwa 500.000 US-Dollar für andere Forschungsprojekte zur Verfügung gestellt, um plausible Verwendungsmöglichkeiten für Phosphogips und Wege zu einer zyklischen Wirtschaft für Phosphat zu finden.

Timothy Townsend, Professor für Umweltingenieurwesen im Forschungslabor für nachhaltiges Materialmanagement der UF, hat an der Möglichkeit gearbeitet, Phosphogipsabfälle als Straßenbaumaterial zu verwenden, um die Größe von Gipskartons zu reduzieren.

Townsend sagte, seine Forschung zeige einen Weg für Phosphogips-Innovationen in der Branche auf. Seine nächsten Schritte sind Beispielprojekte für Straßenfundamente, die die Machbarkeit und strukturelle Kapazität von Straßen testen werden, die Phosphogips im Vergleich zu herkömmlichem Straßenmaterial enthalten. Er wird auch Strahlungsauslaugung testen.

Umweltschützer werfen vor, dass der Prozess radioaktives Material in die Luft und in die Wasserstraßen freisetzen und Bauarbeiter einem Krebsrisiko aussetzen könnte; Sie haben Gouverneur Ron DeSantis aufgefordert, gegen den diesjährigen Gesetzentwurf zur Genehmigung des Demonstrationsprojekts ein Veto einzulegen.

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wird der US Geological Survey in Zusammenarbeit mit staatlichen Geologieämtern das Land kartieren, um Gebiete zu identifizieren, die kritische Mineralvorräte enthalten, sagte der Forschungsgeologe Warren Day, Wissenschaftskoordinator der Earth Mapping Resources Initiative.

„Das wurde noch nie gemacht“, sagte Day über das Kartierungsprojekt mit dem Spitznamen Earth MRI. „Es ist eine riesige Mission, es ist eine große Herausforderung.“

Day sagte, das überparteiliche Infrastrukturgesetz habe 320 Millionen US-Dollar für die ersten fünf Jahre der Kartierung bereitgestellt.

Geologen des Florida Geological Survey arbeiten derzeit mit USGS zusammen, um das Potenzial für REEs aus Phosphatabbauabfällen Floridas zu untersuchen. Das staatliche Umweltschutzministerium reagierte nicht auf Interviewanfragen zur Erörterung der Arbeit.

Abgesehen von Fragen der inneren Sicherheit und der Lieferkette, sagte Day, bedeute die Abhängigkeit von Mineralien aus Ländern mit laxen Menschenrechten und Umweltschutz, dass wir „unsere Probleme in diese Länder exportieren“.

Goswami von der Union of Concerned Scientists sagte, der Weg nach vorn bestehe darin, den „Teufelskreis“ der Mineraliengewinnung durch Bergbau in einen positiven Kreislauf umzuwandeln, der den Menschen hier oder anderswo keine Probleme bereite.

„Es ist natürlich eine Frage der Politik, des Geldes und auch der gemeinschaftlichen Initiative“, sagte sie. „Für kurzfristige Gewinne verursachen wir langfristige Schäden, die so schwer zu reparieren wären. Sie sind nahezu irreparabel und unumkehrbar.“

Diese Geschichte ist Teil von „The Price of Plenty“, einem Sonderprojekt zur Untersuchung von Düngemitteln des University of Florida College of Journalism and Communications und der University of Missouri School of Journalism, das von der landesweiten Berichterstattungsinitiative „Connected Coastlines“ des Pulitzer Centers unterstützt wird.