研究人員發(fā)明了一種從廢料中回收珍貴稀土元素的簡單技術(shù)。將電子和工業(yè)廢料加熱到極高的溫度后快速通過大電流，可以從材料中提取兩倍以上的稀土元素。
由17種元素組成的稀土元素，對(duì)于讓我們的世界運(yùn)轉(zhuǎn)的科技來說至關(guān)重要: 智能手機(jī)、電動(dòng)汽車馬達(dá)、風(fēng)力渦輪機(jī)等等。但是，提取稀土元素是一項(xiàng)“骯臟”的工作，它會(huì)造成環(huán)境破壞并產(chǎn)生大量廢料，包括低放射性廢料。
稀土元素對(duì)于現(xiàn)代人類科技至關(guān)重要 | USGS
此外，稀土的全球供應(yīng)鏈也是一大問題。與它們的名字相反，稀土元素其實(shí)在地殼中并不稀有。然而，中國占據(jù)了稀土市場(chǎng)最大的市場(chǎng)份額，開采了世界上70% 以上的稀土，加工所占的比例甚至更高。為了繞過這一稀土大國，中國以外的汽車制造商正試圖生產(chǎn)不使用稀土永磁材料的電動(dòng)馬達(dá)。與此同時(shí)，日本正試圖從深海泥漿中回收金屬，金屬公司還計(jì)劃從洋底開采金屬結(jié)核。
獲得稀土的一個(gè)更可持續(xù)的方案是從舊電子產(chǎn)品和廢料中回收稀土，比如燃燒煤炭的副產(chǎn)品——粉煤灰。不過，回收并非易事。稀土元素不易從其他物質(zhì)中溶解分離出來。在粉煤灰中，稀土元素以磷酸鹽的形式存在，不易分解，而且灰塵顆粒通常被包裹在一層形成于燃煤爐的玻璃中。
研究人員一直嘗試從電子廢料中提取稀土元素 | Wikimedia Commons，Patrickewastenz / CC BY-SA 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）
目前使用的稀土提取方法依賴于大量的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)（比如強(qiáng)酸），然而這一方法效率很低。萊斯大學(xué)化學(xué)家詹姆斯 · 圖爾（James Tour）說：“你需要強(qiáng)酸才能把稀土提取出來，而強(qiáng)酸不能透過外表的玻璃，提取便無從談起?！?/span>
圖爾和他的同事們決定嘗試使用他們最初在2020年開發(fā)的閃速焦耳加熱工藝，當(dāng)時(shí)這一技術(shù)用于從各類碳源中生產(chǎn)石墨烯。去年，他們報(bào)道使用該技術(shù)去除印刷電路板中的貴金屬和有毒重金屬?，F(xiàn)在他們決定把注意力轉(zhuǎn)移到稀土元素的提取上?！拔覀円呀?jīng)有了錘子，現(xiàn)在我們正在尋找釘子?！眻D爾說，“如果我們可以從廢棄物中獲得這些通常從地球礦物中提取的元素，那將是非常好的成果。”
閃速焦耳加熱技術(shù)示意圖及其提取效果 | 參考資料[1]
在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上發(fā)表的一篇論文中，他們報(bào)告了對(duì)粉煤灰、廢棄印刷電路板和赤泥進(jìn)行閃速焦耳加熱的情況。赤泥是一種富含鐵元素的礦漿，是鋁生產(chǎn)的副產(chǎn)品。這些廢物中含有的五種最重要的稀土元素ーー釔、釹、銪、鋱和鏑ーー是世界上某些濃縮度最高的礦石中含量的兩到三倍。
用短暫而強(qiáng)烈的電流沖擊廢棄物，使其迅速升溫至約3000攝氏度，這足以使粉煤灰顆粒周圍的玻璃層破裂，并將粉煤灰和鋁土礦中的稀土磷酸鹽轉(zhuǎn)化為易溶于弱酸的氧化物，以便隨后提取。圖爾說，在電子廢料中，稀土元素通常以易溶解的金屬或氧化物的形式存在。但問題在于，它們分層嵌入基質(zhì)材料中，仍然很難分離。閃速焦耳加熱方法能震裂和分離基體層，更易于稀土元素的提取。
因此，該技術(shù)能夠提取的稀土遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)使用強(qiáng)酸的方法。“過去作為黃金（全國黃金選冶實(shí)用技術(shù)與裝備交流會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)的濃縮酸不能從粉煤灰中提取所有的稀土元素?！倍艩栒f，“所以與過去的標(biāo)準(zhǔn)相比，我們獲得了150% 到200% 的產(chǎn)量。”此外，這種新方法不需要消耗太多熱量，如果大規(guī)模使用，每噸粉煤灰消耗大約價(jià)值12美元的能量。
新技術(shù)從鋁土礦渣和電子廢料中提取稀土元素的產(chǎn)量更高 | 參考資料[1]
圖爾說，他和他的同事們開發(fā)的新技術(shù)已經(jīng)引起了 稀土產(chǎn)業(yè)人士的注意。從他們身上，圖爾意識(shí)到這一新穎的發(fā)明是開始而非結(jié)束?！斑@項(xiàng)技術(shù)并不能解決所有問題?！彼硎荆澳闳匀粫?huì)得到稀土的混合物，分離這些混合物有標(biāo)準(zhǔn)的方法，但這也可能是主要的成本點(diǎn)。因此，新技術(shù)為解決稀土元素的提取問題提供了一個(gè)新工具，但還有其它問題需要解決?！?/span>
其他研究人員也在試圖解決從廢棄物中提取稀土的難題。此前，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和賓夕法尼亞州立大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)宣布，他們正在與西方稀土公司合作開發(fā)一種利用最近發(fā)現(xiàn)的天然蛋白質(zhì)提取稀土的方法。同時(shí)，美國能源部還宣布，計(jì)劃建造第一座從礦山（第二屆金屬礦山采礦設(shè)備供應(yīng)商大會(huì)暨標(biāo)準(zhǔn)討論會(huì)）廢料中提取稀土和其他重要金屬的大型設(shè)施。
參考文獻(xiàn)
[1] Deng B, Wang X, Luong D X, et al. Rare earth elements from waste[J]. Science Advances, 2022, 8(6): eabm3132.
[2] https://spectrum.ieee.org/rare-earth-elements
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