稀土元素(REE)包括元素周期表中的鑭系元素和鈧、釔共17種金屬元素，幾乎存在于每一項技術(shù)中，包括手機(jī)、電視、電腦和汽車部件。現(xiàn)在，對這些元素的需求與年俱增，但其供應(yīng)量有限，而且開采過程會對環(huán)境產(chǎn)生不良影響。
(圖片來源：麥凱維工程學(xué)院)
據(jù)外媒報道，圣路易斯華盛頓大學(xué)(Washington University in St. Louis)麥凱維工程學(xué)院的能源、環(huán)境與化學(xué)工程教授Young-Shin Jun及其同事創(chuàng)造了一種概念驗證型解決方法，可從粉煤灰(即煤炭燃料后剩下的粉末狀廢棄物)中提取REE。Jun表示：“相比之下，傳統(tǒng)工藝更具危害性。因此，研究人員希望通過更為環(huán)保的工藝來提取REE。考慮到已經(jīng)使用過的煤，該工藝最終有助于減少和重新利用廢棄物。”
研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新提取工藝，使用超臨界流體(通常用于除去咖啡中的咖啡因)，從原本要丟在垃圾場的材料中回收急需的稀土元素。超臨界流體是指物質(zhì)處于高于臨界點的溫度和壓強(qiáng)下形成的一種新流體，其性質(zhì)介于液體和氣體之間，并且兼具二者的優(yōu)點。美國每年產(chǎn)生超過7900萬公噸的粉煤灰。據(jù)該團(tuán)隊報告，每年從這些粉煤灰中提取的稀土元素，估計潛在價值超過40億美元。
該項研究首次表明，使用常見且易于獲取的超臨界流體(包括二氧化碳、氮和空氣)，能夠非常有效地提取稀土元素并分離雜質(zhì)。此外，通過使用粉煤灰進(jìn)行實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳(CO2)可以降低最終REE產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量。相比之下，最終產(chǎn)品中含有6.47%的REE，而在最初使用的粉煤灰中REE含量僅為0.0234%。
作為該校環(huán)境納米化學(xué)實驗室(Environmental NanoChemistry Laboratory)的負(fù)責(zé)人，Jun表示：“這項工作的獨到之處，不僅是使用超臨界CO2，而且還表明，超臨界空氣和氮的溫度和壓力遠(yuǎn)低于CO2，也可以有效地提取稀土元素。研究人員可以在較低的溫度和壓力下，利用氮或空氣從粉煤灰中提取稀土元素，從而降低能源成本。當(dāng)然，超臨界CO2的效果最好。但在稀土提取方面，比起傳統(tǒng)的酸和有機(jī)溶劑高溫煮沸方法，超臨界空氣或氮的效果更好。”
該團(tuán)隊的提取過程包括兩個步驟：第一步，粉煤灰中的金屬離子(包括稀土和雜質(zhì))，從粉煤灰中浸出并與硝酸反應(yīng)形成金屬硝酸鹽;第二步，金屬硝酸鹽與磷酸三丁酯(TBP)反應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，在超臨界CO2、氮或空氣中，稀土形成了可以從粉煤灰中提取的絡(luò)合物。
在提取過程后，研究人員通過多級剝離工藝來收集REE，并減少雜質(zhì)含量。該工藝中使用的硝酸和TBP，完全可以在不犧牲效率的情況下多次回收，從而充分減少處理問題。
這種方法不需要在極高溫度(高于500攝氏度)下焙燒原材料，也不需要使用強(qiáng)酸和大量有毒有機(jī)溶劑提取REE，從而減少所產(chǎn)生的廢棄物。Jun表示：“超臨界流體被視為一種更環(huán)保的溶劑，對環(huán)境的影響更少，而且可以直接從固體廢棄物中提取REE，無需浸出和焙燒原材料。因此，新工藝的耗能更少，產(chǎn)生的廢棄物也更少。研究人員致力于尋找一種更加環(huán)保的工藝，以回收關(guān)鍵元素，并重新利用以前被視為廢棄物的材料。”
