怎样从旧电子产品和工业废料中回收更多稀土?

研究人员发明了一种从废料中回收珍贵稀土元素的简单技术。将电子和工业废料加热到极高的温度后快速通过大电流,可以从材料中提取两倍以上的稀土元素。

由17种元素组成的稀土元素,对于让我们的世界运转的科技来说至关重要: 智能手机、电动汽车马达、风力涡轮机等等。但是,提取稀土元素是一项“肮脏”的工作,它会 造成环境破坏并产生大量废料,包括低放射性废料。

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稀土元素对于现代人类科技至关重要 | USGS

此外,稀土的全球供应链也是一大问题。与它们的名字相反,稀土元素其实在地壳中并不稀有。然而,中国占据了稀土市场最大的市场份额,开采了世界上70% 以上的稀土,加工所占的比例甚至更高。为了绕过这一稀土大国,中国以外的汽车制造商正试图生产不使用稀土永磁材料的电动马达。与此同时,日本正试图从深海泥浆中回收金属,金属公司还计划从洋底开采金属结核。

获得稀土的一个更可持续的方案是从旧电子产品和废料中回收稀土,比如燃烧煤炭的副产品——粉煤灰。不过, 回收并非易事。稀土元素不易从其他物质中溶解分离出来。在粉煤灰中,稀土元素以磷酸盐的形式存在,不易分解,而且灰尘颗粒通常被包裹在一层形成于燃煤炉的玻璃中。

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研究人员一直尝试从电子废料中提取稀土元素 | 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赖于大量的腐蚀性化学物质(比如强酸),然而这一方法效率很低。莱斯大学化学家詹姆斯 · 图尔(James Tour)说:“你需要强酸才能把稀土提取出来,而强酸不能透过外表的玻璃,提取便无从谈起。”

图尔和他的同事们决定尝试使用他们最初在2020年开发的 闪速焦耳加热工艺,当时这一技术用于从各类碳源中生产石墨烯。去年,他们报道使用该技术去除印刷电路板中的贵金属和有毒重金属。现在他们决定把注意力转移到稀土元素的提取上。“我们已经有了锤子,现在我们正在寻找钉子。”图尔说,“如果我们可以从废弃物中获得这些通常从地球矿物中提取的元素,那将是非常好的成果。”

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闪速焦耳加热技术示意图及其提取效果 | 参考资料[1]

在《科学进展》( Science Advances )上发表的一篇论文中,他们报告了对粉煤灰、废弃印刷电路板和赤泥进行闪速焦耳加热的情况。赤泥是一种富含铁元素的矿浆,是铝生产的副产品。这些废物中含有的五种最重要的稀土元素ーー钇、钕、铕、铽和镝ーー是世界上某些浓缩度最高的矿石中含量的两到三倍。

用短暂而强烈的电流冲击废弃物,使其迅速升温至约3000摄氏度,这足以使粉煤灰颗粒周围的玻璃层破裂,并将粉煤灰和铝土矿中的稀土磷酸盐转化为易溶于弱酸的氧化物,以便随后提取。图尔说,在电子废料中,稀土元素通常以易溶解的金属或氧化物的形式存在。但问题在于,它们分层嵌入基质材料中,仍然很难分离。闪速焦耳加热方法能震裂和分离基体层,更易于稀土元素的提取。

因此, 该技术能够提取的稀土远远超过传统使用强酸的方法。“过去作为黄金标准的浓缩酸不能从粉煤灰中提取所有的稀土元素。”杜尔说,“所以与过去的标准相比,我们获得了150% 到200% 的产量。”此外, 这种新方法不需要消耗太多热量,如果大规模使用,每吨粉煤灰消耗大约价值12美元的能量。

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新技术从铝土矿渣和电子废料中提取稀土元素的产量更高 | 参考资料[1]

图尔说,他和他的同事们开发的新技术已经引起了 稀土产业人士的注意。从他们身上,图尔意识到这一新颖的发明是开始而非结束。“这项技术并不能解决所有问题。”他表示,“你仍然会得到稀土的混合物,分离这些混合物有标准的方法,但这也可能是主要的成本点。因此,新技术为解决稀土元素的提取问题提供了一个新工具,但还有其它问题需要解决。”

其他研究人员也在试图解决从废弃物中提取稀土的难题。此前,劳伦斯利弗莫尔国家实验室和宾夕法尼亚州立大学的一个团队宣布,他们正在与西方稀土公司合作开发一种利用最近发现的天然蛋白质提取稀土的方法。同时,美国能源部还宣布,计划建造第一座从矿山废料中提取稀土和其他重要金属的大型设施。

参考文献

[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

编译:矩阵星

编辑:酥鱼

排版:尹宁流

题图来源:参考文献[2]

研究团队

通讯作者James M. Tour:美国莱斯大学化学、材料化学与纳米工程与计算机科学教授,主要研究领域为有机化学、材料科学与纳米技术,曾获Feymann Prize(2008)、Centenary Prize(2020)、Oesper Prize(2021)等奖项。

课题组主页 https://www.jmtour.com/

第一作者 邓兵:莱斯大学博士后,2019年获北京大学博士学位,主要研究方向为材料科学与纳米材料。

论文信息

发布期刊《科学进展》 Science Advances

发布时间2022年2月9日

论文标题Rare earth elements from waste

(DOI:10.1126/sciadv.abm3132)

文章领域材料科学,稀土化学

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