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新的、环保的稀土元素提取和分离方法

时间:2021-10-09 22:01:18

宏观经济

导读:一种新方法改进了从非传统来源提取和分离稀土元素的工作。稀土元素是一组对智能手机和电动汽车电池等技术至关重要的17种化学元素。由宾夕法尼亚州立大学和劳伦斯......

一种新方法改进了从非传统来源提取和分离稀土元素的工作。稀土元素是一组对智能手机和电动汽车电池等技术至关重要的17种化学元素。由宾夕法尼亚州立大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家领导的新研究表明,从细菌中分离出的蛋白质可以提供一种更环保的方法来提取这些金属,并将它们与其他金属以及彼此分离。该方法最终可以扩大规模,以帮助从工业废物和电子产品中开发出可回收的稀土金属的国内供应。

宾州州立大学化学助理教授兼路易斯·马尔塔拉诺职业发展教授约瑟夫·科特鲁沃(Joseph Cotruvo Jr.)说:“为了满足新兴清洁能源技术对稀土元素日益增长的需求,我们需要应对供应链中的若干挑战。”,宾夕法尼亚州立大学关键矿物中心成员,该研究的共同通讯作者。“这包括提高这些金属的提取和分离过程的效率和减轻环境负担。在这项研究中,我们展示了一种很有前景的新方法,使用一种天然蛋白质,可以扩大规模,从低品位来源(包括工业废物)中提取和分离稀土元素。”

由于美国目前进口其所需的大部分稀土元素,因此新的重点放在从非传统来源建立国内供应,包括燃煤和开采其他金属产生的工业废物以及手机和许多其他材料产生的电子废物。这些来源广泛,但被认为是“低品位”,因为稀土与许多其他金属混合,而且稀土含量太低,传统工艺无法正常工作。此外,目前的提取和分离方法依赖于苛刻的化学品,劳动密集型,有时涉及数百个步骤,产生大量废物,成本高。

这一新方法利用了一种被称为lanmodulin的细菌蛋白质,该蛋白质是研究小组先前发现的,它与稀土元素的结合能力几乎是与其他金属结合能力的十亿倍。10月8日,ACS中央科学杂志在线发表了一篇描述这一过程的论文。

蛋白质首先被固定在一个柱状物(工业过程中常用的垂直管)内的微小珠状物上,液体源材料被添加到柱状物中。然后,蛋白质与样品中的稀土元素结合,这只允许稀土元素保留在色谱柱中,剩余的液体排出。然后,通过改变条件,例如通过改变酸度或添加额外的成分,金属从蛋白质中分离出来,可以排出并收集。通过按顺序小心地改变条件,可以分离单个稀土元素。

科特鲁沃说:“我们首先证明了该方法在将稀土元素从其他金属中分离出来方面非常出色,这在处理低品位来源时至关重要,而低品位来源是一个大杂烩。”。“即使在一个非常复杂的溶液中,只有不到0.1%的金属是稀土——含量极低——我们也成功地提取了一组较轻的稀土,然后一步从一组较重的稀土中分离出来。这种分离是一个必要的简化步骤,因为稀土必须是分离的。”将其整合到各个元素中,并将其整合到技术中。”

研究小组从钕(Nd)中分离出钇(Y)——这两种元素在原生稀土矿床和煤炭副产品中都很丰富——纯度超过99%。他们还将钕和镝(镝)分离出来,镝是电子废物中常见的一种关键配对,根据初始金属成分,在一到两个周期内纯度就超过99.9%。

LLNL的博士后研究员、该研究的第一作者Ziye Dong说:“回收的钕和镝的高纯度可与其他分离方法相媲美,在不使用苛刻的有机溶剂的情况下,可通过同样多或更少的步骤完成。”。“因为这种蛋白质可以被多次循环使用,它提供了一种有吸引力的生态友好的替代方法。”

研究人员认为,他们的方法不一定会取代目前的液-液萃取工艺,该工艺通常用于从高品位来源大量生产较轻稀土元素。相反,它将允许有效利用低品位资源,特别是用于提取和分离稀有且通常价值更高的重稀土。

“其他最新的方法能够从低品位来源提取稀土元素,但它们通常停留在将所有稀土集中在一起的“总”产品上,其价值相对较小,然后需要导入更传统的方案中,以进一步纯化单个稀土元素。”LLNL的职员科学家、该研究的合著者丹·帕克说。“真正的价值在于单个稀土的生产,尤其是重元素的生产。”

科特鲁沃补充说:“我们的工艺特别方便,因为这些高价值金属可以首先从色谱柱中提纯。”。

研究人员计划对该方法进行优化,以减少获得最高纯度产品所需的循环次数,从而扩大其工业应用范围。

科特鲁沃说:“如果我们能够设计出对特定元素具有更高选择性的lanmodulin蛋白质衍生物,我们就可以在相对较少的步骤中回收和分离所有17种稀土元素,即使是从最复杂的混合物中,也不需要任何有机溶剂或有毒化学物质,这将是一件大事。”。“我们的工作表明,这一目标应该是可以实现的。”

除了科特鲁沃、东和帕克,研究团队还包括宾州州立大学的约瑟夫·马托克斯、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的高蒂尔·德布隆德、焦永勤和丹·帕克,以及太平洋西北国家实验室的胡德宏。这项工作得到了美国能源部资助的能源创新中心关键材料研究所(Critical Materials Institute)和能源部科学办公室的支持。

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