Внутри мощного процесса, который может переработать редкоземельные металлы

Чтобы добыть критически важные редкие земли из промышленных отходов и старой электроники, требуется хитрая химия.

Отредактировано 2023-13-06
Два химика разбирают старый компьютер в ходе эксперимента по переработке редкоземельных металловИсследователи из Университета Райса успешно выделили редкоземельные металлы из старых компьютеров и других отходов.

Загляните во второй ряд снизу большинства периодических таблиц, и вы найдете лантаноиды, оторванные от архива элементов, который не знает, что с ними делать. Лантаниды - это тесно сплоченная группа, которую трудно отличить друг от друга из-за их схожих цветов и свойств. Даже для большинства ученых они живут в холодной и далекой стране, полностью неорганической и далекой от комфорта водорода, углерода и кислорода.

Но эти металлы имеют решающее значение для современного мира. Они входят в группу, известную как редкоземельные элементы, или редкие земли, которые поддерживают все - от магнитов, питающих чистые энергетические технологии, до линз телескопов и экрана устройства, на котором вы это читаете. Их добыча трудна и экологически затратна.

Поэтому химики и инженеры пытаются наилучшим образом использовать уже переработанные редкоземельные элементы, перерабатывая их из промышленных отходов и старой электроники. В новом исследовании, опубликованном 9 февраля в журнале Science Advances, они показывают, как они пытаются сделать это с помощью ярких вспышек электричества.

Молекулы угольной летучей золы, разделяющиеся на черно-белом изображении микроскопаМолекулярный взгляд на разделение редких земель в угольной золе.

Большинство редкоземов на самом деле не такие уж редкие (конечно, не по сравнению с действительно редкими элементами, такими как иридий), но их нелегко получить. После добычи руды из земли их необходимо разделить для получения специализированных продуктов - утомительный процесс, учитывая их схожие свойства. В основном добыча редкоземельных металлов сосредоточена на лантане и церии, но более тяжелые металлы, такие как неодим и диспрозий, особенно востребованы для магнитов, используемых в технологиях чистой энергии.

Большая часть (по некоторым оценкам, более 90 процентов) мировых поставок сегодня осуществляется из Китая, что делает этот ресурс более уязвимым для геополитической напряженности. В 2010 году, после того как китайское рыболовецкое судно столкнулось с японским катером береговой охраны в спорных водах, Китай прекратил экспорт редкоземельных металлов в Японию. Блокада продлилась недолго, но с тех пор Япония активно искала альтернативные источники редкоземельных металлов. Так же поступили и другие страны.

Еще важнее то, что добыча редкоземельных металлов сопряжена с экологическими издержками. "Это энерго- и химически интенсивный процесс", - говорит Саймон Джовитт, геохимик из Университета Невады в Лас-Вегасе, который не принимал участия в последнем исследовании. "В зависимости от способа переработки, это связано с использованием высокопрочных кислот". Эти кислоты могут просачиваться в окружающую среду.

Одним из способов снижения нагрузки является переработка товаров, которые уже содержат эти элементы, но это все еще не распространено. Кэлли Бэббитт, профессор устойчивого развития Рочестерского технологического института на севере штата Нью-Йорк, который также не участвовал в новом исследовании, говорит, что только от 1 до 5 процентов редкоземельных элементов в мире перерабатывается.

Именно поэтому исследователи внедряют инновации, чтобы найти новые способы расщепления редкоземельных металлов. Некоторые пробовали использовать бактерии, но кормление этих микробов оказалось энергоемким.

Теперь одна группа из Университета Райса разработала метод утилизации, основанный на использовании интенсивного электричества, называемого "вспышечным джоулевым нагревом". Исследователи, разработавшие этот метод, ранее испытали его на старых, разрезанных на части печатных платах, чтобы очистить их от драгоценных металлов, таких как палладий и золото, и тяжелых металлов, таких как хром и ртуть, прежде чем безопасно утилизировать их в сельскохозяйственной почве.

На этот раз они применили вспышечный джоулевый нагрев к другим промышленным побочным продуктам: угольной золе, которая является загрязняющим веществом электростанций, работающих на ископаемом топливе, красному шламу, который является токсичным веществом, остающимся после переработки бокситов в алюминий, и, конечно же, к электронным отходам.

Их процесс выглядел примерно так. Они помещали расщепляемое вещество в кварцевую трубку размером с палец, где электричество "вспыхивало" до температуры около 5400 градусов по Фаренгейту. Затем разделенные компоненты растворялись в растворе, который химики могли извлечь позже.

При этом процессе выделяются некоторые токсичные соединения, но система направлена на их улавливание и предотвращение попадания в воздух. "Когда вы делаете это в промышленных масштабах, вы не просто выбрасываете эти соединения в воздух", - говорит Джеймс Тур, химик из Университета Райса и один из авторов исследования. "Вы бы их улавливали".

"Наш поток отходов сильно отличается, - объясняет Тур. В отличие от сильной азотной кислоты, которая часто используется для извлечения редких земель из земли, их раствор представляет собой гораздо более слабую, более разбавленную соляную кислоту. "Если бы она попала вам на руку, я думаю, вы бы ее даже не почувствовали", - говорит Тур.

Однако, даже несмотря на шаг вперед в этом исследовании, пройдет еще некоторое время, прежде чем груды промышленных отходов можно будет перерабатывать для получения редких земель. "В этой области ведется активная работа, но я не видел ничего прорывного", - говорит Джовитт.

По словам Джоуитта, одна из проблем с джоулевым нагревом заключается в том, что редкоземельные элементы необходимо отделить, прежде чем их можно будет отлить в гаджеты. Более того, использование таких загрязняющих веществ, как угольная зола, означает, что в процессе будут и другие вредные остатки. "Извлечение и восстановление содержащихся в них [редкоземельных металлов] - это лишь часть более сложной задачи по управлению этими отходами", - говорит Бэббит.

Когда речь идет об электронных отходах, нелегко будет добыть из гор вышедших из употребления компьютеров и телефонов ценные компоненты. Количество редкоземельных элементов в среднем смартфоне, например, составляет доли грамма. И многие потребители не знают, где и как их перерабатывать.

В связи с этим Джовитт считает, что решение может заключаться в продуктах, повышающих спрос на редкоземельные металлы. "Одна из очевидных вещей - это изменение дизайна вещей, чтобы сделать их более пригодными для вторичной переработки".