研究人員發明了一種從廢料中回收珍貴稀土元素的簡單技術。将電子和工業廢料加熱到極高的溫度後快速通過大電流，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，對于讓我們的世界運轉的科技來說至關重要: 智能手機、電動汽車馬達、風力渦輪機等等。但是，提取稀土元素是一項“肮髒”的工作，它會造成環境破壞并産生大量廢料，包括低放射性廢料。
稀土元素對于現代人類科技至關重要 | USGS
此外，稀土的全球供應鍊也是一大問題。與它們的名字相反，稀土元素其實在地殼中并不稀有。然而，中國占據了稀土市場最大的市場佔有率，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産不使用稀土永磁材料的電動馬達。與此同時，日本正試圖從深海泥漿中回收金屬，金屬公司還計劃從洋底開采金屬結核。
獲得稀土的一個更可持續的方案是從舊電子産品和廢料中回收稀土，比如燃燒煤炭的副産品——粉煤灰。不過，回收并非易事。稀土元素不易從其他物質中溶解分離出來。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物質（比如強酸），然而這一方法效率很低。萊斯大學化學家詹姆斯 · 圖爾（James Tour）說：“你需要強酸才能把稀土提取出來，而強酸不能透過外表的玻璃，提取便無從談起。”
圖爾和他的同僚們決定嘗試使用他們最初在2020年開發的閃速焦耳加熱工藝，當時這一技術用于從各類碳源中生産石墨烯。去年，他們報道使用該技術去除印刷電路闆中的貴金屬和有毒重金屬。現在他們決定把注意力轉移到稀土元素的提取上。“我們已經有了錘子，現在我們正在尋找釘子。”圖爾說，“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，那将是非常好的成果。”
閃速焦耳加熱技術示意圖及其提取效果 | 參考資料[1]
在《科學進展》(Science Advances)上發表的一篇論文中，他們報告了對粉煤灰、廢棄印刷電路闆和赤泥進行閃速焦耳加熱的情況。赤泥是一種富含鐵元素的礦漿，是鋁生産的副産品。這些廢物中含有的五種最重要的稀土元素ーー钇、钕、铕、铽和镝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，并将粉煤灰和鋁土礦中的稀土磷酸鹽轉化為易溶于弱酸的氧化物，以便随後提取。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。
是以，該技術能夠提取的稀土遠遠超過傳統使用強酸的方法。“過去作為黃金标準的濃縮酸不能從粉煤灰中提取所有的稀土元素。”杜爾說，“是以與過去的标準相比，我們獲得了150% 到200% 的産量。”此外，這種新方法不需要消耗太多熱量，如果大規模使用，每噸粉煤灰消耗大約價值12美元的能量。
新技術從鋁土礦渣和電子廢料中提取稀土元素的産量更高 | 參考資料[1]
圖爾說，他和他的同僚們開發的新技術已經引起了 稀土産業人士的注意。從他們身上，圖爾意識到這一新穎的發明是開始而非結束。“這項技術并不能解決所有問題。”他表示，“你仍然會得到稀土的混合物，分離這些混合物有标準的方法，但這也可能是主要的成本點。是以，新技術為解決稀土元素的提取問題提供了一個新工具，但還有其它問題需要解決。”
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驗室和賓夕法尼亞州立大學的一個團隊宣布，他們正在與西方稀土公司合作開發一種利用最近發現的天然蛋白質提取稀土的方法。同時，美國能源部還宣布，計劃建造第一座從礦山廢料中提取稀土和其他重要金屬的大型設施。
參考文獻
[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
編譯：矩陣星
編輯：酥魚
排版：尹甯流
題圖來源：參考文獻[2]
研究團隊
通訊作者
James M. Tour：美國萊斯大學化學、材料化學與納米工程與計算機科學教授，主要研究領域為有機化學、材料科學與納米技術，曾獲Feymann Prize(2008)、Centenary Prize(2020)、Oesper Prize(2021)等獎項。
課題組首頁 https://www.jmtour.com/
第一作者
鄧兵：萊斯大學博士後，2019年獲北京大學博士學位，主要研究方向為材料科學與納米材料。
論文資訊
釋出期刊《科學進展》Science Advances
釋出時間2022年2月9日
論文标題Rare earth elements from waste
(DOI:10.1126/sciadv.abm3132）
文章領域材料科學，稀土化學
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