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用闪光热从废料中提取稀土元素

日期: 2022-10-19
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来源:美国地球物理联盟


稀土元素是日常生活的重要组成部分,存在于从笔记本电脑到太阳能电池板的电子产品中。目前,美国的大部分稀土元素都来自中国控制的矿山,但由于担心中国在稀土市场的主导地位,以及采矿的环境成本,美国能源部已投资数百万美元,研究替代的稀土资源选择。
在《科学进展》上发表的一项新研究中,莱斯大学的研究人员提出了一种有望替代采矿的方法。他们开发了一种从一种叫做煤灰的大量有毒废物中提取稀土元素的方法,这种方法使用的是电的震动。通过将煤灰置于极端高温下,他们从周围元素中释放出稀土元素,而不需要使用苛刻的、腐蚀性的化学物质。这种“闪光焦耳加热”方法也可以帮助从其他废料中提取稀土元素。
“这是一种改进稀土元素提取的非常新颖的方法,”Laura Stoy说,她是一位专门研究稀土元素的环境工程研究员,最近刚在乔治亚理工学院获得博士学位。Stoy没有参与这项新研究。“在某种程度上,这种用电击让它们屈服的方法非常酷。”
很难得到,但对现代生活必不可少
稀土元素由17种金属(如钕和铽,通常用作磁铁)组成,它们位于元素周期表的底部。它们其实并不稀有——它们比黄金更常见——但它们往往以少量的量混合在地壳中,而且传统上提取它们需要刺激性的化学物质。稀土元素通常也会与元素周期表上的放射性邻居铀和钍混合在一起。
煤飞灰可能是稀土元素的一个特别有价值的来源,因为美国有大量这种废料。
该研究的作者之一、莱斯大学的有机化学家詹姆斯·图尔(James Tour)说,在提取的化学物质和有毒废物之间,稀土元素开采“被证明是一场环境灾难”。
图尔解释说,由于环境挑战,美国政府多年前就停止了对国内稀土矿的开采许可。与此同时,中国在上世纪90年代增加了产量,并开始主导市场。在过去的几年里,美国能源部一直在投资研究项目,以找到更好的方法从其他来源提取稀土元素,如酸性矿井水和煤飞灰。
图尔说,煤飞灰可能是稀土元素的一个特别有价值的来源,因为美国有大量这种废物。提取稀土元素可能是一种既能减少粉煤灰浪费,又能以一种破坏性较小的方式获得稀土元素的方法,但关键在于找到一种安全、经济地获取稀土元素的方法。
瞬间从废物变成宝藏
斯托伊解释说,从煤飞灰中提取稀土元素并不是一项简单的任务,因为煤灰颗粒在燃烧室中已经“经历了地狱”。到目前为止,从粉煤灰中提取稀土元素的唯一方法是强力化学处理。但这一过程本身会产生有毒废物。
图尔的团队开发了一种方法,通过首先加热处理粉煤灰粉末来减少提取所需的化学物质。图尔解释说,煤飞灰中的稀土元素被困在微观玻璃颗粒中,酸很难突破。但是,就像你试图过快加热结冰的挡风玻璃会破裂一样,火山灰的玻璃颗粒在受到突然而强烈的热量变化时也会破裂。
电流在一秒钟内将粉煤灰加热3000°C,打碎玻璃,使稀土元素很容易被提取出来。
闪光焦耳加热是图尔和他的同事几年前开发的一种从碳源生产石墨烯的方法。图尔说:“我们只是想,让我们用粉煤灰来试试。”为了测试他们的技术,研究小组成员将粉煤灰与一种叫做炭黑的材料混合,以提高其导电性,并将粉末混合物放入一个两端都有电容的小管中。一股电流在一秒钟内将灰加热了3000摄氏度,使玻璃颗粒粉碎。
图尔说,在热冲击之后,稀土元素处于更容易获得的状态,可以通过温和的酸处理来提取,“你几乎可以喝(它)”。研究人员发现,他们能够得到的产品几乎是没有热处理的两倍。他们也在一种叫做赤泥的工业废料上测试了这一策略,得到了同样有希望的结果。这个过程似乎在经济上是可行的,每吨废料只需要约12美元的电力。
斯托伊说:“这篇论文是朝着使用更少化学物质的方向迈出的良好一步。”但她警告说,这仍然会产生一些废物。“我真的很想看到这变成一个闭环,”她说。



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