从废物中提取稀土元素的新工艺

稀土元素(REE)是一组17种金属元素，几乎存在于每一项技术中，包括手机，电视，计算机和车辆的几乎每个部件。对这些元素的需求每年都在增加，但供应在地缘政治上是有限的，并且采用环境不可持续的做法进行开采。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院能源、环境和化学工程教授Young-Shin Jun和她的团队创建了一个概念验证解决方案：从粉煤灰中提取稀土元素，粉煤灰是一种来自煤炭燃烧的细粉状废物。

“我们希望使用比传统上更有害的工艺更环保的工艺来提取稀土元素，”Jun说。“由于煤炭已经被使用，这个过程最终是减少和修复废物的途径。

Jun和她以前的博士生，现任普林斯顿大学的博士后学者Yaguang Zhu开发了这种新颖的提取工艺，使用超临界流体(通常用于脱咖啡因咖啡)从原本会被丢弃在垃圾填埋场的材料中回收这些急需的稀土元素。超临界流体是温度和压力高于其临界点的物质，其性质介于液体和气体之间。Jun的团队报告说，美国每年产生超过79万吨的粉煤灰，可以从美国粉煤灰中提取的稀土元素的潜在价值估计每年超过4亿美元。

他们的工作出现在RSC Sustainability上，首次表明普通和可接近的超临界流体，包括二氧化碳，氮气和空气，能够非常有效地提取稀土元素和分离杂质。此外，通过使用煤粉煤灰的实验，他们发现超临界二氧化碳降低了最终稀土产品中杂质的浓度。最终，他们的最终产品含有高达6.47%的稀土元素，而最初的粉煤灰源中则含有0.0234%。

“我们工作的独特性不仅在于使用超临界一氧化碳2，但也表明超临界空气和氮气，温度和压力比CO所需的温度和压力低得多2，可以有效地提取稀土，“环境纳米化学实验室负责人Jun说。

“我们可以使用较低的温度和压力与氮气或空气从煤灰中提取稀土元素，这意味着更低的能源成本。当然，超临界一氧化碳2效果最好，但与传统的用酸和有机溶剂进行稀土萃取的高温沸腾相比，超临界空气或氮气可以做得更好。

Jun团队的提取过程包括两个步骤：首先，煤粉煤灰中的金属离子，包括稀土元素和杂质，从煤灰中浸出并与硝酸反应形成金属硝酸盐;其次，金属硝酸盐与磷酸三丁酯(TBP)反应。他们发现，通过超临界二氧化碳，氮气或空气，稀土元素形成可以从煤粉煤灰中提取的复合物。

提取后，他们的多级剥离过程收集稀土并降低杂质浓度。该工艺中使用的硝酸和TBP可以在不牺牲效率的情况下多次完全回收，从而最大限度地减少了它们的处置问题。

Jun的方法还消除了在极高温度或大于500°C下焙烧原料的需要，也无需用强酸和大量有毒有机溶剂提取稀土元素，这些溶剂在传统提取工艺中也成为废物。

“超临界流体被认为是一种更环保的溶剂，对环境的侵入性较小，使我们能够直接从固体废物中提取稀土元素，而无需浸出和焙烧原料，因此我们的新工艺所需的能源更少，这也产生了更少的废物，”Jun说。“我们正在寻求一种更环保的工艺，用于关键元素的回收和从以前被认为是废物的材料中回收。

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