Ny, miljøvenlig metode til at udvinde og adskille sjældne jordarter

En ny metode forbedrer udvindingen og adskillelsen af ​​sjældne jordarters elementer - en gruppe på 17 elementer, der er kritiske for teknologier som smartphones og elektriske bilbatterier - fra ukonventionelle kilder. Ny forskning ledet af forskere ved Penn State og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) viser, hvordan et protein isoleret fra bakterier kan give en mere miljøvenlig måde at udvinde disse metaller på og adskille dem fra andre metaller og fra hinanden. Metoden kan i sidste ende skaleres op for at hjælpe med at udvikle en hjemmeforsyning af sjældne jordarters metaller fra industriaffald og elektronik, der skal genanvendes.

"For at imødekomme den stigende efterspørgsel efter sjældne jordarters elementer til brug i nye rene energiteknologier, vi skal løse flere udfordringer i forsyningskæden, " sagde Joseph Cotruvo Jr., assisterende professor og Louis Martarano karriereudviklingsprofessor i kemi ved Penn State, medlem af Penn State's Center for Critical Minerals, og co-korresponderende forfattere af undersøgelsen. "Dette omfatter forbedring af effektiviteten og aflastning af miljøbelastningen ved udvindings- og separationsprocesserne for disse metaller. I denne undersøgelse, vi demonstrerer en lovende ny metode, der bruger et naturligt protein, der kunne skaleres op til at udvinde og adskille sjældne jordarters grundstoffer fra lavkvalitetskilder, herunder industriaffald."

Fordi USA i øjeblikket importerer de fleste af de sjældne jordarters grundstoffer, det har brug for, et nyt fokus er blevet sat på at etablere en indenlandsk forsyning fra ukonventionelle kilder, herunder industriaffald fra afbrænding af kul og minedrift af andre metaller samt elektronisk affald fra mobiltelefoner og mange andre materialer. Disse kilder er enorme, men betragtes som "lav kvalitet, " fordi de sjældne jordarter er blandet med mange andre metaller, og mængden af ​​sjældne jordarter er for lav til, at traditionelle processer kan fungere godt. nuværende metoder til ekstraktion og separation er afhængige af skrappe kemikalier, er arbejdskrævende, nogle gange involverer hundredvis af trin, producere en stor mængde affald, og er høje omkostninger.

Den nye metode udnytter et bakterieprotein kaldet lanmodulin, tidligere opdaget af forskerholdet, det er næsten en milliard gange bedre til at binde til sjældne jordarters grundstoffer end til andre metaller. Et papir, der beskriver processen, vises online 8. oktober i journalen ACS Central Science.

Proteinet immobiliseres først på små perler i en søjle - et lodret rør, der almindeligvis bruges i industrielle processer - hvortil det flydende kildemateriale tilsættes. Proteinet binder sig derefter til de sjældne jordarters grundstoffer i prøven, som tillader kun de sjældne jordarter at blive tilbageholdt i kolonnen og den resterende væske drænet af. Derefter, ved at ændre betingelserne, for eksempel ved at ændre surhedsgraden eller tilføje yderligere ingredienser, metallerne løsnes fra proteinet og kan drænes og opsamles. Ved omhyggeligt at ændre betingelserne i rækkefølge, individuelle sjældne jordarters grundstoffer kunne adskilles.

"Vi demonstrerede først, at metoden er usædvanlig god til at adskille de sjældne jordarters grundstoffer fra andre metaller, hvilket er vigtigt, når man har at gøre med kilder af lav kvalitet, der er en mængde metaller til at starte med, " sagde Cotruvo. "Selv i en meget kompleks løsning, hvor mindre end 0,1 % af metallerne er sjældne jordarter - en overordentlig lav mængde - har vi med succes udvundet og derefter adskilt en gruppe af de lettere sjældne jordarter fra en gruppe af de tungere sjældne jordarter i et skridt. Denne adskillelse er et væsentligt forenklingstrin, fordi de sjældne jordarter skal adskilles i individuelle elementer for at blive inkorporeret i teknologier."

Forskerholdet adskilte yttrium (Y) fra neodym (Nd) - både rigeligt i primære sjældne jordarters aflejringer og kulbiprodukter - med mere end 99% renhed. De adskilte også neodym fra dysprosium (Dy) - en afgørende parring, der er almindelig i elektronisk affald - med mere end 99,9% renhed på kun en eller to cyklusser, afhængig af den oprindelige metalsammensætning.

"Den høje renhed af det genvundne neodym og dysprosium kan sammenlignes med andre adskillelsesmetoder og blev opnået i så mange eller færre trin uden brug af skrappe organiske opløsningsmidler, " sagde Ziye Dong, en postdoc-forsker ved LLNL og førsteforfatter af undersøgelsen. "Fordi proteinet er i stand til at blive brugt i mange cyklusser, det tilbyder et attraktivt miljøvenligt alternativ til de metoder, der bruges i øjeblikket."

Forskerne tror ikke, at deres metode nødvendigvis vil erstatte den nuværende væske-væske-ekstraktionsproces, der almindeligvis bruges til højvolumenproduktion af lettere sjældne jordarters grundstoffer fra højkvalitetskilder. I stedet, det vil give mulighed for effektiv brug af lavkvalitetskilder og især til udvinding og adskillelse af de sjældnere og generelt langt mere værdifulde tunge sjældne jordarter.

"Andre nyere metoder er i stand til at udvinde sjældne jordarters grundstoffer fra lavkvalitetskilder, men de stopper typisk ved et 'totalt' produkt, der har alle de sjældne jordarter klumpet sammen, som har relativt lille værdi og derefter skal kanaliseres ind i mere konventionelle ordninger for yderligere oprensning af individuelle sjældne jordarters grundstoffer, " sagde Dan Park, stabsforsker ved LLNL og medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. "Værdien er virkelig i produktionen af ​​individuelle sjældne jordarter og især de tungere grundstoffer."

"Vores proces er særlig praktisk, fordi disse højværdimetaller kan renses fra kolonnen først, " tilføjede Cotruvo.

Forskerne planlægger at optimere metoden, så der kræves færre cyklusser for at opnå de højeste renhedsprodukter, og så den kan skaleres op til industriel brug.

"Hvis vi kan konstruere derivater af lanmodulin-proteinet med større selektivitet for specifikke elementer, vi kunne genvinde og adskille alle 17 sjældne jordarters grundstoffer i et relativt lille antal trin, selv fra de mest komplekse blandinger, og uden organiske opløsningsmidler eller giftige kemikalier, hvilket ville være en meget stor sag, " sagde Cotruvo. "Vores arbejde viser, at dette mål burde være opnåeligt."