Редкоземельные элементы (РЗЭ), группа из 17 металлических элементов, присутствуют почти в каждой технике, включая сотовые телефоны, телевизоры, компьютеры и почти все части автомобиля. Спрос на эти элементы ежегодно увеличивается, однако предложение ограничено геополитически и добывается экологически неустойчивыми методами.
Янг-Шин Джун, профессор энергетики, экологического и химического машиностроения Инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и ее команда создали экспериментальное решение: извлечение РЗЭ из угольной летучей золы, порошкообразные отходы сжигания угля.
«Мы хотели использовать более экологичный процесс для извлечения РЗЭ, чем традиционно более вредные процессы», — сказал Джун. «Поскольку уголь уже использовался, этот процесс в конечном итоге является путем к сокращению и восстановлению отходов».
Цзюнь и ее бывший аспирант Ягуан Чжу, ныне работающий докторантом в Принстонском университете, разработали этот новый процесс экстракции с использованием сверхкритической жидкости, обычно используемой для декофеинизации кофе, для извлечения этих критически необходимых РЗЭ из материала, который в противном случае был бы выброшен на свалку. . Сверхкритическая жидкость — это вещество при температуре и давлении выше его критической точки со свойствами между жидкостью и газом. Команда Джуна сообщила, что ежегодно в США образуется более 79 миллионов метрических тонн летучей золы угля. Потенциальная ценность РЗЭ, которые могут быть извлечены из летучей золы угля в США, оценивается более чем в 4 миллиарда долларов в год.
Их работа, опубликованная в журнале RSC Sustainability, впервые показала, что обычные и доступные сверхкритические жидкости, включая двуокись углерода, азот и воздух, способны очень эффективно извлекать РЗЭ и отделять примеси. Кроме того, в ходе экспериментов с угольной летучей золой они обнаружили, что сверхкритический диоксид углерода снижает концентрацию примесей в конечном продукте РЗЭ. В конечном итоге их конечные продукты содержали до 6,47% РЗЭ по сравнению с 0,0234% в исходном угольном источнике летучей золы.
«Уникальность нашей работы заключается не только в использовании сверхкритического CO 2 , но и в том, что мы показываем, что сверхкритический воздух и азот при гораздо более низких температуре и давлении, чем те, которые требуются для CO 2 , могут эффективно извлекать РЗЭ», — сказал Джун, возглавляющий экологический Лаборатория нанохимии.
«Мы можем использовать более низкие температуры и давление с азотом или воздухом для извлечения редкоземельных элементов из летучей золы угля, что означает более низкие затраты на энергию. Конечно, сверхкритический CO 2 работает лучше всего, но сверхкритический воздух или азот могут работать намного лучше. по сравнению с традиционным высокотемпературным кипячением с кислотами и органическими растворителями для извлечения РЗЭ».
Процесс экстракции, предложенный командой Джуна, включает два этапа: во-первых, ионы металлов в летучей золе угля, включая РЗЭ и примеси, выщелачиваются из летучей золы угля и реагируют с азотной кислотой с образованием нитратов металлов; во-вторых, нитраты металлов реагируют с трибутилфосфатом (ТБФ). Они обнаружили, что со сверхкритическим диоксидом углерода , азотом или воздухом РЗЭ образуют комплексы, которые можно извлечь из летучей золы угля.
После экстракции их многостадийный процесс отпарки позволил собрать РЗЭ и снизить концентрацию примесей. Азотная кислота и ТБФ, используемые в процессе, могут быть полностью повторно использованы несколько раз без ущерба для эффективности, что сводит к минимуму проблемы с их утилизацией.
Метод Джуна также устраняет необходимость обжига сырья при экстремально высоких температурах, или выше 500°С, и необходимость экстракции РЗЭ сильными кислотами и большим количеством токсичных органических растворителей, которые также становятся отходами в традиционных процессах экстракции. .
«Сверхкритическая жидкость считается более экологичным растворителем, менее агрессивна для окружающей среды и позволяет нам извлекать РЗЭ непосредственно из твердых отходов без выщелачивания и обжига сырья , поэтому для нашего нового процесса требуется меньше энергии, который также производит меньше отходов», — сказал Джун. «Мы ищем более безвредный для окружающей среды процесс переработки и восстановления критических элементов из материалов, ранее считавшихся отходами».
Теги: экология
