Редкоземельные элементы поддерживают развитие информационного общества, и обеспечение их поставок стало вопросом национальной и экономической безопасности. Они широко используются в наших интеллектуальных технологиях, высокоэффективных материалах и промышленных катализаторах. Однако их извлечение — сложный, опасный и дорогостоящий процесс.
Именно поэтому Джастин Уилсон из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре сотрудничает с компанией по добыче полезных ископаемых REEGen. «Мы разработали новый подход к извлечению редкоземельных элементов из продуктов с истекшим сроком службы, таких как электронные отходы из телефонов, батарей и утилизированных каталитических нейтрализаторов», — сказал Уилсон, профессор кафедры химии и биохимии Университета Калифорнии в Санта-Барбаре.
Новая методика, опубликованная в Communications Chemistry, сочетает в себе преимущества твердотельной экстракции с точной химией. Цель — сделать переработку редкоземельных элементов финансово, логистически и экологически привлекательной.
Редкоземельные элементы (РЗЭ) включают скандий, иттрий и элементы от лантана до лютеция. Они расположены глубоко в периодической таблице, в разделе, который часто вырезают и помещают внизу.
Хотя РЗЭ не так редки, как следует из их названия, их трудно получить в чистом виде. Извлечение их из геологических месторождений или отходов — это многоэтапный процесс, включающий растворение сырья, удаление всех других металлов и последующее индивидуальное выделение каждого РЗЭ. «К сожалению, их химическое сходство затрудняет разделение друг от друга», — отмечают специалисты.
Лаборатория Уилсона занимается соединениями, называемыми хелаторами, которые связываются с металлами, как клешня краба, хватающая камешек. В 2024 году его команда синтезировала уникальный хелатор под названием G-macropa, который предпочтительно связывается с крупными ионами металлов, такими как РЗЭ.
Его команда смогла применить эту молекулу для разделения различных РЗЭ при комнатной температуре, не полагаясь на токсичные и едкие соединения, используемые в настоящее время для этой задачи. Теперь Уилсон обратил внимание на начальный этап концентрирования редкоземельных элементов из смеси, содержащей множество различных металлов.
Учёные из REEGen разработали микробы для производства органических кислот и биохелаторов, которые компания использует для выщелачивания редкоземельных элементов из потоков отходов.
Эксперты Уилсона вступают в игру после этого начального извлечения, чтобы отделить РЗЭ от других металлов в биовыщелате, таких как щелочные металлы и щелочноземельные металлы, а также железо и алюминий.
Уилсон хотел разработать простой материал, который мог бы удалять ионы РЗЭ из биовыщелата так же, как фильтр для воды удаляет ионы металлов из водопроводной воды. У него уже был хелатор макропа, его команде просто нужно было выяснить, как модифицировать его, чтобы он прикреплялся к каркасу из смолы, не теряя при этом полезных свойств молекулы.
Концепция использования смолы или материала для удаления ионов металлов хорошо известна. Например, фильтры Brita могут удалять ионы металлов из водопроводной воды, а устройства для смягчения воды в домах могут улавливать кальций и магний.
Однако подход лаборатории Уилсона направлен на использование уникальной селективности макропа-хелатора для очень крупных РЗЭ для разработки смолы, которая могла бы удалять эти критически важные элементы, оставляя при этом другие ионы металлов относительно нетронутыми.
После того как лаборатория Уилсона успешно прикрепила макропу к каркасу, они пропустили биовыщелат REEGen через устройство. Этот процесс увеличил концентрацию редкоземельных элементов в четыре раза — с 5% по количеству атомов (или молярному проценту) до более чем 21 мол.%. Добавление оксалата для удаления избытка железа дополнительно улучшило этот показатель, в результате чего получился раствор с почти 59 мол.% РЗЭ. Простая промывка соляной кислотой отделяет ионы от каркаса, и устройство готово к повторному использованию.
«Редкоземельные элементы являются важнейшими компонентами многих высокотехнологичных материалов, но их извлечение из рудного сырья не является экономически и экологически выгодным», — сказал ведущий автор Янъян Гао, постдокторант в лаборатории Уилсона. «Мы стремимся разработать экологически чистые стратегии извлечения, обогащения и разделения редкоземельных элементов».
Авторы стремятся использовать свою методику для получения концентрированных растворов РЗЭ, которые затем могут быть отправлены в компанию, которая разделяет отдельные элементы. Хотя некоторые фирмы начали извлекать РЗЭ из электронных отходов, переработка редкоземельных элементов всё ещё находится в зачаточном состоянии.
«Сейчас никто не извлекает редкоземельные элементы из автомобильных шлаков», — сказал соавтор Шон Медин, главный технический директор REEGen. «Переработка автомобильных отходов требует использования агрессивных химикатов, что создаёт логистические, технические и нормативные сложности. В результате это практически осуществимо только в крупных масштабах и в настоящее время экономически непривлекательно», — пояснил Медин. Фильтр хорошо содержится, производит меньше отходов и упрощает процесс. «И наличие более чистого процесса значительно упрощает установку таких систем на месте», — добавил он.
Команда надеется сделать свою методику ещё более избирательной для РЗЭ и модифицировать установку для работы с различными выщелачивающими растворами. Методика может быть применена в различных областях, включая добычу ресурсов, переработку и даже экологическую реабилитацию. «Здесь может быть определённая степень модульности», — сказал Уилсон. «Если у нас будут разные хелаторы и мы выясним, как прикрепить их здесь, мы сможем начать нацеливаться на различные ионы металлов, такие как ртуть, кадмий и свинец».
Стоимость в настоящее время является ограничивающим фактором. Макропа — сложная молекула, для создания которой требуется много шагов. Чем сложнее процесс, тем менее привлекательным он становится для промышленного применения. Но лаборатория Уилсона работает над тем, чтобы уловить свойства макропы в других, более простых хелаторах. Они также ищут более оптимальную смолу для дальнейшего повышения эффективности.
Несмотря на свои достижения, команда обеспокоена тем, что их прогресс может внезапно прекратиться. Эта работа финансировалась за счёт гранта Национального научного фонда для исследований и инноваций малого бизнеса, а также программы Министерства энергетики по фундаментальным наукам в области энергетики.
«Эти финансирующие агентства, которые находятся под серьёзной угрозой, имеют решающее значение для важных областей национальной безопасности, таких как поддержка внутреннего производства редкоземельных элементов», — сказал Уилсон.
Федеральное правительство заявило, что внутреннее производство РЗЭ является приоритетом. «Однако они сокращают агентства, которые финансируют работу в этом направлении», — добавил Медин. Сокращение регулирования может стимулировать добычу полезных ископаемых, но это не обязательно самый эффективный способ получения этих элементов. «Со значительными сокращениями федеральных источников финансирования я думаю, что мы будем испытывать трудности как нация», — сказал Уилсон.