提取和分离稀土元素的新型环保方法
发布时间：2022-05-13 浏览次数：1661
宾夕法尼亚州州立大学和劳伦斯利沃莫国家实验室（LLNL）的科学家领导的新研究表明，从细菌中分离出的蛋白质能够提供一种更环保的方式来提取这些金属，并将它们与其他金属以及彼此间进行分离。这种方法改进了从非常规来源提取和分离稀土元素的工艺，最终可能会扩大规模，以帮助开发来自可回收的工业废物和电子产品的稀土金属的国内供应。宾夕法尼亚州州立大学化学系助理教授兼Louis Martarano职业发展教授Joseph Cotruvo Jr.表示，“为了满足新兴清洁能源技术对稀土元素日益增长的需求，我们需要解决供应链中的几个挑战。这包括提高效率以及减轻这些金属提取和分离过程的环境影响。在这项研究中，我们展示了一种具有应用前景的新方法，可以扩大规模从低品位来源（包括工业废弃物）中提取和分离稀土元素。”由于美国目前需要进口大部分稀土元素，新的重点聚焦于建立非常规来源的国内供应，包括燃烧煤炭和开采其他金属产生的工业废弃物，以及手机和诸多其他材料产生的电子废弃物。这些来源广泛，但被认为是“低品位的”，因为稀土与许多其他金属混合，并且稀土的含量太低，传统工艺无法很好地应用。此外，目前的提取和分离方法依赖于刺激性化学物质，劳动强度大（有时涉及上百个步骤），产生大量废弃物，并且成本高。这种新方法利用了研究团队先前发现的一种叫做lanmodulin的细菌蛋白质，这种蛋白质与稀土元素结合的能力比与其他金属结合的能力强近10亿倍。一篇描述这一过程的论文于2021年10月8日发表在ACS Central Science期刊上。首先，将该蛋白质固定在柱内的微珠上，向柱内添加液体源材料。所用柱是工业过程中常用的垂直管。然后，蛋白质与样品中稀土元素的结合使得只有稀土保留在柱内，剩余的液体排出。最后，通过改变条件（例如改变酸度或添加额外成分），结合的稀土金属从蛋白质中脱离并排出和收集。通过仔细地依次改变条件，可以分离出单个稀土元素。Cotruvo表示，“我们首先证明这种方法特别适合从其他金属中分离稀土元素，这在处理低品位资源时至关重要，因为这些资源一开始就是金属的混杂。即使在一个非常复杂的解决方案中，其中稀土只有不到金属含量的0.1%，尽管数量非常少，但我们也成功地提取并在一个步骤中从一组较重的稀土中分离出一组较轻的稀土。这种分离是一个必不可少的简化步骤，因为必须将稀土分离成单独的元素才能进行应用。”研究小组从钕中分离出钇，钕在原生稀土矿床和煤炭副产品中都很丰富，纯度超过99%。另外，还从镝中分离出钕，镝是电子废物中常见的一种重要配对——根据初始金属成分，在一两次循环中就可以获得超过99.9%的纯度。劳伦斯利沃莫国家实验室博士后研究员、该研究的第一作者Ziye Dong表示，“回收的钕和镝的高纯度与其他分离方法相当，并且在不使用刺激性有机溶剂的情况下，在尽可能多或更少的步骤中完成。因为这种蛋白质可以用于多次循环，所以它为目前使用的方法提供了一种有吸引力的环保替代方案。”研究人员认为，他们的方法不一定会取代目前通常用于从高品位来源大量生产较轻稀土元素的液-液萃取工艺。取而代之的是，它将实现低品位资源的有效利用，特别是提取和分离更稀有且通常更有价值的重稀土。劳伦斯利沃莫国家实验室的科学家、该研究的共同通讯作者Dan Park表示，“其他最近的方法能够从低品位资源中提取稀土元素，但它们通常只停留在将所有稀土富集在一起的‘总’产品上，这种产品的价值相对较小，然后需要引入更传统的方案，将单个稀土元素进一步纯化。价值实际上体现在单个稀土元素的生产上，尤其是较重的元素。我们的工艺尤为方便，因为这些高价值的金属可以先从柱中提纯出来。”研究人员计划对该方法进行优化，以便使达到最高纯度的产品所需的循环更少，从而可以扩大规模用于工业用途。Cotruvo表示，“如果我们能够设计出对特定元素具有更高选择性的lanmodulin蛋白衍生物，我们就可以在相对较少的步骤中回收和分离所有17种稀土元素，即使是从最复杂的混合物中，也不需要任何有机溶剂或有毒化学物质。我们的工作表明，这个目标应该是可以实现的。”
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