稀(xi)土元(yuan)素(su)(REE)包括元(yuan)素(su)周(zhou)期(qi)表中的(de)鑭系(xi)元(yuan)素(su)和鈧、釔共17種金屬元(yuan)素(su)，幾乎存在于(yu)每一項技術中，包括手(shou)機、電(dian)視(shi)、電(dian)腦和汽車部件。現(xian)在，對這些元(yuan)素(su)的(de)需求(qiu)與(yu)年俱增，但其供應量有限，而(er)且開采過程會(hui)對環境產生不(bu)良影響。

(圖片來源：麥凱維工程學院)

據(ju)外媒報(bao)道，圣路(lu)易斯(si)華盛(sheng)頓(dun)大學(Washington University in St. Louis)麥(mai)凱維工程(cheng)學院(yuan)的能源、環(huan)境與化學工程(cheng)教授Young-Shin Jun及其同事(shi)創(chuang)造了一(yi)種概念驗證型解(jie)決(jue)方法，可從粉(fen)煤(mei)(mei)灰(hui)(即煤(mei)(mei)炭燃料后剩下(xia)的粉(fen)末狀廢棄物)中提(ti)取(qu)REE。Jun表示：“相比之下(xia)，傳統工藝更具危害性(xing)。因此(ci)，研究人(ren)員希望通過更為環(huan)保(bao)的工藝來提(ti)取(qu)REE。考慮到已經使用過的煤(mei)(mei)，該(gai)工藝最終(zhong)有助于減(jian)少和重新利(li)用廢棄物。”

研究人(ren)員開發了一(yi)種(zhong)創新提取(qu)工藝，使用(yong)超(chao)臨界(jie)流(liu)體(ti)(ti)(通常用(yong)于(yu)除去咖啡(fei)中(zhong)(zhong)的(de)咖啡(fei)因)，從(cong)原本(ben)要丟(diu)在垃圾場的(de)材料中(zhong)(zhong)回收急需的(de)稀土(tu)元(yuan)素(su)。超(chao)臨界(jie)流(liu)體(ti)(ti)是(shi)指物(wu)質處(chu)于(yu)高于(yu)臨界(jie)點的(de)溫度和(he)壓強下形成的(de)一(yi)種(zhong)新流(liu)體(ti)(ti)，其性質介于(yu)液(ye)體(ti)(ti)和(he)氣體(ti)(ti)之間，并且兼具二者的(de)優點。美國每年產生超(chao)過7900萬公噸的(de)粉煤(mei)灰(hui)。據該團(tuan)隊報告(gao)，每年從(cong)這些粉煤(mei)灰(hui)中(zhong)(zhong)提取(qu)的(de)稀土(tu)元(yuan)素(su)，估(gu)計潛在價值超(chao)過40億(yi)美元(yuan)。

該項(xiang)研究首次表明，使(shi)用(yong)常(chang)見且易于獲(huo)取的(de)(de)(de)超(chao)臨(lin)界流(liu)體(包括二(er)(er)氧(yang)化碳、氮和(he)空氣(qi))，能夠非常(chang)有效(xiao)地(di)提取稀(xi)土元素并分離雜質。此外(wai)，通過使(shi)用(yong)粉煤(mei)灰進行實驗，研究人(ren)員(yuan)發現，超(chao)臨(lin)界二(er)(er)氧(yang)化碳(CO2)可(ke)以降(jiang)低最終REE產品(pin)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)雜質含量。相比之下(xia)，最終產品(pin)中(zhong)(zhong)含有6.47%的(de)(de)(de)REE，而(er)在最初使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)粉煤(mei)灰中(zhong)(zhong)REE含量僅為0.0234%。

作為該校環境納米化學(xue)實驗室(Environmental NanoChemistry Laboratory)的(de)(de)負責(ze)人，Jun表示：“這項工作的(de)(de)獨到之處，不僅是使(shi)用超(chao)臨(lin)界(jie)CO2，而(er)且還表明，超(chao)臨(lin)界(jie)空氣(qi)和氮(dan)的(de)(de)溫(wen)度(du)和壓(ya)(ya)力遠低于CO2，也可(ke)以有效(xiao)地提(ti)取稀土(tu)元素。研(yan)究(jiu)人員(yuan)可(ke)以在(zai)較低的(de)(de)溫(wen)度(du)和壓(ya)(ya)力下，利用氮(dan)或空氣(qi)從(cong)粉煤灰中提(ti)取稀土(tu)元素，從(cong)而(er)降低能源(yuan)成(cheng)本。當然，超(chao)臨(lin)界(jie)CO2的(de)(de)效(xiao)果最好(hao)。但在(zai)稀土(tu)提(ti)取方(fang)面，比起傳統的(de)(de)酸和有機溶劑高溫(wen)煮(zhu)沸方(fang)法，超(chao)臨(lin)界(jie)空氣(qi)或氮(dan)的(de)(de)效(xiao)果更(geng)好(hao)。”

該團隊的提取過(guo)程包(bao)括兩個步驟：第一步，粉煤(mei)灰(hui)中(zhong)(zhong)的金屬離子(包(bao)括稀土(tu)和雜質(zhi))，從粉煤(mei)灰(hui)中(zhong)(zhong)浸出并與(yu)硝酸反應形(xing)成金屬硝酸鹽(yan);第二(er)步，金屬硝酸鹽(yan)與(yu)磷酸三(san)丁酯(TBP)反應。研究(jiu)人(ren)員發(fa)現，在(zai)超臨界CO2、氮或空氣中(zhong)(zhong)，稀土(tu)形(xing)成了可以(yi)從粉煤(mei)灰(hui)中(zhong)(zhong)提取的絡合物。

在提(ti)取過(guo)程(cheng)后，研究人員通過(guo)多(duo)級(ji)剝離(li)工藝來收集(ji)REE，并減(jian)少雜質含(han)量(liang)。該工藝中使(shi)用的硝酸和TBP，完全可以在不(bu)犧牲效率的情況下多(duo)次回(hui)收，從而充分減(jian)少處理問題(ti)。

這種方(fang)法不需(xu)要(yao)在極高溫度(高于500攝氏度)下焙燒(shao)(shao)原(yuan)材料(liao)，也(ye)不需(xu)要(yao)使(shi)用強酸和大量(liang)有(you)毒有(you)機(ji)溶劑提(ti)取REE，從而減(jian)少(shao)所(suo)產生的(de)廢棄(qi)物(wu)。Jun表示：“超臨界流體被視為一種更(geng)環(huan)保(bao)的(de)溶劑，對環(huan)境(jing)的(de)影(ying)響更(geng)少(shao)，而且可以(yi)直(zhi)接從固體廢棄(qi)物(wu)中提(ti)取REE，無需(xu)浸(jin)出和焙燒(shao)(shao)原(yuan)材料(liao)。因此，新工藝的(de)耗能更(geng)少(shao)，產生的(de)廢棄(qi)物(wu)也(ye)更(geng)少(shao)。研究人員致(zhi)力于尋找一種更(geng)加環(huan)保(bao)的(de)工藝，以(yi)回收關鍵元素，并重新利用以(yi)前(qian)被視為廢棄(qi)物(wu)的(de)材料(liao)。”