稀土元素(REE)包括元素周期表中的鑭系元素和鈧、釔共17種金屬元素，幾乎存在于每一項技術中，包括手機、電視、電腦和汽車部件?，F(xiàn)在，對這些元素的需求與年俱增，但其供應量有限，而且開采過程會對環(huán)境產(chǎn)生不良影響。
(圖片來源：麥凱維工程學院)
據(jù)外媒報道，圣路易斯華盛頓大學(Washington University in St. Louis)麥凱維工程學院的能源、環(huán)境與化學工程教授Young-Shin Jun及其同事創(chuàng)造了一種概念驗證型解決方法，可從粉煤灰(即煤炭燃料后剩下的粉末狀廢棄物)中提取REE。Jun表示：“相比之下，傳統(tǒng)工藝更具危害性。因此，研究人員希望通過更為環(huán)保的工藝來提取REE?？紤]到已經(jīng)使用過的煤，該工藝最終有助于減少和重新利用廢棄物。”
研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新提取工藝，使用超臨界流體(通常用于除去咖啡中的咖啡因)，從原本要丟在垃圾場的材料中回收急需的稀土元素。超臨界流體是指物質處于高于臨界點的溫度和壓強下形成的一種新流體，其性質介于液體和氣體之間，并且兼具二者的優(yōu)點。美國每年產(chǎn)生超過7900萬公噸的粉煤灰。據(jù)該團隊報告，每年從這些粉煤灰中提取的稀土元素，估計潛在價值超過40億美元。
該項研究首次表明，使用常見且易于獲取的超臨界流體(包括二氧化碳、氮和空氣)，能夠非常有效地提取稀土元素并分離雜質。此外，通過使用粉煤灰進行實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳(CO2)可以降低最終REE產(chǎn)品中的雜質含量。相比之下，最終產(chǎn)品中含有6.47%的REE，而在最初使用的粉煤灰中REE含量僅為0.0234%。
作為該校環(huán)境納米化學實驗室(Environmental NanoChemistry Laboratory)的負責人，Jun表示：“這項工作的獨到之處，不僅是使用超臨界CO2，而且還表明，超臨界空氣和氮的溫度和壓力遠低于CO2，也可以有效地提取稀土元素。研究人員可以在較低的溫度和壓力下，利用氮或空氣從粉煤灰中提取稀土元素，從而降低能源成本。當然，超臨界CO2的效果最好。但在稀土提取方面，比起傳統(tǒng)的酸和有機溶劑高溫煮沸方法，超臨界空氣或氮的效果更好。”
該團隊的提取過程包括兩個步驟：第一步，粉煤灰中的金屬離子(包括稀土和雜質)，從粉煤灰中浸出并與硝酸反應形成金屬硝酸鹽;第二步，金屬硝酸鹽與磷酸三丁酯(TBP)反應。研究人員發(fā)現(xiàn)，在超臨界CO2、氮或空氣中，稀土形成了可以從粉煤灰中提取的絡合物。
在提取過程后，研究人員通過多級剝離工藝來收集REE，并減少雜質含量。該工藝中使用的硝酸和TBP，完全可以在不犧牲效率的情況下多次回收，從而充分減少處理問題。
這種方法不需要在極高溫度(高于500攝氏度)下焙燒原材料，也不需要使用強酸和大量有毒有機溶劑提取REE，從而減少所產(chǎn)生的廢棄物。Jun表示：“超臨界流體被視為一種更環(huán)保的溶劑，對環(huán)境的影響更少，而且可以直接從固體廢棄物中提取REE，無需浸出和焙燒原材料。因此，新工藝的耗能更少，產(chǎn)生的廢棄物也更少。研究人員致力于尋找一種更加環(huán)保的工藝，以回收關鍵元素，并重新利用以前被視為廢棄物的材料。”
