研究人员实现从化肥副产品中可持续地开采稀土元素

2021-11-08

研究人员实现从化肥副产品中可持续地开采稀土元素


 来源:   cnBeta.COM


尽管名字叫稀土,但稀土元素实际上并不那么稀少。这17种金属元素在自然界中无处不在,而且在技术上变得更加普遍,它们特是微芯片等的重要组成部分。对"稀有"的描述主要涉及它们被提取为可用形式的难度。从复合矿物中提取它们的正常技术通常是能源密集型的,并产生大量的碳排放,而且很大一部分稀土元素在其他工业过程的废物中流失。


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为了开发一种更可持续的工艺,从化肥生产的副产品磷石膏中提取稀土元素,宾夕法尼亚州立大学的研究人员获得了一项为期四年、价值571658美元的国家科学基金会资助,作为与凯斯西储大学和克莱姆森大学合作的一部分,总资金为170万美元。每所大学都被独立资助以进行项目的一个特定方面,但该项目由凯斯西储大学的研究人员集中协调。化学工程系副教授Lauren Greenlee与化学工程系助理教授Rui Shi共同领导宾州大学的工作。


"今天,仅在佛罗里达州,估计就有20万吨稀土元素被困在未加工的磷石膏废料中,"Greenlee说,她解释说,磷石膏被管道输送到沟渠和池塘中无限期地储存。"由于与放射性物种有关的挑战和分离个别元素的困难,这种稀土元素的来源目前尚未被开发。这个项目的愿景是发现新的分离机制、材料和工艺,从化肥工业的废液中回收有价值的资源,包括稀土元素、肥料和清洁水,为国内稀土元素的可持续供应和可持续农业部门铺平道路。"


Greenlee还指出,美国的稀土元素供应主要依靠国际间进口,而COVID-19大流行病已造成供应链的长时间延误。由于在国际上获得和使用稀土元素的经济、环境和安全方面的复杂性,这个问题变得更加复杂。


磷石膏是在磷酸盐岩石被加工成肥料时形成的,它含有少量的天然放射性元素,如铀和钍。由于这种放射性,这种副产品被无限期地储存起来,而不当的储存会污染土壤、水和大气。为了收获被困在磷石膏中的稀土元素,研究人员提出了一个多阶段的过程,使用能够精确识别并通过专门的膜分离出稀土元素的工程肽。


"单个稀土元素具有相似的尺寸和相同的形式电荷,因此传统的膜分离机制是不够的。这项研究的一个关键技术目标是发现支撑肽离子选择性的机制,并利用这些机制来设计一类新的高选择性膜。"


凯斯西方储备大学的研究人员,首席调查员和化学工程助理教授Christine Duval,以及联合首席调查员和化学与生物分子工程助理教授Julie Renner,预计将开发出与特定稀土元素相连接的分子。他们的设计将由克莱姆森大学化学和生物分子工程专业的首席研究员和副教授Rachel Getman指导计算建模工作。一旦肽被开发出来,Greenlee将调查它们在水溶液中的作用,而Shi将使用系统分析工具,包括技术经济分析和生命周期评估,以评估拟议的稀土元素回收系统在各种设计和操作条件下的环境影响和经济可行性。希望摆脱目前的环境影响,使之更具有可持续性,我们可以通过将基础研究和实验室规模的结果转化为系统级的环境和经济影响来实现。然后,我们可以将可持续发展的结果重新整合到设计中,以指导未来的研究目标,同时推进稀土元素回收和磷石膏加工。


拟议的项目还将补充宾夕法尼亚州立大学的其他研究,包括利用自然发生的蛋白质分子从其他工业废物来源中提取分组稀土元素的工作。


"对于我们的项目,假设是与结合到稀土元素的肽相关的水分子会重组,我们可以精确地控制这种重组,以便根据单个稀土元素更有效率。"Greenlee的团队将通过使用X射线吸收光谱检查原子水平上的相互作用,以验证分子在结合时如何交换原子。"通过建模和实验,我们将继续迭代,以确保我们了解这些分子是如何一起工作的。"


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