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重新思考稀土元素
在2019冠状病毒病大流行和乌克兰持续战争期间，人们对稀土元素供应链脆弱性的担忧加剧。
来源:Kiliii Yuyan/彭博商业周刊
17种已知的稀土元素具有独特的化学和物理特性，例如不同寻常的磁性和光学特性，这使它们对我们非常有用。它们是日常技术和新兴技术的重要组成部分，从硬盘驱动器、智能手机到电动汽车、云计算和物联网。
稀有是因为它们的特殊特性以及开采和分离它们的挑战，而不是它们的稀缺，消费者往往忽视了它们的重要性。然而，如果没有铈、镧、钕和铽等稀土元素，我们所知的社会将停止运转，而清洁能源等未来技术的发展也将停滞不前。
稀土的需求很高，而且还在上升。根据一项报告通过财富的商业见解预计全球稀土元素市场将从2021年的28.31亿美元增长到2028年的55202亿美元，复合年增长率为10.0%。
然而，稀土企业存在严重的环境和供应链问题，尤其是中国的市场主导地位。消费者和市场数据公司Statista报告报道称，到2021年，中国已开采了约16.8万吨稀土氧化物，使中国“大幅领先成为世界上最大的稀土生产国”。
在2019冠状病毒病大流行和乌克兰持续战争期间，人们对稀土供应链脆弱性的担忧加剧，因此正在采取行动。例如，在2021年2月，拜登总统签署了一项行政命令审查美国供应链对稀土外国供应商的依赖，并支持稀土独立的行动。
如今，研究人员正在寻找从意想不到的国内来源中提取稀土元素的方法。
利用泥浆
他说:“在美国，我们现在没有任何处理能力，所以这是一个巨大的国家安全和经济稳定问题。劳伦Greenlee他是宾夕法尼亚州立大学(Penn State)的化学工程教授。
格林利是一项雄心勃勃的项目开发一种从磷石膏(肥料的副产品)中回收稀土元素的可持续工艺。该项目与凯斯西储大学和克莱姆森大学合作，最近被英国皇家科学院授予为期四年571,658.00英镑的资助国家科学基金会(NSF)．
Greenlee观察到，开采和加工稀土元素可能是危险的;“这种商业过程非常不环保，而且非常浪费。”她说，由于矿石中天然存在的放射性核素，加工过程中产生的废物会累积放射性。
格林利说，从历史上看，美国确实有稀土元素处理能力，但随着旨在减少对环境危害的立法的引入，这种情况发生了变化清洁空气法案和清洁水法案．“所有这些导致美国减少，然后最终完全消除我们的处理能力，并鼓励其他国家，如中国，来承担这一能力。”
很难找到纯形式的ree;通常情况下，发现的矿床含有需要分离的元素混合物。格林利解释说，这个过程也存在问题，因为“它使用了大量的有机溶剂，也使用了大量的水。这两个都是可持续性问题:溶剂是一个很大的浪费问题，使用大量的水来处理它是一个挑战。”
格林利项目的目标是开发一种可持续的提取和分离稀土元素的方法，同时也能生产出清洁的水。首先要考虑如何处理过程中的浪费。
格林利说，磷石膏是商业磷肥生产中最大的废物流。“就化肥本身而言，它的生产比例大约是5:1。所以，每生产一单位化肥，就会产生五单位的废物。”
目前，磷石膏以浓浆的形式储存在格林利所说的“巨大的”堆中。放射性和分离方面的挑战意味着它目前尚未被开发，并被无限期地储存。正如研究人员在他们的项目摘要“今天，据估计，仅在佛罗里达州，就有超过20万吨的稀土元素被困在未经处理的磷石膏废料中。”
研究人员正在开发的新方法将使用基于工程合成肽的多级过程从磷石膏中获取稀土元素，该过程将通过专门的膜来识别和分离稀土元素。“如果你能想象你可能在水槽下面安装的水过滤器。这种缩氨酸将成为过滤材料的一部分，并将捕获稀土元素。”
Greenlee说，幸运的是，合成所需肽的技术已经存在，而且它们是可制造的。研究人员正在设计一种新的、商业上可扩展的肽序列，“通过改变氨基酸的序列;通过这样做，你可以调整稀土元素的结合选择性。”
Greenlee强调，该项目仍处于早期阶段，还需要开发出将稀土元素从泥浆中释放出来的预处理步骤。“我们正在开发的技术的目标是取代分离稀土的溶剂萃取过程- - - - - -不仅来自资源本身，也来自彼此- - - - - -以一种更环保、更高效的方式，”她说。
从有毒废物到可持续的ree
在休斯顿的莱斯大学，另一组研究人员也一直在调查稀土元素的来源，包括煤炭工业废料和回收电子产品。
在最近的一次纸发表在科学的进步Rice的研究人员Bing Deng, Xin Wang, Duy Xuan Luong, Robert a . Carter, Zhe Wang，和Mason B. Tomson演示了一种从大量有毒废物煤灰中提取稀土元素的方法。项目负责人詹姆斯旅行赖斯大学化学、材料科学、纳米工程和计算机科学教授，他指出了当前稀土供应危机的历史背景:“当美国关闭稀土业务时，中国将价格提高了十倍，因此这些元素特别受中国控制。”
赖斯团队的解决方案聚焦于稀土元素的一个丰富的国内来源:煤飞灰，煤燃烧后留下的无机残渣。他说:“在美国，一百年来燃烧煤炭产生的飞灰堆积成山。这些飞灰中含有稀土元素。”
目前，从飞灰中可持续提取稀土元素是一项挑战，因为当煤燃烧时，金属氧化物在稀土元素周围形成玻璃结构。“你可以通过使用极强酸和极强碱将它们提取出来，它们本身就是二次废物流。”
研究人员设计了一种新方法，通过使用基于闪光的超快电热过程，提高了稀土的可提取性和可持续性电阻加热图尔说，这一计划有两个关键作用。首先，因为玻璃加热和冷却非常快，它破裂了，使ree可访问。
“第二，它将稀土元素磷酸盐转化为稀土元素氧化物和金属，这些元素非常容易溶解。所以，我们只用0.1摩尔盐酸，这是非常稀释的，”他说。
Rice团队说，使用焦耳加热可以浸出大约两倍于强酸所能完成的稀土元素。研究人员还对该技术在全球的进一步应用持乐观态度，包括从铝土矿渣(或赤泥)中提取稀土元素，这是铝生产的副产品，甚至从现有技术中提取稀土元素。
他们在印刷电路板上演示了稀土元素回收技术，该技术的另一个好处是释放已经分离的稀土元素。“不仅仅是印刷电路板，”图尔说，“比如，在医疗保健领域，x射线闪烁体中含有非常高浓度的稀土元素。”
它们可能名不符实，但意想不到的来源中大量未开发的稀土元素，看起来可能是它们可持续性的关键- - - - - -反过来，从云计算到清洁能源等关键技术的可持续性也会受到影响。
凯伦·埃姆斯里是一个独立的自由撰稿人和散文家。
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