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酸和细菌:回收稀土元素的两大利器
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  • 发布时间:2016.06.13
酸和细菌:回收稀土元素的两大利器
稀土金属被应用于许多高科技领域之中,例如这些中国的磁铁。
摄影:NELSON CHING, BLOOMBERG VIA GETTY IMAGES
 
撰文:Rebecca Guenard
 
  “分解一辆汽车其实是一种声学现象。”马萨诸塞州伍斯特理工学院的化学及生物化学教授Marion Emmert说道。
 
  作为该校回收利用研究中心的一员,Emmert从五年前开始研究汽车回收。更确切地说,她是在利用实验室版的工业粉碎机来将汽车引擎切成碎片。此举并不会产生什么声学奇观,然而粉碎机威力强劲,必须稳定在地面上以保证安全。
 
  Emmert是为了从汽车引擎研磨中获取贵重金属。这些金属是我们高科技生活方方面面所必需的,却供给不足。
 
  这类贵重金属名为稀土金属,全球97%的稀土金属供给都来自中国。2010年,中国减少了稀土金属的出口份额,价格随之飙升。从那以后,研究人员纷纷为了获得可持续的稀土资源而展开竞赛。作为这方面的努力之一,就是利用绿色能源技术从废品清理场和垃圾填埋场堆积成山的移动设备中回收利用稀土金属。
 
  “我们是不会真正消耗掉稀土金属的。”宾夕法尼亚大学化学副教授Eric Schelter说道,“它们仅仅是化学元素而已,我们需要找出更聪明的方法来重新利用它们。”
 
稀土元素的力量与挑战
 
  稀土元素是16种拥有独特性质的元素总称,从灯泡到智能手机,从武器系统到可替代能源,应用十分广泛。根据具体应用的不同,稀土金属会按不同比例加以混合。钇和钕被制造成合金,应用于风力发电机的磁铁之中。钕、镝和镨被结合起来打造电动引擎的组件。你智能手机的屏幕之所以能拥有颜色和响应触摸,是因为其中嵌入了铕和铽。
 
  大型稀土矿床非常稀有,但稀土元素本身可谓是无处不在,只不过含量极低而已。中国之所以能垄断稀土产出,部分是因为它不像其他国家那样强制实行严格的采矿环境标准。
 
  从一种材料里面分离稀土需要用到大量腐蚀性的酸。这种过程也会在地壳的放射性化合物中自然发生。对采矿废水和放射性废物的处理使得在中国以外的地方经济性地收集稀土矿石成为一大挑战。唯一一家尝试过环保开采稀土的美国公司在两年内便宣告破产。
 
  美国地质调查局称,美国每年进口数千吨稀土。研究人员正在寻找通过从各种科技产品里回收稀土的独特方式来减少对中国稀土出口的依赖。
 
  为了从电动引擎中提取稀土元素,Emmert采用了引擎制造商通常所避免的措施,例如过度加热和接触强酸。她制定出了一个简单有效的工艺,使成本和浪费最小化。她表示,如今电动引擎制造商对这种工艺能否达到工业规模产生了兴趣。
 
生物解决方案
 
  William Bonificio还是哈佛大学大卫克拉克实验室的一位博士生时,就对将先进生物科学应用到采矿和回收等传统工业领域产生了灵感。
 
  “我们的想法是,能否利用细菌来回收那些对未来能源技术有着关键作用的稀缺金属。”Bonificio说道。
 
  解决方案中,细菌表面覆盖着各种有着不同结构和负电荷的分子以吸引稀土的正电荷。Bonificio通过调节PH值来从细菌上分离稀土,加以清洗,将其析出。

酸和细菌:回收稀土元素的两大利器
天津的一家实验里,稀土金属已经准备好了。
摄影:DOUG KANTER, BLOOMBERG VIA GETTY IMAGES
 
  细菌在分离稀土簇合物时表现良好,但Bonificio承认在单独提取特定稀土元素方面还存在困难。Emmert回收到的也是混合物。
 
  稀土回收的真正窍门,在于从结合起来的物质中单独提取特定稀土元素,并将之提纯成最初的原材料。
 
  Schelter位于宾州的团队正在研究,如何用基础化学手段从混合物中单独提取各种稀土元素,使其能达到从中国开采并大规模购买的纯产品程度。
 
  去年,Schelter带领的一位博士生合成了一种叫做三角架配体的分子(tripodal ligand)。配体在被用于提取稀土离子混合物时,会利用分子臂间的空间选择性地匹配稀土离子。一旦稀土离子被抓住后,就能将之隔离并加以提纯。自从发现这种分子以来,Schelter已经努力改善了配体的功能,并对分离稀土的规律有了更深的了解,以便未来的工业应用。
 
  不过“Rare Earth Salts”公司称,未来即将成为现实。该公司创始人及首席执行官Joseph Brewer宣称发现了稀土的一种新的基本化学性能,并据此建造了一座回收工厂,能让每千克稀土的进口价降低2美元。
 
  Rare Earth Salts在内布拉斯加州建造了一座商业示范工厂,预计在今年年底前利用紧凑型荧光灯来生产五种高浓度稀土。他们希望在明年第一阶段每个月能生产18吨稀土,最终达到每个月36吨的稀土产量。
 
  Brewer表示该公司正在谨慎行事,因为他们不希望自己遭遇类似Solvay公司的命运。Solvay公司表示由于缺乏盈利能力,将于今年年底前关闭稀土回收工厂。
 
  “过去五年来,有过许多尝试启动的稀土分离技术,可许多人都因为在过程中遭遇困难而心碎一地。”Brewer说道。
 
  未来,回收技术能将一台完整的设备经过粉碎机解体,再从不同组件中回收所有的稀土吗?Emmert回答,“是的,那正是一个理想状态。我们会竭尽全力让它成真。”
 
(译者:红心之王)
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