一种新方法改进了稀土元素(一组 17 种对智能手机和电动汽车电池等技术至关重要的元素)从非常规来源中的提取和分离。由宾夕法尼亚州立大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家领导的新研究表明，从细菌中分离出的蛋白质如何提供一种更环保的方法来提取这些金属并将它们与其他金属以及相互分离。该方法最终可以扩大规模，以帮助开发来自可回收的工业废物和电子产品的稀土金属的国内供应。
“为了满足对用于新兴清洁能源技术的稀土元素日益增长的需求，我们需要解决供应链中的几个挑战，”宾夕法尼亚大学化学助理教授兼 Louis Martarano 职业发展教授 Joseph Cotruvo Jr. 说State 是宾夕法尼亚州立大学关键矿产中心的成员，也是该研究的共同通讯作者。“这包括提高效率并减轻这些金属的提取和分离过程的环境负担。在这项研究中，我们展示了一种使用天然蛋白质的有前途的新方法，该方法可以扩大规模以从低品位来源(包括工业废物)中提取和分离稀土元素。”
由于美国目前需要进口大部分稀土元素，因此新的重点是建立非常规来源的国内供应，包括燃烧煤炭和开采其他金属产生的工业废物以及手机和许多其他方面的电子废物。材料。这些来源广泛，但被认为是“低品位”，因为稀土与许多其他金属混合，而且稀土的含量太低，传统工艺无法正常运作。此外，目前的提取和分离方法依赖于刺激性化学品，劳动强度大，有时涉及数百个步骤，产生大量废物，并且成本高。
这种新方法利用了研究小组先前发现的一种叫做兰莫德林的细菌蛋白质，它与稀土元素的结合比与其他金属的结合要好近 10 亿倍。10 月 8 日，ACS Central Science 杂志在线发表了一篇描述该过程的论文。
蛋白质首先固定在柱子(工业过程中常用的垂直管)内的微小珠子上，向其中添加液体源材料。然后蛋白质与样品中的稀土元素结合，这使得只有稀土被保留在色谱柱中，而剩余的液体被排出。然后，通过改变条件，例如通过改变酸度或添加额外的成分，金属与蛋白质脱离并可以被排出和收集。通过仔细地依次改变条件，可以分离单个稀土元素。
“我们首先证明，该方法非常擅长将稀土元素与其他金属分离，这在处理作为大杂烩的低品位来源时至关重要，”科特鲁沃说。“即使在非常复杂的解决方案中，稀土含量低于 0.1%——数量极少——我们也成功地提取了一组较轻的稀土，然后一步将一组较轻的稀土与一组较重的稀土分开。这种分离是必不可少的简化步骤，因为稀土必须分离成单独的元素才能纳入技术。”
研究团队将钇 (Y) 与钕 (Nd) 分离，钕 (Nd) 均富含原生稀土矿床和煤炭副产品，纯度超过 99%。他们还将钕与镝 (Dy) 分离——这是电子废物中常见的一种关键配对——根据初始金属成分，只需一两个循环即可获得超过 99.9% 的纯度。
“回收的钕和镝的高纯度可与其他分离方法相媲美，并且在不使用刺激性有机溶剂的情况下以尽可能多或更少的步骤完成，”LLNL 的博士后研究员、该研究的第一作者 Ziye Dong 说。“由于该蛋白质能够用于多次循环，因此它为目前使用的方法提供了一种有吸引力的环保替代方案。”
研究人员认为，他们的方法不一定会取代目前通常用于从高品位来源大批量生产较轻稀土元素的液-液萃取工艺。相反，它将允许有效利用低品位资源，特别是用于提取和分离更稀有且通常价值更高的重稀土。
“其他最近的方法能够从低品位来源中提取稀土元素，但它们通常停留在将所有稀土混在一起的‘总’产品，其价值相对较小，然后需要汇集到更传统的产品中。 LLNL 的科学家、该研究的共同通讯作者 Dan Park 说。“真正的价值在于生产单个稀土，尤其是较重的元素。”
“我们的工艺特别方便，因为这些高价值金属可以先从塔中纯化出来，”Cotruvo 补充道。
研究人员计划优化该方法，以便获得最高纯度的产品所需的循环更少，从而可以扩大规模以用于工业用途。
“如果我们能够设计出对特定元素具有更高选择性的 lanmodulin 蛋白衍生物，我们可以在相对较少的步骤中回收和分离所有 17 种稀土元素，即使是从最复杂的混合物中，而且无需任何有机溶剂或有毒化学品，这将是一件大事，”科特鲁沃说。“我们的工作表明，这个目标应该是可以实现的。”
