Вскрышные породы как ресурс: новый процесс позволяет извлекать ценные редкоземельные элементы из отходов, таких как зола угольных электростанций и бокситовый шлам производства алюминия. Во время мгновенного испарения с использованием «мгновенного джоулевого нагрева» редкоземельные металлы высвобождаются из материала в течение нескольких секунд и превращаются в растворимые оксиды или металлы. Это мгновенное испарение увеличивает выход, но, в отличие от текущих процессов, требует меньше энергии и не требует сильных кислот, сообщает команда.
Редкоземельные металлы, такие как иттрий, неодим, тербий или дипрозий, необходимы для современных технологий. Они встречаются, среди прочего, в магнитах, дисплеях, полупроводниках, электромобилях и генераторах. Но поставки скудны и дороги, и большая часть этих редкоземельных элементов в настоящее время поступает из Китая. Тем важнее было бы использовать для этого сырья ранее не использовавшиеся ресурсы.
Неиспользованные сокровища в пепле и грязи
Зола, образующаяся на угольных электростанциях, и бокситовый шлам от производства алюминия относятся к источникам редкоземельных металлов, которые до настоящего времени почти не использовались. Оба содержат ранее в значительной степени неиспользованные части редкоземельных элементов. В угольной золе, около 750 миллионов тонн которой ежегодно производится во всем мире, содержание редкоземельных элементов составляет в среднем около 500 частей на миллион (ppm), как сообщают Бинг Дэн и его коллеги из Университета Райса в Хьюстоне.
Таким образом, этот отход содержит меньше редкоземельных металлов, чем большинство руд, но доля пяти особенно важных элементов иттербия, неодима, тербия, европия и диспрозия в золе угля значительно выше, чем в обычной китайской золе. рудные месторождения. Проблема, однако, в том, что используемые до сих пор методы удаления редкоземельных элементов с помощью сильных растворителей и кислот не только вредны для окружающей среды и дороги, но и малоэффективны. Поэтому они практически не используются.
Экстракция мгновенным испарением
Однако «мгновенный джоулев нагрев» может предложить решение. При этом омическом мгновенном испарении сырье обогащается сажей, а затем мгновенно нагревается до температуры более 3000 градусов под действием короткого мощного электрического импульса. Дэн и его команда уже использовали этот метод для испарения и отделения металлов от электронных отходов. Теперь они исследовали, подходит ли мгновенное испарение для извлечения редкоземельных металлов из угольной золы.
Для своего исследования исследователи использовали два распространенных варианта угольной золы, содержание редкоземельных элементов в которых составляло 418 и 516 миллиграммов на килограмм материала. Кроме того, были проведены испытания с осушенным бокситовым шламом алюминиевого производства. Иногда он может содержать даже 1000 частей на миллион редкоземельных металлов. В целях сравнения ученые подвергли часть каждого тестируемого материала стандартной кислотной экстракции с использованием крепкой соляной или азотной кислоты.
Для остальных образцов группа провела разделение с использованием мгновенного джоулевого нагрева. В этом случае редкоземельные металлы впоследствии присутствуют в виде растворимых оксидов или даже в металлической форме. Затем их можно разделить слабой соляной кислотой с концентрацией всего 0,1 моля, как объясняют Дэн и его коллеги.
Двойной урожай
Испытания показали: после мгновенного джоулевого нагрева выход извлекаемых редкоземельных металлов для всех отходов был на 170-230 процентов выше, чем при использовании обычных процессов. Исследователи связывают это с тем, что интенсивный, но кратковременный нагрев примерно до 3000 градусов мобилизует металлы более эффективно, чем чисто химические процессы. Некоторые редкоземельные металлы в угольной золе связаны с плохо растворимыми фосфатами или заключены в мельчайшие частицы стекла.
«Мгновенный джоулев нагрев разбивает стекло, которое инкапсулирует эти элементы, и превращает фосфаты редкоземельных элементов в оксиды металлов, которые гораздо легче растворяются», - объясняет соавтор Джеймс Тур. Эксперимент также показывает, что доля примесей после экстракции методом мгновенного испарения ниже. В целом, ценные редкоземельные металлы могут быть извлечены более эффективно из отходов, таких как угольная зола и бокситовый шлам.
Также экономически выгодно
По словам Дэна и его команды, новый процесс может сделать извлечение редкоземельных металлов из таких остатков более практичным и, прежде всего, более прибыльным, чем раньше. Поскольку этот метод также быстрее и дешевле, чем обычные методы экстракции: «Мгновенный джоулев нагрев очень энергоэффективен и требует всего около 600 киловатт-часов на тонну - это соответствует затратам около двенадцати долларов США на тонну», - сообщают они.
По сравнению с традиционными методами, по мнению ученых, мгновенное испарение может обеспечить до десяти раз более высокую прибыль. В то же время процесс легко масштабируется и может быть интегрирован в автоматизированные процессы. «Коммерческое применение мгновенного джоулевого нагрева до нескольких тонн в день может проложить путь к крупномасштабному извлечению редкоземельных элементов из отходов», - подчеркивают Дэн и его коллеги.