Новое исследование описывает новый подход для очистки редкоземельных металлов, важнейших компонентов технологии, которые требуют экологически опасных процедур добычи. Полагаясь на магнитные поля металла во время процесса кристаллизации, исследователи смогли эффективно и избирательно разделять смеси редкоземельных металлов.
Семьдесят пять из 118 элементов периодической таблицы несут в карманах и кошельках более 100 миллионов пользователей iPhone в США каждый день. Некоторые из этих элементов в изобилии, такие как кремний в компьютерных чипах или алюминий для корпусов, но некоторые металлы, которые необходимы для четких дисплеев и чистых звуков, трудно получить. Семнадцать элементов, известных как редкоземельные металлы, являются важными компонентами многих технологий, но их нет в концентрированных отложениях, и, поскольку они более рассредоточены, для их извлечения требуются токсичные и вредные для окружающей среды процедуры.
С целью разработки более совершенных способов переработки этих металлов новое исследование, проведенное в лаборатории Эрика Шелтера, описывает новый подход к разделению смесей редкоземельных металлов с помощью магнитного поля. Подход, опубликованный в международном издании Angewandte Chemie, увидел удвоение производительности разделения и является отправной точкой для более чистой и более круговой экономики редкоземельных металлов.
Стандартный подход для разделения смесей элементов заключается в проведении химической реакции, которая вызывает изменение фазы одного из элементов, например переход от жидкости к твердому веществу, что позволяет разделять элементы с использованием физических методов, таких как фильтрация. Этот тип подхода используется для разделения редкоземельных металлов; смеси помещают в раствор кислоты, и органическое соединение и отдельные ионы металла медленно выходят из кислотной фазы в органическую фазу с различными скоростями, основанными на химических свойствах металла.
Трудно то, что многие химические свойства, такие как растворимость или то, как они реагируют с другими элементами, очень похожи между редкоземельными металлами. Отсутствие сильной химической разницы означает, что разделение редкоземельных металлов — это процесс, требующий много времени и энергии, который также приводит к образованию значительного количества кислотных отходов. «Это хорошо работает, когда вы делаете это 10000 раз, но каждый отдельный шаг неэффективен«, — говорит Шелтер.
Отличие отдельных редкоземельных металлов заключается в их парамагнетизме или в том, насколько они притягиваются к магнитным полям. Исследователи были заинтересованы в поиске способов использования парамагнетизма для выделения различных редкоземельных элементов, но предыдущие усилия не нашли способов связать парамагнетизм с химической реакцией или фазовым сдвигом.
Ключевым открытием стало то, что объединение магнитного поля с понижением температуры привело к кристаллизации ионов металла с различной скоростью. Кристаллизация элементов путем понижения температуры является широко используемым подходом в лаборатории, но величина его воздействия была неожиданной. «Мы используем более низкие температуры для кристаллизации многих наших материалов«, — объясняет докторский исследователь Роберт Хиггинс, который руководил исследованием. «Это была одна из вещей, которую я мог потенциально использовать, но вначале я не осознавал, насколько это важно на самом деле».
Используя этот подход, исследователи могут эффективно и избирательно отделять тяжелые редкоземельные элементы, такие как тербий и иттербий, от более легких металлов, таких как лантан и неодим. Самым поразительным результатом было взятие смеси лантана и диспрозия в соотношении 50/50 и возврат 99,7% диспрозия за один шаг — «повышение на 100%» по сравнению с тем же методом, но без использования магнита.
Поскольку химические механизмы существующих подходов к разделению недостаточно понятны, исследователи надеются, что их системный подход может превратить технологии разделения металлов из «магических» в нечто более контролируемое, конкурентоспособное и экономически эффективное. «Если бы вы могли рационально разработать способы улучшения разделения металлов, это было бы огромным преимуществом«, — говорит Шелтер. «Наша позиция заключается в рассмотрении нишевых применений, связанных с химическим разделением, с использованием подхода, который может применяться к новым системам разделения в дополнение к существующей технологии«.
В настоящее время Хиггинс ищет способы повысить эффективность реакции, изучая, как магнитные поля взаимодействуют с этими химическими растворами. Он рассматривает это исследование и другие фундаментальные химические открытия как важный первый шаг к тому, чтобы сделать переработку редкоземельных металлов более эффективной и устойчивой. «Чем быстрее мы сможем найти новые способы более эффективного разделения, тем быстрее мы сможем улучшить некоторые геополитические и климатические проблемы, связанные с добычей и переработкой редкоземельных элементов«, — говорит Хиггинс.
Источник: