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稀土元素（REE）包括元素周期表中的镧系元素和钪、钇共17种金属元素，几乎存在于每一项技术中，包括手机、电视、电脑和汽车部件。现在，对这些元素的需求与年俱增，但其供应量有限，而且开采过程会对环境产生不良影响。
（图片来源：麦凯维工程学院）
据外媒报道，圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）麦凯维工程学院的能源、环境与化学工程教授Young-Shin Jun及其同事创造了一种概念验证型解决方法，可从粉煤灰（即煤炭燃料后剩下的粉末状废弃物）中提取REE。Jun表示：“相比之下，传统工艺更具危害性。因此，研究人员希望通过更为环保的工艺来提取REE。考虑到已经使用过的煤，该工艺最终有助于减少和重新利用废弃物。”
研究人员开发了一种创新提取工艺，使用超临界流体（通常用于除去咖啡中的咖啡因），从原本要丢在垃圾场的材料中回收急需的稀土元素。超临界流体是指物质处于高于临界点的温度和压强下形成的一种新流体，其性质介于液体和气体之间，并且兼具二者的优点。美国每年产生超过7900万公吨的粉煤灰。据该团队报告，每年从这些粉煤灰中提取的稀土元素，估计潜在价值超过40亿美元。
该项研究首次表明，使用常见且易于获取的超临界流体（包括二氧化碳、氮和空气），能够非常有效地提取稀土元素并分离杂质。此外，通过使用粉煤灰进行实验，研究人员发现，超临界二氧化碳（CO2）可以降低最终REE产品中的杂质含量。相比之下，最终产品中含有6.47%的REE，而在最初使用的粉煤灰中REE含量仅为0.0234%。
作为该校环境纳米化学实验室（Environmental NanoChemistry Laboratory）的负责人，Jun表示：“这项工作的独到之处，不仅是使用超临界CO2，而且还表明，超临界空气和氮的温度和压力远低于CO2，也可以有效地提取稀土元素。研究人员可以在较低的温度和压力下，利用氮或空气从粉煤灰中提取稀土元素，从而降低能源成本。当然，超临界CO2的效果最好。但在稀土提取方面，比起传统的酸和有机溶剂高温煮沸方法，超临界空气或氮的效果更好。”
该团队的提取过程包括两个步骤：第一步，粉煤灰中的金属离子（包括稀土和杂质），从粉煤灰中浸出并与硝酸反应形成金属硝酸盐；第二步，金属硝酸盐与磷酸三丁酯（TBP）反应。研究人员发现，在超临界CO2、氮或空气中，稀土形成了可以从粉煤灰中提取的络合物。
在提取过程后，研究人员通过多级剥离工艺来收集REE，并减少杂质含量。该工艺中使用的硝酸和TBP，完全可以在不牺牲效率的情况下多次回收，从而充分减少处理问题。
这种方法不需要在极高温度（高于500摄氏度）下焙烧原材料，也不需要使用强酸和大量有毒有机溶剂提取REE，从而减少所产生的废弃物。Jun表示：“超临界流体被视为一种更环保的溶剂，对环境的影响更少，而且可以直接从固体废弃物中提取REE，无需浸出和焙烧原材料。因此，新工艺的耗能更少，产生的废弃物也更少。研究人员致力于寻找一种更加环保的工艺，以回收关键元素，并重新利用以前被视为废弃物的材料。”