Quy trình mới chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ chất thải
của Beth Miller, Đại học Washington ở St. Louis
Tổng quan về các quy trình chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn của REE từ CFA rắn. (a) Chuẩn bị chất chiết TBP–HNO3. (b) Trích xuất REE từ CFA bằng cách sử dụng TBP–HNO3 trong điều kiện SCF và thu được TBP–HNO3 đã phản ứng có chứa REE. (c) Thu gom REE và tách chúng khỏi các tạp chất chính thông qua quy trình tách nhiều giai đoạn. Ảnh: RSC Sustainability (2023). DOI: 10.1039/D2SU00033D
Các nguyên tố đất hiếm (REE), một nhóm gồm 17 nguyên tố kim loại, có trong hầu hết mọi thiết bị công nghệ, bao gồm điện thoại di động, tivi, máy tính và hầu hết mọi bộ phận của xe cộ. Nhu cầu đối với các nguyên tố này tăng lên hàng năm, tuy nhiên nguồn cung bị hạn chế về mặt địa chính trị và được khai thác bằng các hoạt động không bền vững với môi trường.
Young-Shin Jun, giáo sư năng lượng, môi trường & kỹ thuật hóa học tại Trường Kỹ thuật McKelvey tại Đại học Washington ở St. Louis, và nhóm của cô đã tạo ra một giải pháp chứng minh khái niệm: chiết xuất REE từ tro bay than đá, một loại nguyên liệu tốt, chất thải dạng bột từ quá trình đốt than.
Jun cho biết: “Chúng tôi muốn sử dụng một quy trình xanh hơn để trích xuất REE so với các quy trình truyền thống có hại hơn. "Vì than đã được sử dụng, quá trình này cuối cùng là một con đường hướng tới việc giảm thiểu và xử lý các chất thải."
Jun và cựu sinh viên tiến sĩ của cô, Yaguang Zhu, hiện là học giả sau tiến sĩ tại Đại học Princeton, đã phát triển quy trình chiết xuất mới lạ này bằng cách sử dụng chất lỏng siêu tới hạn, thường được sử dụng để khử caffein trong cà phê, để thu hồi các REE cực kỳ cần thiết này từ vật liệu mà lẽ ra đã bị loại bỏ ở bãi rác . Chất lỏng siêu tới hạn là một chất ở nhiệt độ và áp suất trên điểm tới hạn của nó với các tính chất giữa chất lỏng và chất khí. Với hơn 79 triệu tấn tro bay than được tạo ra ở Hoa Kỳ hàng năm, nhóm của Jun đã báo cáo rằng giá trị tiềm năng của REE có thể được chiết xuất từ tro bay than ở Hoa Kỳ ước tính hơn 4 tỷ đô la hàng năm.
Công trình của họ, xuất hiện trên RSC Sustainability, là công trình đầu tiên chứng minh rằng các chất lỏng siêu tới hạn phổ biến và dễ tiếp cận, bao gồm carbon dioxide, nitơ và không khí, có thể chiết xuất REE và tách tạp chất rất hiệu quả. Ngoài ra, thông qua các thí nghiệm sử dụng tro bay than đá, họ phát hiện ra rằng carbon dioxide siêu tới hạn làm giảm nồng độ tạp chất trong sản phẩm REE cuối cùng. Cuối cùng, sản phẩm cuối cùng của họ chứa tới 6,47% REE, so với 0,0234% trong nguồn tro bay than đá ban đầu.
"Sự độc đáo trong nghiên cứu của chúng tôi không chỉ là sử dụng CO2 siêu tới hạn, mà còn cho thấy rằng không khí và nitơ siêu tới hạn, với nhiệt độ và áp suất thấp hơn nhiều so với nhiệt độ và áp suất cần thiết cho CO2, có thể chiết xuất REE một cách hiệu quả", Jun, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Hóa học Nano Môi trường cho biết. .
"Chúng tôi có thể sử dụng nhiệt độ và áp suất thấp hơn với nitơ hoặc không khí để chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ tro bay than đá, nghĩa là chi phí năng lượng thấp hơn. Tất nhiên, CO2 siêu tới hạn hoạt động tốt nhất, nhưng không khí hoặc nitơ siêu tới hạn có thể hoạt động tốt hơn nhiều so với với phương pháp đun sôi ở nhiệt độ cao truyền thống với axit và dung môi hữu cơ để chiết xuất REE."
Quy trình khai thác của nhóm Jun bao gồm hai bước: Thứ nhất, các ion kim loại trong tro bay than, bao gồm REE và tạp chất, lọc ra khỏi tro bay than và phản ứng với axit nitric để tạo thành nitrat kim loại; và thứ hai, nitrat kim loại phản ứng với tributyl phosphate (TBP). Họ phát hiện ra rằng với carbon dioxide, nitơ hoặc không khí siêu tới hạn, REEs tạo thành các phức hợp có thể được chiết xuất từ tro bay than đá.
Sau khi chiết xuất, quy trình tước nhiều tầng của họ đã thu gom REE và giảm nồng độ tạp chất. Axit nitric và TBP được sử dụng trong quy trình có thể được tái chế hoàn toàn nhiều lần mà không làm giảm hiệu quả, giúp giảm thiểu mối lo ngại về việc thải bỏ chúng.
Phương pháp của Jun cũng loại bỏ nhu cầu rang nguyên liệu thô ở nhiệt độ cực cao, hoặc lớn hơn 500 C, và không cần chiết xuất REE bằng axit mạnh và một lượng lớn dung môi hữu cơ độc hại, những chất này cũng trở thành chất thải trong các quy trình chiết xuất truyền thống .
"Chất lỏng siêu tới hạn được coi là dung môi xanh hơn, ít xâm lấn đến môi trường hơn và cho phép chúng tôi chiết xuất REE trực tiếp từ chất thải rắn mà không cần lọc và rang nguyên liệu thô, do đó cần ít năng lượng hơn cho quy trình mới của chúng tôi, quy trình này cũng tạo ra ít chất thải hơn." Jun nói. "Chúng tôi đang tìm kiếm một quy trình thân thiện với môi trường hơn để tái chế và phục hồi các nguyên tố quan trọng từ các vật liệu trước đây được coi là chất thải."
