回收稀土金属的高效工艺

看看大多数元素周期表倒数第二行，你就会发现镧系元素，它们是从一堆不知道该做什么的元素中分离出来的。镧系元素是一团紧密相连的物质，由于颜色和性质相似，很难区分。即使对于大多数科学家来说，它们也生活在一个寒冷而遥远的地方，完全是无机的，远离氢、碳和氧的舒适。

但这些金属对于现代世界的运转至关重要。它们属于稀土元素，或称稀土，它们支撑着一切，从驱动清洁能源技术的磁铁到望远镜镜头，再到你正在阅读本文的设备屏幕。开采这些金属既困难又耗费生态成本。

因此，化学家和工程师们正试图充分利用已加工的稀土，从工业废料和旧电子产品中回收利用它们。在 2 月 9 日发表在《科学进展》上的一项新研究中，他们展示了他们如何利用明亮的电闪光来实现这一目标。

大多数稀土元素其实并不稀有（当然与铱等真正稀有的元素相比），但它们并不容易获得。从地下开采出矿石后，必须将它们分离出来制成专门的产品——鉴于它们的特性相似，这是一个繁琐的过程。大多数稀土元素开采集中在镧和铈，但钕和镝等较重的金属对于清洁能源技术中使用的磁铁尤其有吸引力。

目前，全球稀土供应的绝大部分（有人估计超过 90%）来自中国，这使得稀土资源更容易受到地缘政治紧张局势的影响。2010 年，一艘中国渔船与一艘日本海上保安厅船只在有争议的水域相撞后，中国停止了对日本的稀土出口。封锁并没有持续太久，但此后日本一直在积极寻找稀土的替代来源。其他国家也是如此。

更重要的是，稀土开采需要付出环境代价。内华达大学拉斯维加斯分校的地球化学家西蒙·乔维特（Simon Jowitt）表示：“稀土开采需要耗费大量的能源和化学资源，具体要看你如何加工稀土，需要用到高强度的酸。”这些酸可能会渗入到环境中。

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减少负担的一种方法是回收已经含有这些元素的商品——但这仍然不常见。纽约州北部罗彻斯特理工学院可持续发展学教授 Callie Babbitt 也未参与这项新研究，她表示，全球只有大约 1% 到 5% 的稀土得到回收。

这就是为什么研究人员正在创新寻找分解稀土的新方法。有些人尝试使用细菌，但事实证明，喂养这些微生物需要耗费大量能源。

现在，莱斯大学的一个研究小组发明了一种依靠强电的回收方法，称为“闪光焦耳加热”。研究人员之前曾在旧的、切碎的电路板上进行过测试，以剥离其中的钯和金等贵金属以及铬和汞等重金属，然后将其安全地处理在农业土壤中。

这一次，他们将闪速焦耳加热应用于其他工业副产品：煤粉煤灰（来自化石燃料发电厂的污染物）、赤泥（铝土矿转化为铝后留下的有毒物质），当然还有更多的电子垃圾。

他们的流程大致如下。他们将要分解的物质放入一根手指大小的石英管中，电流将其“加热”到约 5400 华氏度。分离出的成分随后溶解在溶液中，供化学家稍后回收。

这一过程确实会释放一些有毒化合物，但该系统旨在捕获它们并防止它们进入空气中。“当你在工业上这样做时，你不会直接把这些化合物释放到空气中，”莱斯大学化学家、这项研究的作者之一詹姆斯·图尔说。“你会把它们困住。”

“我们的废物流非常不同，”图尔解释道。与通常用于从地下提取稀土元素的强硝酸不同，他们的溶液是一种弱得多、稀释得多的盐酸。“如果那弄到你的手上，我想你根本感觉不到，”图尔说。

然而，即使这项研究取得了进展，从成堆的工业废料中回收稀土还需要一段时间。“这个领域有很多活动，但我还没有看到任何突破，”乔伊特说。

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乔伊特表示，闪蒸焦耳加热的一个问题是，在将稀土元素铸造成小器件之前，仍需要将其分离出来。此外，使用煤粉煤灰等污染物意味着该工艺还会留下其他有害残留物。“提取和回收其中含有的[稀土元素]只是管理这些废物的更大挑战的一部分，”巴比特说。

说到电子垃圾，从成堆的废弃电脑和手机中挖掘有价值的零部件并非易事。例如，一部普通智能手机中的稀土元素含量只有不到一克。而且许多消费者不知道在哪里以及如何回收它们。

因此，乔伊特认为解决方案可能在于那些增加稀土需求的产品。“一个显而易见的办法是改变设计方式，使其更易于回收。”