Исследователи изучили метод извлечения редкоземельных элементов из отходов горнодобывающей промышленности, который мог бы обеспечить мир надежным источником ценных материалов.
Исследование, проведенное Национальной лабораторией Айдахо и Университетом Рутгерса при поддержке Института критических материалов, опубликовано в Интернете и опубликовано в следующем выпуске Журнала химической термодинамики.
Редкоземельные элементы (РЗЭ) - класс металлических элементов, включая неодим и диспрозий, - необходимы для производства многих высокотехнологичных устройств, включая мобильные телефоны, компьютеры и ветряные турбины.
РЗЭ трудно достать, и в настоящее время США не производят их на внутреннем рынке. Этот дефицит делает производителей уязвимыми перед перебоями в поставках.
Но большое количество РЗЭ содержится в фосфогипсе (ФГ), побочном продукте производства фосфорной кислоты из фосфатной породы. В 2017 году в США было добыто около 28 миллионов тонн фосфоритов. Фосфорная кислота используется в производстве удобрений и других продуктов.
По оценкам исследователей, более миллиарда тонн отходов PG лежат в кучах на складах по всей стране, особенно в Айдахо и Флориде. Во всем мире около 100 000 тонн редкоземельных элементов в год попадает в отходы ПС. Это почти столько же, сколько почти 126 000 тонн оксидов редкоземельных элементов, производимых во всем мире каждый год.
Чтобы проверить, можно ли получить редкоземельные элементы из PG, исследователи легировали синтетический фосфогипс шестью редкоземельными элементами - иттрием, церием, неодимом, самарием, европием и иттербием. Затем они изучили различные растворы, которые можно использовать для извлечения элементов.
Один из растворов, представляющий собой смесь химических веществ, вырабатываемых бактерией Gluconobacter oxydans, оказался особенно интересным для извлечения РЗЭ. Глюконобактер - это распространенная бактерия, которая легко обнаруживается в окружающей среде, в том числе на гниющих фруктах.
Gluconobacter производит органические кислоты, такие как глюконовая кислота, которые растворяют РЗЭ из окружающего материала и превращают их в раствор в процессе, называемом «биовыщелачиванием». Затем РЗЭ можно осадить из раствора и очистить для промышленного использования.
Исследователи INL ранее использовали Gluconobacter для извлечения РЗЭ из отработанного катализатора псевдоожиженного каталитического крекинга, типа материала, используемого в нефтепереработке, и других источников РЗЭ.
В недавнем исследовании смесь химических веществ, вырабатываемых Gluconobacter, превзошла другие кислоты, такие как фосфорная кислота и глюконовая кислота по отдельности. Серная кислота работала лучше всего из изученных химических веществ.
Большая разница между этим исследованием и прошлыми исследованиями группы по использованию Gluconobacter для извлечения РЗЭ из продуктов с истекшим сроком службы или промышленных отходов заключается в том, что PG достаточно много, чтобы уменьшить нехватку РЗЭ в мире, сказал исследователь INL Йошико. Фудзита и Дэвид Рид, оба ученые из отдела биологической и химической обработки в INL.
Предыдущие исследования показали, что использование Gluconobacter для биовыщелачивания может быть экономически выгодным и оказывать меньшее воздействие на окружающую среду, особенно по сравнению с серной кислотой. Обычные методы извлечения редкоземельных элементов из руд производят миллионы тонн токсичных и кислотных загрязнителей.
«При биовыщелачивании мы используем органическую кислоту, которая менее вредна для окружающей среды», - сказал Фуджита.
При использовании ПГ в качестве источника РЗЭ существуют две основные проблемы. Во-первых, PG часто умеренно радиоактивны. «Обычно в этих месторождениях фосфатов есть уран и торий, - сказал Фуджита. «Но есть месторождения с низким содержанием этих элементов».
Во-вторых, PG классифицируется как отходы, что может привести к тому, что регулирующие органы ограничат доступ к сваям PG.
Тем не менее, интерес к использованию этого потенциально крупного источника РЗЭ высок. Горнодобывающие компании уже начали интересоваться этим процессом. Затем исследователи надеются протестировать биокислоту на промышленном PG и других отходах, образующихся при производстве фосфорной кислоты, а также содержащих редкоземельные элементы.
«Я думаю, что там такой огромный резерв», - сказал Рид. «В какой-то момент дело дойдет до драки, и нам придется смотреть на PG как на жизнеспособный ресурс. Если что-то случится с потоком материала REE, эти источники PG будут значительными».