طريقة جديدة أكثر اخضرارًا لاستخلاص العناصر الأرضية النادرة من النفايات

العناصر الأرضية النادرة (REE)، وهي مجموعة من 17 عنصرًا معدنيًا، موجودة تقريبًا في كل قطعة تقنية، بما في ذلك الهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر وتقريبًا كل جزء من السيارة.

يزداد الطلب على هذه العناصر سنويًا، إلا أن العرض محدود من الناحية الجيوسياسية، ويتم تعدينه بممارسات غير مستدامة بيئيًا.

لقد ابتكرت يونج شين جون، أستاذة الطاقة والهندسة البيئية والكيميائية في كلية ماكلفي للهندسة بجامعة واشنطن في سانت لويس، وفريقها حلًا لإثبات المفهوم: استخراج العناصر الأرضية النادرة من رماد الفحم المتطاير، غرامة، منتج نفايات مساحيق من احتراق الفحم.

قالت جون: “أردنا استخدام عملية أكثر اخضرارًا لاستخراج العناصر الأرضية النادرة من العمليات التقليدية الأكثر ضررًا”، “بما أن الفحم قد تم استخدامه بالفعل، فإن هذه العملية هي في النهاية طريق نحو تقليل ومعالجة النفايات.”

أكثر من 4 مليارات دولار سنويًا

طورت جون وطالبهتا السابق في الدكتوراه، Yaguang Zhu، وهي الآن باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون، عملية الاستخلاص الجديدة هذه باستخدام سائل فوق الحرج، يستخدم عادة لإزالة الكافيين، لاستعادة العناصر الأرضية النادرة التي تمس الحاجة إليها من المواد التي كان من الممكن التخلص منها في مكب النفايات.

السائلفوق الحرج مادة عند درجة حرارة وضغط أعلى من نقطتها الحرجة، ولها خصائص بين السائل والغاز، مع وجود أكثر من 79 مليون طن متري من الرماد المتطاير للفحم المتولدة في الولايات المتحدة سنويًا، أفاد فريق Jun أن القيمة المحتملة للكيانات الأرضية النادرة التي يمكن استخراجها من رماد الفحم المتطاير في الولايات المتحدة تقدر بأكثر من 4 مليارات دولار سنويًا.

عملهم، الذي يظهر في RSC Sustainability ، هو أول من أظهر أن السوائل فوق الحرجة الشائعة والتي يمكن الوصول إليها ، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهواء، كانت قادرة على استخراج العناصر الأرضية النادرة وفصل الشوائب بكفاءة عالية.

بالإضافة إلى ذلك، من خلال التجارب باستخدام الرماد المتطاير للفحم ، وجدوا أن ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج يقلل من تركيزات الشوائب في منتج الطاقة المتجددة النهائي.

رماد الفحم المتطاير

في النهاية ، احتوت منتجاتهم النهائية على ما يصل إلى 6.47٪ من العناصر الأرضية النادرة ، مقارنة بـ 0.0234٪ في المصدر الأولي للرماد المتطاير بالفحم.

قالت جون بمختبر الكيمياء النانوية، “لا يقتصر تفرد عملنا على استخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج فحسب، بل يوضح أيضًا أن الهواء والنيتروجين فوق الحرج، مع درجة حرارة وضغط أقل بكثير من تلك المطلوبة لثاني أكسيد الكربون يمكنهما استخراج العناصر الأرضية النادرة بكفاءة”، الذي يقود البيئة.

وأضافت “يمكننا استخدام درجات حرارة وضغوط منخفضة مع النيتروجين أو الهواء لاستخراج العناصر الأرضية النادرة من رماد الفحم المتطاير، مما يعني انخفاض تكلفة الطاقة. وبالطبع، يعمل ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج بشكل أفضل، ولكن الهواء فوق الحرج أو النيتروجين يمكن أن يؤدي وظيفة أفضل بكثير مقارنة بالغلي التقليدي بدرجة حرارة عالية باستخدام الأحماض والمذيبات العضوية لاستخراج العناصر الأرضية النادرة”.

تضمنت عملية الاستخراج التي قام بها فريق Jun خطوتين: أولاً  أيونات المعادن في رماد الفحم المتطاير، بما في ذلك العناصر الأرضية النادرة والشوائب، والرشح من رماد الفحم المتطاير، والتفاعل مع حمض النيتريك لتكوين نترات معدنية؛ وثانيًا، تتفاعل نترات المعدن مع ثلاثي بوتيل الفوسفات (TBP)، وجدوا ذلك مع ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج فوق الحرج أو النيتروجين أو الهواء، شكلت العناصر الأرضية النادرة معقدات يمكن استخلاصها من رماد الفحم المتطاير.

بعد الاستخراج، جمعت عملية التجريد متعددة المراحل الخاصة بهم العناصر الأرضية النادرة، وخفضت تركيز الشوائب، يمكن إعادة تدوير حمض النيتريك وTBP المستخدم في العملية بالكامل عدة مرات دون التضحية بالكفاءة، مما يقلل من مخاوف التخلص منها.

عملية أكثر أمانًا من الناحية البيئية

تلغي طريقة Jun أيضًا الحاجة إلى تحميص المواد الخام في درجات حرارة عالية للغاية، أو أعلى من 500 درجة مئوية، والحاجة إلى استخراج العناصر الأرضية النادرة بأحماض قوية وكمية كبيرة من المذيبات العضوية السامة التقليدية.

قالت جون، “يعتبر السائل فوق الحرج مذيبًا أكثر اخضرارًا، وهو أقل تغلغلًا في البيئة ويسمح لنا باستخراج العناصر الأرضية النادرة مباشرة من النفايات الصلبة دون ترشيح وتحميص المواد الخام، لذلك يلزم طاقة أقل لعمليتنا الجديدة، والتي تنتج أيضًا نفايات أقل”، “إننا نسعى إلى عملية أكثر أمانًا من الناحية البيئية لإعادة تدوير العناصر الحرجة واستعادتها من المواد التي كانت تعتبر في السابق نفايات.”

تابعنا على تطبيق نبض