Elementi retkih zemalja (REE), grupa od 17 metalnih elemenata, nalaze se u skoro svakom delu tehnologije, uključujući mobilne telefone, televizore, kompjutere i skoro svaki deo vozila. Potražnja za ovim elementima raste iz godine u godinu, međutim ponuda je geopolitički ograničena i iskopava se ekološki neodrživim praksama.
Jang-Šin Džun, profesorka energetike, ekološkog i hemijskog inženjeringa na Školi za inženjerstvo McKelvei na Univerzitetu Vašington u Sent Luisu, i njen tim su kreirali rešenje za dokaz koncepta: ekstrakcija REE iz elektrofilterskog pepela uglja, fino, praškasti otpadni proizvod sagorevanja uglja.
„Želeli smo da koristimo zeleniji proces za ekstrakciju REE od tradicionalno štetnijih procesa“, rekao je Jun. „Pošto je ugalj već korišćen, ovaj proces je na kraju put ka smanjenju i sanaciji otpadnih proizvoda.“
Jun i njen bivši student doktorskih studija, Iaguang Zhu, sada postdoktorski naučnik na Univerzitetu Prinston, razvili su ovaj novi proces ekstrakcije koristeći superkritičnu tečnost, koja se obično koristi za dekofeinizaciju kafe, da povrate ove kritično potrebne REE iz materijala koji bi inače bio odbačen na deponiju. . Superkritični fluid je supstanca na temperaturi i pritisku iznad kritične tačke sa svojstvima između tečnosti i gasa. Sa više od 79 miliona metričkih tona letećeg pepela uglja proizvedenog u SAD godišnje, Junov tim je izvestio da se potencijalna vrednost REE koje bi mogle da se izvuku iz letećeg pepela uglja u SAD procenjuje na više od 4 milijarde dolara godišnje.
Njihov rad, koji se pojavljuje u RSC Sustainabiliti , prvi je koji pokazuje da su uobičajeni i dostupni superkritični fluidi, uključujući ugljen-dioksid, azot i vazduh, bili u stanju da ekstrahuju REE i odvajaju nečistoće veoma efikasno. Pored toga, kroz eksperimente sa korišćenjem pepela od uglja, otkrili su da superkritični ugljen-dioksid smanjuje koncentraciju nečistoća u finalnom REE proizvodu. Konačno, njihovi finalni proizvodi su sadržali do 6,47% REE, u poređenju sa 0,0234% u početnom izvoru elektrofilterskog pepela.
„Jedinstvenost našeg rada nije samo u korišćenju superkritičnog CO 2 , već i u tome da pokazujemo da superkritični vazduh i azot, sa mnogo nižom temperaturom i pritiskom od onih koji su potrebni za CO 2 , mogu efikasno ekstrahovati REE“, rekao je Džun, koji vodi Odeljenje za životnu sredinu. Laboratorija za nanohemiju.
„Možemo da koristimo niže temperature i pritiske sa azotom ili vazduhom da izvučemo retke zemlje iz pepela uglja, što znači nižu cenu energije. Naravno, superkritični CO 2 najbolje funkcioniše, ali superkritični vazduh ili azot bi mogli da urade mnogo bolji posao u poređenju sa tradicionalnim visokotemperaturnim ključanjem sa kiselinama i organskim rastvaračima za ekstrakciju REE.“
Proces ekstrakcije Junovog tima uključivao je dva koraka: Prvo, joni metala u pepelu od uglja, uključujući REE i nečistoće, izlužuju iz letećeg pepela uglja i reaguju sa azotnom kiselinom da bi formirali metalne nitrate; i drugo, nitrati metala reaguju sa tributil fosfatom (TBP). Otkrili su da sa superkritičnim ugljen-dioksidom, azotom ili vazduhom, REE formiraju komplekse koji se mogu izvući iz letećeg pepela uglja.
Nakon ekstrakcije, njihov višestepeni proces uklanjanja sakupljao je REE i smanjio koncentraciju nečistoća. Azotna kiselina i TBP koji se koriste u procesu mogu se u potpunosti reciklirati više puta bez žrtvovanja efikasnosti, što minimizira zabrinutost njihovog odlaganja.
Junov metod takođe eliminiše potrebu za pečenjem sirovina na ekstremno visokim temperaturama, ili većim od 500 C, kao i potrebu da se REE ekstrahuju jakim kiselinama i velikom količinom toksičnih organskih rastvarača, koji takođe postaju otpadni proizvod u tradicionalnim procesima ekstrakcije. .
„Superkritična tečnost se smatra zelenijim rastvaračem, manje je invazivna za životnu sredinu i omogućava nam da izvučemo REE direktno iz čvrstog otpada bez ispiranja i prženja sirovina, tako da je potrebno manje energije za naš novi proces, koji takođe proizvodi manje otpada“, rekao je Jun. „Tražimo ekološki benigniji proces za recikliranje kritičnih elemenata i oporavak od materijala za koje se ranije smatralo da su otpad.
