Новости

Магниты устойчиво разделяют смеси редкоземельных металлов

Новое исследование описывает новый подход для очистки редкоземельных металлов, важнейших компонентов технологии, которые требуют экологически опасных процедур добычи. Полагаясь на магнитные поля металла во время процесса кристаллизации, исследователи смогли эффективно и избирательно разделять смеси редкоземельных металлов.

Семьдесят пять из 118 элементов периодической таблицы несут в карманах и кошельках более 100 миллионов пользователей iPhone в США каждый день. Некоторые из этих элементов в изобилии, такие как кремний в компьютерных чипах или алюминий для корпусов, но некоторые металлы, которые необходимы для четких дисплеев и чистых звуков, трудно получить. Семнадцать элементов, известных как редкоземельные металлы, являются важными компонентами многих технологий, но их нет в концентрированных отложениях, и, поскольку они более рассредоточены, для их извлечения требуются токсичные и вредные для окружающей среды процедуры.

С целью разработки более совершенных способов переработки этих металлов новое исследование, проведенное в лаборатории Эрика Шелтера, описывает новый подход к разделению смесей редкоземельных металлов с помощью магнитного поля. Подход, опубликованный в международном издании Angewandte Chemie, увидел удвоение производительности разделения и является отправной точкой для более чистой и более круговой экономики редкоземельных металлов.

Стандартный подход для разделения смесей элементов заключается в проведении химической реакции, которая вызывает изменение фазы одного из элементов, например переход от жидкости к твердому веществу, что позволяет разделять элементы с использованием физических методов, таких как фильтрация. Этот тип подхода используется для разделения редкоземельных металлов; смеси помещают в раствор кислоты, и органическое соединение и отдельные ионы металла медленно выходят из кислотной фазы в органическую фазу с различными скоростями, основанными на химических свойствах металла.

Трудно то, что многие химические свойства, такие как растворимость или то, как они реагируют с другими элементами, очень похожи между редкоземельными металлами. Отсутствие сильной химической разницы означает, что разделение редкоземельных металлов - это процесс, требующий много времени и энергии, который также приводит к образованию значительного количества кислотных отходов. "Это хорошо работает, когда вы делаете это 10000 раз, но каждый отдельный шаг неэффективен", — говорит Шелтер.

Отличие отдельных редкоземельных металлов заключается в их парамагнетизме или в том, насколько они притягиваются к магнитным полям. Исследователи были заинтересованы в поиске способов использования парамагнетизма для выделения различных редкоземельных элементов, но предыдущие усилия не нашли способов связать парамагнетизм с химической реакцией или фазовым сдвигом.

Ключевым открытием стало то, что объединение магнитного поля с понижением температуры привело к кристаллизации ионов металла с различной скоростью. Кристаллизация элементов путем понижения температуры является широко используемым подходом в лаборатории, но величина его воздействия была неожиданной. "Мы используем более низкие температуры для кристаллизации многих наших материалов", — объясняет докторский исследователь Роберт Хиггинс, который руководил исследованием. «Это была одна из вещей, которую я мог потенциально использовать, но вначале я не осознавал, насколько это важно на самом деле».

Используя этот подход, исследователи могут эффективно и избирательно отделять тяжелые редкоземельные элементы, такие как тербий и иттербий, от более легких металлов, таких как лантан и неодим. Самым поразительным результатом было взятие смеси лантана и диспрозия в соотношении 50/50 и возврат 99,7% диспрозия за один шаг - "повышение на 100%" по сравнению с тем же методом, но без использования магнита.

Поскольку химические механизмы существующих подходов к разделению недостаточно понятны, исследователи надеются, что их системный подход может превратить технологии разделения металлов из «магических» в нечто более контролируемое, конкурентоспособное и экономически эффективное. "Если бы вы могли рационально разработать способы улучшения разделения металлов, это было бы огромным преимуществом", — говорит Шелтер. "Наша позиция заключается в рассмотрении нишевых применений, связанных с химическим разделением, с использованием подхода, который может применяться к новым системам разделения в дополнение к существующей технологии".

В настоящее время Хиггинс ищет способы повысить эффективность реакции, изучая, как магнитные поля взаимодействуют с этими химическими растворами. Он рассматривает это исследование и другие фундаментальные химические открытия как важный первый шаг к тому, чтобы сделать переработку редкоземельных металлов более эффективной и устойчивой. "Чем быстрее мы сможем найти новые способы более эффективного разделения, тем быстрее мы сможем улучшить некоторые геополитические и климатические проблемы, связанные с добычей и переработкой редкоземельных элементов", — говорит Хиггинс.

Источник: phys.org

Читайте Новая Наука в
Back to top button