化学家James Tour的Rice实验室已经成功地从废物中提取了有价值的稀土元素（REE），其产量足以解决制造商的问题，同时提高他们的利润。该实验室的闪蒸焦耳加热工艺是几年前引入的，用于从任何固体碳源生产石墨烯（早期文章），现已应用于三种稀土元素来源 – 煤粉煤灰，铝土矿残渣和电子废物 – 以回收稀土金属。
研究人员表示，他们的过程对环境更友好，使用更少的能量，并将通常用于回收元素的酸流变成涓涓细流。一篇关于他们研究的开放论文发表在《科学进展》上。
在这里，我们报告了基于闪焦耳加热（FJH）的超快电热过程（〜3000°C，〜1 s），用于激活废物以提高REE可提取性。FJH将难以溶解的REE物质热降解或还原为具有高热力学溶解度的组分，从而使用稀酸（例如，0.1 M HCl）使浸出性和高回收率提高约2×活化策略适用于各种废物，包括煤粉煤灰，铝土矿残渣和电子废物。快速FJH工艺节能，电能耗低至600千瓦时吨−1.
——邓等
稀土元素实际上并不罕见。其中之一，铈，比铜更丰富，而且都比黄金更丰富。但这15种镧系元素，以及钇和钪，分布广泛，难以从开采的材料中提取。
莱斯大学科学家称，在煤粉煤灰中发现的微观玻璃球含有稀土元素，可以回收利用而不是埋在垃圾填埋场中。他们的闪光焦耳加热过程已经过调整，以回收元素。由旅行团提供
美国曾经开采稀土元素，但你也会得到很多放射性元素。你不能重新注入水，它必须被处理掉，这是昂贵和有问题的。在美国取消所有稀土开采的那一天，外国消息来源将其价格提高了十倍。
—詹姆斯·图尔
图尔说，有很多激励措施可以回收已经开采的东西。其中大部分堆积或埋在粉煤灰中，粉煤灰是燃煤电厂的副产品。
“我们有堆积如山的它。燃烧煤炭的残留物是硅，铝，铁和钙氧化物，它们在微量元素周围形成玻璃，使它们很难提取。
—詹姆斯·图尔
铝土矿残留物，有时被称为赤泥，是铝生产的有毒副产品，而电子废物则来自计算机和智能手机等过时的设备。
虽然从这些废物中工业提取通常涉及用强酸浸出，这是一个耗时的非绿色过程，但Rice实验室在一秒钟内将粉煤灰和其他材料（与炭黑结合以增强导电性）加热到约3，000摄氏度（5，432华氏度）。该过程将废物转化为高度可溶的“活化稀土物种”。
图尔说，通过闪光焦耳加热处理粉煤灰“打破了包裹这些元素的玻璃，并将稀土磷酸盐转化为更容易溶解的金属氧化物。工业过程使用15摩尔浓度的硝酸来提取材料;大米工艺使用更温和的0.1摩尔浓度的盐酸，仍然产生更多的产品。
在由博士后研究员和第一作者Bing Deng领导的实验中，研究人员发现，与在强酸中浸出未经处理的CFA相比，闪焦耳加热煤粉煤灰（CFA）的产量增加了一倍多。
该策略对各种废物是一般的。我们证明，通过相同的活化过程，煤粉煤灰、铝土矿残渣和电子废物的稀土矿回收率得到了提高。
——邓冰
Bing说，该过程的普遍性使其特别有希望，因为每年还生产数百万吨铝土矿残留物和电子废物。
Tour的实验室于2020年引入了闪焦耳加热，将煤，石油焦和垃圾转化为石墨烯，石墨烯是碳的单原子厚度形式，这一过程目前正在商业化。此后，该实验室调整了将塑料废物转化为石墨烯并从电子废物中提取贵金属的过程。
空军科学研究办公室（FA9550-19-1-0296）和能源部（DE-FE0031794）支持这项研究。
资源
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- Bing Deng, Xin Wang, Duy Xuan Luong, Robert A. Carter, Zhe Wang, Mason B. Tomson, James M. Tour (2022) “Rare earth elements from waste” Science Advances doi: 10.1126/sciadv.abm3132
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