磁场能可持续性地分离稀土金属混合物

avatar 2019-10-2908:12:54 评论 11

元素周期表118中的75个元素每天都被超过1亿美国iPhone用户携带着。其中一些元素丰富,就像在电脑芯片硅或铝,但某些用于弯曲显示和获得清晰的声音的金属是很难获得的。17个被称为稀土金属的元素是至关重要的组件,但是这些元素并没有在矿床中集中发现,而且,因为它们十分散, 对它们的提取过程是有毒的、危害环境的。

Eric Schelter实验室的一项新研究描述了一种利用磁场分离混合稀土金属的新方法。这种方法发表在《安吉万特化学国际版》(Angewandte Chemie International Edition)上,其分离性能提高了一倍,是迈向更清洁、更循环的稀土金属经济的起点。

分离元素混合物的标准方法是进行一个化学反应,使其中一种元素改变相,就像从液体变成固体一样,这允许使用过滤等物理方法分离元素。这种方法用于分离稀土金属;混合物被放入酸性溶液中,有机化合物和单个金属离子根据金属的化学性质以不同的速率缓慢地从酸性相移出进入有机相。

困难的是,许多化学性质,如溶解度或它们如何与其他元素反应,在稀土金属之间是非常相似的。这种缺乏强烈的化学差异意味着分离稀土金属是一个耗时耗力的过程,同时也会产生大量的酸性废物。Schelter说:“如果你重复10000次,效果很好,但是每一步的效率都很低。”

不同稀土金属的不同之处在于它们的顺磁性,或者说它们对磁场的吸引力。研究人员一直有兴趣寻找利用顺磁性分离不同稀土元素的方法,但此前的研究尚未找到将顺磁性与化学反应或相移相结合的方法。

关键的发现是,将磁场与温度降低相结合会导致金属离子以不同的速率结晶。通过降低温度使元素结晶是实验室中常用的方法,但其影响的程度是出乎意料的。领导这项研究的博士后研究员Robert Higgins解释说:“我们用低温使很多材料结晶。”“这是我可能会用到的东西之一,但一开始我并没有意识到它的重要性。”

利用这种方法,研究人员可以有效地、有选择性地从镧和钕等较轻金属中分离出铽和镱等重稀土。最引人注目的结果是,将镧和镝各占50%的比例混合,一步就能得到99.7%的镝——与不使用磁场的相同方法相比,这是“100%的提升”。

由于现有分离方法的化学机制还没有被很好地理解,研究人员希望他们的系统方法可以把金属分离技术从“魔法”变成更可控、更有竞争力、更经济的东西。“如果你能合理地设计出改善金属分离的方法,那将是一个巨大的优势,”舍尔特说。“我们的立场是解决与化学分离相关的小众应用,使用一种方法,可以应用于新的分离系统,以补充现有的技术。”

希金斯现在正在寻找提高反应效率的方法,同时研究磁场如何与这些化学溶液相互作用。他认为这项研究和其他基础化学发现是使稀土金属回收更加有效和可持续的重要的第一步。希金斯说:“我们越快找到更有效地进行分离的新方法,我们就能越快地改善与稀土开采和回收相关的一些地缘政治和气候问题。”

这项研究得到了美国能源部、科学办公室、基础能源科学分离和分析项目办公室DE-SC0017259的支持。希金斯获得了NatureNet科学奖学金项目的资助。

来源:Sciencedaily

文献:Robert F. Higgins, Thibault Cheisson, Bren E. Cole, Brian C. Manor, Patrick J. Carroll, Eric J Schelter. Magnetic Field Directed Rare-Earth Separations. Angewandte Chemie International Edition, 2019; DOI: 10.1002/anie.201911606

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