从电子垃圾中回收稀土元素

制造商依靠钕等稀土元素来制造强磁铁，用于电子产品的电机，包括混合动力汽车、飞机发电机、扬声器、硬盘驱动器和入耳式耳机。但是含有钕的矿床很难到达，地球上只有少数几个地方可以找到。

随着多个行业对钕的需求不断增加，人们的注意力已转向回收旧计算机和印刷电路板中的元素(也称为电子废物)以满足需求。但从电子垃圾中发现的其他矿物质和成分中分离出有价值的元素被证明是一个挑战。

在最近发表在《化学工程杂志》上的一篇论文中，宾夕法尼亚州立大学化学工程和生物医学工程助理教授 Amir Sheikhi详细介绍了一种使用植物纤维素分离钕的新纳米技术，植物纤维素存在于纸张、棉花和纸浆中。帕特里夏·瓦米亚 (Patrictia Wamea) 是 Sheikhi 实验室的前成员，于 5 月毕业并获得理学硕士学位，她与他人合着了这篇论文，并因其贡献于 2021 年秋季获得了宾夕法尼亚州化学工程部年度最佳论文奖。

Sheikhi 表示，在此过程中，毛状纤维素纳米晶体，即源自纤维素原纤维的纳米粒子，选择性地与钕离子结合，将它们与其他离子(如铁、钙和钠)分开。纳米粒子被称为“毛状”，因为纤维素链连接在它们的两端，执行关键的化学功能。

为此，研究人员使纳米颗粒的毛层带负电，以吸引带正电的钕离子并与之结合，从而使颗粒聚集成更大的碎片，然后可以有效地回收和再利用。

“该过程在去除能力、选择性和速度方面是有效的，”Sheikhi 说。“它可以通过从一些测试杂质中选择性地去除元素来在几秒钟内分离钕。”

当前难得的土元素的回收过程对环境有害的，根据Sheikhi。他们经常使用强酸性条件来提取化学反应中的元素。Sheikhi 的工艺对环境友好，因为它使用纤维素，这是一种廉价的可再生资源。传统的采矿过程既危险又昂贵，露天采矿会对环境造成有害影响。

“使用纤维素作为主要成分是一种可持续的、具有成本效益的清洁解决方案，”Sheikhi 说。“通过这个过程，将能够与中国等其他大国竞争回收稀土材料并独立生产。”

据 Sheikhi 称，中国是钕的主要出口国，出口了全球 70% 以上的材料。

除了电子垃圾之外，还可以从不再使用的工业废水、采矿尾矿和永磁体中提取钕等稀土元素。未来，Sheikhi 说他希望基于纤维素的吸附过程也可以应用于这些来源。

“对稀土回收的这种贡献将对多个行业产生战略性和经济上可行的影响，”Sheikhi 说。“我们回收的钕越多，我们就越能制造电动和混合动力汽车以及风力涡轮机，从而减少对环境的压力。”