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ETH 博士生 Marie Perrin 介紹新的回收方法。她左手拿著熒光燈形式的原材料，右手拿著可以分離稀土金屬的黃色試劑。圖片來源：Fabio Masero / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

科學(xué)家們正在開發(fā)一種受大自然啟發(fā)的工藝，它能從舊熒光燈中有效回收銪。這種方法可以實(shí)現(xiàn)人們期待已久的稀土金屬回收。

• 一種小分子在酶中天然地成為金屬的結(jié)合位點(diǎn)，事實(shí)證明它也有助于分離某些稀土金屬。

• 在概念驗(yàn)證中，該工藝直接從廢舊節(jié)能燈的熒光粉中提取銪，提取量遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法。

• 研究人員目前正在努力將他們的方法推廣到其他稀土金屬。他們正在創(chuàng)辦一家新公司，將這些原材料的回收利用付諸實(shí)踐。

不過，稀土金屬的提取也很關(guān)鍵。它們總是以化合物的形式存在于天然礦石中，但由于這些元素的化學(xué)性質(zhì)非常相似，因此很難分離。因此，傳統(tǒng)的分離工藝非常耗費(fèi)化學(xué)和能源，而且需要多個(gè)提取步驟。這就使得這些金屬的提取和提純變得昂貴、耗費(fèi)資源和時(shí)間，并且對(duì)環(huán)境極為有害。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授維克多-穆格爾（Victor Mougel）說："稀土金屬在歐洲幾乎得不到回收利用。Mougel 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)希望改變這種狀況。"這位化學(xué)家說："目前迫切需要一種可持續(xù)的、簡(jiǎn)單易行的方法，從各種來源中分離和回收這些具有戰(zhàn)略意義的原材料。"

在最近發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上的一項(xiàng)研究中，研究小組提出了一種令人驚訝的簡(jiǎn)單方法，可以從包括其他稀土金屬在內(nèi)的復(fù)雜混合物中高效分離和回收稀土金屬銪。

靈感來自大自然

穆格爾研究小組的博士生瑪麗-佩林（Marie Perrin）是這項(xiàng)研究的第一作者，她解釋說："現(xiàn)有的分離方法基于數(shù)百個(gè)液液萃取步驟，效率低下--迄今為止，銪的回收利用還不切實(shí)際"。他們?cè)谘芯恐姓故玖艘环N簡(jiǎn)單的無機(jī)試劑如何顯著改善分離效果。Perrin說："這使我們能夠通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟獲得銪，而且銪的數(shù)量比以前的分離方法至少高出50倍。"

這種技術(shù)的關(guān)鍵可以在鎢或鉬周圍具有四個(gè)硫原子的無機(jī)小分子中找到：Tetrathiometallates。研究人員的靈感來自蛋白質(zhì)世界。Tetrathiometallates是天然酶中金屬的結(jié)合位點(diǎn)，可作為抗癌和銅代謝紊亂的活性物質(zhì)。

Tetrathiometallates現(xiàn)在首次被用作分離稀土金屬的配體。它們獨(dú)特的氧化還原特性在此發(fā)揮了作用，將銪還原為不尋常的二價(jià)態(tài)，從而簡(jiǎn)化了與其他三價(jià)稀土金屬的分離。

快速回收熒光燈中的銪。資料來源：Marie Perrin / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

實(shí)際應(yīng)用和環(huán)境影響

穆格爾說："這一原理非常高效和強(qiáng)大，我們可以直接將其應(yīng)用于廢舊熒光燈，而無需通常的預(yù)處理步驟。"

電子廢物是稀土金屬的一個(gè)重要來源，但尚未得到充分利用。穆格爾說："如果能開發(fā)利用這一資源，瑞士目前送往國(guó)外填埋的燈具廢料就可以在瑞士國(guó)內(nèi)回收利用。這樣，燈具廢料就可以成為銪的城市礦山，使瑞士減少對(duì)進(jìn)口的依賴。"

過去，銪主要用作熒光燈和平板顯示器的熒光粉，因此市場(chǎng)價(jià)格較高。隨著熒光燈逐漸被淘汰，需求也隨之下降，因此以前的銪回收方法在經(jīng)濟(jì)上不再可行。然而，更有效的分離策略是可取的，并有助于利用大量廉價(jià)的熒光燈廢料，其稀土金屬含量比天然礦石高出約 17 倍。

戰(zhàn)略性回收工作

因此，在產(chǎn)品壽命結(jié)束時(shí)回收稀有金屬并使其繼續(xù)流通就顯得更加迫切--但歐盟的稀土元素回收率仍低于 1%。

原則上，稀土金屬的任何分離工藝都可用于從礦石中提取和從廢料中回收。不過，研究人員在使用他們的方法時(shí)，特意將重點(diǎn)放在原材料的回收利用上，因?yàn)檫@在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上都更有意義。"我們的回收方法比所有從礦石中提取稀土金屬的傳統(tǒng)方法都更加環(huán)保，"穆格爾說。

新企業(yè)和商業(yè)化

研究人員已為他們的技術(shù)申請(qǐng)了專利，并正在成立一家名為 REEcover 的新公司，以便將來將其商業(yè)化。目前，他們正致力于將分離工藝應(yīng)用于其他稀土金屬，如磁鐵中的釹和鏑。如果這項(xiàng)工作取得成功，瑪麗-佩蘭希望在博士畢業(yè)后成立這家新公司，并在實(shí)踐中建立稀土金屬的回收利用。

編譯自/ScitechDaily