محققان یک رویکرد کارآمدتر و تمیزتر برای استخراج عناصر نادر زمین ایجاد می کنند

یک پیشرفت جدید در علم می تواند تغییر شکل دهد که چگونه عناصر نادر زمین از هم جدا ، استخراج و مورد استفاده مجدد قرار می گیرند-چیزی که در مسابقه برای انرژی سبز و تولید فناوری پیشرفته بسیار مهم است. این عناصر فلزی ، حیاتی برای برق وسایل نقلیه برقی ، تلفن های هوشمند ، توربین های بادی و چراغ های کارآمد با انرژی ، جداسازی بسیار دشوار است. اما محققان دانشگاه تگزاس در آستین روش جدیدی ایجاد کرده اند که ممکن است همه چیز را تغییر دهد.

عناصر نادر زمین ، که اغلب به آن REES گفته می شود ، گروهی از ۱۷ فلز از جمله لانتانیدها ، اسکاندیوم و yttrium هستند. با وجود این نام ، آنها به خصوص در پوسته زمین نادر نیستند. آنچه آنها را “نادر” می کند این است که جدا کردن آنها از یکدیگر چقدر سخت است. آنها تقریباً به همان اندازه و خاصیت شیمیایی دارند. در آب ، شعاع یونی آنها تقریباً در حدود ۰.۰۲ نانومتر متفاوت است.

روشهای جداسازی سنتی به فرآیندهای طولانی و پرهزینه متکی هستند. اینها اغلب از حلال های سمی و مقادیر زیادی انرژی استفاده می کنند. از همه بدتر ، آنها زباله های مضر ایجاد می کنند. به عنوان مثال ، استخراج یوروپیوم و تربیم – دو عناصر نادر زمین میانه – مراحل شیمیایی متعدد است. هر مرحله هزینه و آلودگی را اضافه می کند. این روشها همچنین برای بازیابی REE از الکترونیک بازیافت شده و زباله های صنعتی تلاش می کنند.

تقاضای فعلی برای REE ، به ویژه مواردی که برای فناوری سبز بسیار مهم است ، به سرعت در حال افزایش است. وزارت انرژی ایالات متحده و کمیسیون اروپا عناصری مانند یوروپیوم و تربیم را به دلیل عرضه محدود و افزایش مصرف آنها به عنوان ریسک بالا مشخص کرده است. تقاضا می تواند بیش از ۲۶۰۰ ٪ تا سال ۲۰۳۵ پرش کند. این نیاز فوری به روشهای تمیزتر ، ارزان تر و کارآمدتر برای به دست آوردن این مواد ایجاد می کند.

این جایی است که تیم از آستین وارد می شود. الهام بخش از نحوه انتقال سلول های زنده یون ها ، محققان کانال های غشای مصنوعی را توسعه دادند. این کانال ها مانند دروازه بان های کوچک عمل می کنند. آنها در یونهای خاص اجازه می دهند و بقیه را مسدود می کنند. در زیست شناسی ، این انتخاب برای سیگنال های مغز و حرکت عضلات مهم است. اکنون از آن برای استخراج Rees استفاده می شود.

کانال های مصنوعی با استفاده از ساختاری به نام ستون ساخته شده اند. دانشمندان این مولکول حلقه شکل را با اتصال لیگاند های دیفنیل فسفین (DPP) اصلاح کردند. این زنجیره های جانبی طولانی به کانال کمک می کنند تا یونهای خاص را بشناسد و حمل کند. نتیجه؟ یک فیلتر با تکنولوژی بالا که فقط به عناصر خاکی نادر میانه مانند اروپا (Eu³⁺) و Terbium (TB³⁺) اجازه می دهد.

مانیش کومار ، استاد دانشکده مهندسی Cockrell UT آستین گفت: “با الهام از دنیای طبیعی ، ما می خواستیم توانایی زیست شناسی را برای جابجایی یون ها با دقت شدید کپی کنیم.” کومار بیش از پنج سال را صرف توسعه این سیستم کرده است. آزمایشگاه وی در زمینه فناوری غشای ، به ویژه برای آب تمیز تخصص دارد.

نتایج چشمگیر است. در آزمایشات آزمایشگاهی ، کانال های غشای مصنوعی بیش از ۴۰ برابر انتخاب بیشتر برای اروپا از Lanthanum ، یک عنصر سبک کمیاب زمین نشان داد. این کانال ها همچنین به نفع یوروپیوم از Ytterbium ، سنگین تر ، با ضریب ۳۰. Terbium انتخاب حتی قوی تری نشان داد: ۱۴۰ برابر بیشتر از لانتانوم ، ۷۲ برابر بیشتر از Ytterbium و تقریباً ۶۰ برابر بیشتر از Neodymium.

برای مقایسه ، روشهای حلال سنتی اغلب به نسبت انتخاب فقط ۳ تا ۵ در هر مرحله می رسند. این بدان معناست که ده ها مرحله برای جداسازی یک عنصر واحد مورد نیاز است. این کانال های جدید می توانند در یک مرحله کاری انجام دهند که قبلاً وقت ، پول و انرژی صرفه جویی می کردند.

Venkat Ganesan ، استاد مهندسی شیمی که در این تحقیق درگیر است ، گفت: “طبیعت هنر حمل و نقل انتخابی را از طریق غشاهای بیولوژیکی کامل کرده است.” “این کانال های مصنوعی مانند دروازه بان های ریز و درشت هستند و فقط به یون های مورد نظر اجازه می دهند تا از آن عبور کنند.”

بنابراین چه چیزی به این کانال ها لبه خود را می دهد؟ به آب می آید. با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی ، این تیم کشف کرد که این کانال ها به تعامل با واسطه آب متکی هستند. هنگامی که یونهای نادر زمین در آب هستند ، آنها توسط هشت یا نه مولکول آب احاطه شده اند. نحوه تعامل هر یون با این آبها کمی متفاوت است. این تفاوت های ظریف برای کانال کافی است که آنها را از هم جدا کند.

لیگاند های DPP در داخل کانال فضای باریک ایجاد می کنند. فقط یون ها با اندازه مناسب و پوسته آب مناسب هستند. اگر مسابقه کامل نباشد ، یون رد می شود. دستیابی به این نوع دقت با حلال ها ، حتی در هنگام استفاده از لیگاند های شیمیایی پیشرفته ، دشوار است.

این کانال ها همچنین یونهای مشترک دیگر از جمله پتاسیم ، سدیم ، کلسیم و منیزیم را مسدود می کنند. این یک لایه دیگر از انتخاب را اضافه می کند و این روش را برای بازیابی REE از زباله ها ، جایی که بسیاری از یونهای مختلف وجود دارد ، مفید می کند.

اگرچه این کار بر روی اروپا و Terbium متمرکز است ، این تیم پتانسیل بیشتری را می بیند. همین فناوری کانال می تواند با هدف سایر عناصر مهم مانند لیتیوم ، کبالت ، گالیم و نیکل سازگار باشد. اینها همچنین برای باتری ها و الکترونیک بسیار حیاتی هستند و با خطرات عرضه مشابهی روبرو هستند.

کانال های مصنوعی برای استفاده در سیستم های غشای مقیاس پذیر طراحی شده اند. این بدان معناست که صنایع می توانند به جای دسته بندی هایی مانند روشهای تبادل یونی فعلی ، از آنها به طور مداوم استفاده کنند. این تغییر می تواند پردازش REE را ساده تر کرده و اعتماد به نفس تأمین کنندگان خارجی را کاهش دهد ، ضمن کاهش هزینه های زیست محیطی.

Harekrushna Behera ، همکار تحقیقاتی در آزمایشگاه کومار گفت: “این اولین گام در جهت ترجمه شناخت پیشرفته مولکولی طبیعت و استراتژی های حمل و نقل به فرآیندهای صنعتی قوی است.” “این انتخاب را به تنظیماتی که در آن روش های فعلی کوتاه می شوند ، به ارمغان می آورد.”

دانشمندان گزینه های دیگری را برای جداسازی REE ، از جمله مایعات یونی و جاذب های جامد مانند چارچوب های فلزی-آلی (MOF) و چارچوب های ارگانیک کووالانسی (COF) بررسی کرده اند. در حالی که اینها مزایایی را ارائه می دهند ، آنها اغلب از لیگاند های شیمیایی سنتی استفاده می کنند. این امر چقدر خوب می تواند عناصر مشابه را از هم جدا کند.

در مقابل ، کانال های بیومیمی یک استراتژی تازه ارائه می دهند. آنها به جای میل شیمیایی ، به شکل ، تعامل آب و تناسب مولکولی متکی هستند. این درهای جدیدی را برای ساخت فناوری جداسازی بیشتر شبیه به زیست شناسی – کارآمد ، جمع و جور و تمیز باز می کند.

تیم کومار امیدوار است سکویی بسازد که به صنایع اجازه می دهد یونها را برای بهبودی انتخاب کنند. این نوع سفارشی سازی می تواند به رفع کمبود در بسیاری از بخش ها کمک کند. با ساخت الکترونیک بیشتر و دستگاه های بیشتری از بین می روند ، داشتن راه های بهتری برای بازپس گیری این فلزات فقط مفید نیست بلکه ضروری است.

این اثر که در ACS Nano منتشر شده است ، توسط بخش های مختلفی در UT Austin ، از جمله گروه مهندسی عمران ، معماری و محیط زیست Fariborz Maseeh ، گروه مهندسی شیمی مک کیتا و گروه شیمی در دانشکده علوم طبیعی پشتیبانی می شود. مشارکت کنندگان شامل Tyler J. Duncan ، Laxmicharan Samineni ، Hyeonji OH ، Ankit Jogdand ، Arnav Karnik ، Raman Dhiman ، Aida Fica و Tzu-Yun Hsieh هستند.

اگر این فناوری فراتر از آزمایشگاه و به کارخانه ها حرکت کند ، می تواند بازنویسی کند که چگونه زمین های نادر برداشت می شوند – از معدن سازی تا بازیافت – راه را برای آینده ای پاک تر و پایدارتر می کند.