深圳环保~我国科学家从电子废物和煤灰中提取稀土元素

“论文宣布后，多家公司找咱们商议或许的协作，其间就有微柔和通用等公司。要想真实完成工业化运用，光有实验室研讨必定不行，需求工业界的介入和继续的投入。”现在正在美国莱斯大学做博后研讨的邓兵表明。

图 | 邓兵(来历：邓兵)

最近，他发明晰一种从电子废物中提取稀土金属的新技能。电子消费的快速增加，使得电子废物成为增加速度最快的固体抛弃物，每年产出量均超越 50 万吨，只要完成废物再运用，才干更好维护地球。

关于该技能，Science 点评称：“当化学家们力争上游地寻觅从工业废料和抛弃电子产品中收回有价值金属的办法时，一个团队发现了一个听起来有点像戏法的处理方案：用电热亮光来消除废物。”

2月9日，宣布在 Science Advances 的论文《废物中的稀土元素》(Rare earth elements from waste)介绍了上述技能，邓兵担任榜首作者。

电力本钱大约 12美元每吨，已完成公斤等级的制备

作为一种要害性原资料，稀土金属在现代电子、催化、清洁动力等范畴具有广泛用处。其重要性在于，把它添加到其他主体资料里可进步产品质量和功能，故被称为 “工业味精” 。

例如，在结构资料上，稀土可大起伏进步铝合金、镁合金、钛合金的机械功能;在石油化工上，稀土制成的分子筛催化剂可代替硅酸铝催化剂;在陶瓷上，稀土对超导陶瓷、压电陶瓷、导电陶瓷等范畴奉献丰厚;此外，稀土仍是重要的磁性资料。

比较铜、铝等年产数千万吨的大规划运用型金属资料，稀土金属算是一种 “小众” 金属，全球全年产值只要几十万吨。一起，我国又是稀土出产大国，现在的总产值占全球总产值 50% 以上。

稀土采矿往往会构成必定的环境污染。近年有剖析发现[2]，2015 年我国稀土挖掘的环境本钱到达148亿美元，尽管这种现象正在得到改进，比方通过进步挖掘功率、以及选用更洁净的别离萃取手法，来减小稀土采矿构成的环境价值。

因而，作为一种弥补性代替办法，从大规划固体抛弃物中收回要害金属元素，是完成要害资源可继续获取和循环经济的重要途径。例如，从电子废物中收回贵金属也就是“城市采矿(urban mining)”，越来越遭到重视。

三类大规划固体抛弃物可用于稀土金属的收回：榜首种是煤飞灰、即煤焚烧后剩余的固体残渣;第二种是赤泥，又名铝土残渣，是工业炼铝的尾矿;第三种是电子废物。每年，这几类固体抛弃物的全球出产值都在数百万吨以上。

这三类抛弃物中的稀土金属含量都比较大，从这些固体抛弃物中收回要害金属资料的长处在于：一方面可缓解耗费不行再生资料构成的资源危机，另一方面又能处理固体抛弃物排放构成的环境压力。

该作业根据邓兵地点课题组之前开发的一种电热办法。其地点的莱斯大学纳米科学与技能中心詹姆斯·托尔(James Tour)教授团队，曾于 2020 年初次提出亮光焦耳热的办法，能把简直任何含碳的前驱体快速转化为高质量石墨烯[3]。

比较传统加热办法，该办法选用超短脉冲电流直接给样品加热，所需能耗极低，焦耳热的热转化功率为 100%，能快速到达 3000°C 的超高温度，且具有超快升温文超快降温等特色。比方，他们已将其用于相关资料的制备。

此外，他们也正将这种共同的电热进程用于废物办理等范畴，这对环境维护和循环经济开展来说十分重要。现在，该团队已成功将塑料、橡胶等转化为石墨烯[4]。

参加该团队后，邓兵提出将高效电热办法用于要害金属资料的循环收回运用。在这儿，他经手的榜首个课题是从电子废物中收回金、银、钯、铂等贵金属[5]。

该办法发生的温度足够高，这使得金属具有高的蒸汽压，结合冶金中常用的氯化进程，他提出了一种全新的蒸腾别离的概念，完成了电子废物中贵金属的高效收回，一起也可除掉有害重金属[5]。

尔后，鉴于稀土金属的重要性，邓兵转做这类金属的收回。期间，他得悉煤飞灰这种固体抛弃物中含有较高含量的稀土金属。

煤飞灰是煤焚烧之后剩余的副产品，其首要成分是一系列的氧化物，例如 SiO2、Al2O3、Fe2O3 等。全球每年因为煤焚烧发生的煤飞灰到达 750000000 吨，所带来的环境问题十分严峻。

“而且这个问题或许在我国愈加急迫，因为我国是国际上燃煤最多的国家。煤飞灰中的稀土金属是痕量金属，含量大约在 500ppm。因为 SiO2、 和 Al2O3 的存在，煤焚烧的进程中会构成玻璃态，稀土金属许多都包埋在这些玻璃态里边;此外，稀土元素首要以磷酸盐的方式存在于煤飞灰中，而磷酸盐是一种很安稳、难溶的化合物。”邓兵指出。

鉴于上述两个原因，这时选用矿藏酸浸出的办法，所带来的稀土金属收回功率十分低。例如，选用浓 HNO3 只能完成约 30% 的浸出功率[6]。

而在本次办法中，他把煤飞灰和导电炭黑混合，然后通上 1 秒钟的大约为 120V 的短时高脉冲电压。脉冲电压会给煤飞灰质料带来热震动，使其瞬时温度高达 3000°C 并快速降到室温。

邓兵发现，比较于直接浸出煤飞灰质料，通过电热活化的煤飞灰中稀土元素的收回功率进步了约一倍;即便选用酸度低至 pH=1 的弱酸，也能完成 50%–90% 的收回功率。

随后，他对浸出功率进步的机理进行了深入研讨。稀土磷酸盐是一类首要的稀土矿藏方式，而磷酸盐是一种热力学上很安稳的化合物，其热解温度一般在 2500°C 以上，在 1300°C~1700°C 的煤焚烧温度下不能将其热解。

因而，煤飞灰中的稀土元素首要以稀土磷酸盐的方式存在，这导致浸出功率遭到限制。而在超高温电热活化进程中，稀土磷酸盐可被分解为极易溶的稀土氧化物或被碳热还原为稀土金属，然后可明显进步热力学溶解度。

另一方面，这种超快的电热办法具有极快的升温速度和降温速度。这样的长处是，在超快升温文降温进程中，玻璃态的煤飞灰质料会因热应力而碎裂，然后暴露出稀土金属，借此从动力学视点进步稀土的浸出功率。

完成该办法在煤飞灰原资料中的运用之后，邓兵也在探究相关通用性，因而他开端测验铝土矿渣和电子废物。

铝土矿渣是工业炼铝后留传的尾矿，每出产 1 吨铝，会发生 1.5 吨铝土矿渣。因为铝金属的大规划运用，现在全国际现已堆集了 30 多亿吨铝土矿渣，且每年仍以 150 万吨的速度增加。如前文所述，电子废物的产值亦是巨大。

研讨中，邓兵发现通过亮光焦耳热的处理，也可加速从这两种资料中提出稀土金属。就铝土矿渣来说，他以为其机理与煤飞灰相似，要点在于对稀土磷酸盐进行热解。

而关于电子废物，因为现在的电子出产工艺一般选用平面加工，稀土金属一般包覆在一层层的塑料或许陶瓷里边。而电加热进程可有用粉化这种层状的结构，然后可进步稀土金属与浸出剂的触摸，终究进步收回功率。

此外，邓兵也调研了技能本钱。亮光焦耳热具有超快、直接加热的长处，这使其具有较低的功耗，大约为 600kWh ton-1，折算为工业电力本钱大约 12 美元每吨。在实验室规划的可批量制备上，现在已能完成公斤等级的制备。

本科和直博均结业于北大，预备请求回国作业

该研讨归于概念验证型作业，如能处理相关工业化问题，例如高质量质料来历、批量制备、稀土别离等，则有望从固体抛弃物中完成稀土的高效收回运用，然后成为现在稀土采矿的有用弥补，并为战略资料的可继续获取供给新手法。

此外，该办法也完成了固体抛弃物的再运用，然后削减了填埋或遗弃对环境的损坏，而且关于环境修正和抛弃物消除也有必定价值。

没有任何效果能够一蹴即至。研讨中，让邓兵首要感到扎手的就是怎么获取这些固体抛弃物。尽管全球已有数千万吨、甚至上亿吨的抛弃物堆集，但作为一个资料研讨课题组，此前并未做过相似研讨，故在一开端就遇到难以获取抛弃物的问题，不过好在有协作者乐意供给。

另一难题则是抛弃物的办理、以及原资料的循环收回，从技能视点来看看似“低端”，但其实十分重要。就资料出产和运用而言，邓兵信任未来的资料工业应该完成“出产-运用-收回-再出产”的闭环，即削减对新的挖掘的需求、完成彻底的零排放。

可是，当时的大都资料研讨均集中于出产端，资料收回的技能也大都根据传统技能，科学上的开展缺席已久。所幸的是，许多研讨者乐意“get their hands dirty”，为可继续开展和循环经济做出尽力。

接下来，他以为以下三方面需求进一步研讨。

榜首，要找到适宜的质料来历。和稀土矿比较，固体抛弃物中的稀土元素含量要低许多，这导致稀土收回的经济效益难以与传统矿采职业比美。因而，寻觅高稀土含量的固体抛弃物，是完成经济效益的要害。

第二，研制开发稀土别离的技能。稀土出产中最困难的是稀土别离，这儿开展的办法得到的仍是稀土混合物，只能算是“中心产品”，怎么选用现在已有技能例如溶剂萃取办法，去别离混合物并得到单一的稀土产品是眼下的燃眉之急。

广告

第三，要完成批量化的制备。邓兵地点实验室现在能完成公斤等级的制备，虽然这对研讨型实验室来说现已十分多，但关于真实的大规划抛弃物处理还仅仅一个开端。

正如前面所说，每种固体抛弃物都有数亿吨、或数十亿吨的堆集量。因而，进一步扩大该技能在实际国际中的运用，是重中之重。

据介绍，邓兵是湖南岳阳人，本科和博士均结业于北京大学化学与分子工程学院，师从彭海琳教授和刘忠范院士，首要从事高质量石墨烯薄膜的化学气相堆积制备和批量制备配备的研制。

2019-2020 年，他在哈佛大学进行博士后研讨，首要从事超高通道柔性神经电极的制备，以及在体神经信号的记载和调制，导师为查尔斯·利伯(Charles Lieber)教授。

2020 至今在莱斯大学从事博士后研讨，首要从事超快非平衡进程用于资料亚稳相态的操控制备，以及超高温技能在抛弃物办理和要害原资料循环获取方面的运用。现在方案请求回国作业。