Ученые изобретают новые и более экологичные способы повторного использования этих ценных металлов.
Наша современная жизнь зависит от металлов, известных как редкоземельные. К сожалению, эти элементы настолько широко используются, что однажды их может не хватить для удовлетворения потребностей общества.
Благодаря своим особым свойствам эти 17 металлов стали определяющими для высокопроизводительной вычислительной техники, мобильных телефонов и другой электроники. Они используются в компактных люминесцентных лампах, в медицинских аппаратах, лазерных установках, мощных магнитах, волоконной оптике и пигментах. Они есть даже в аккумуляторных батареях электромобилей. Эти элементы также являются пропуском к благоприятному климату будущего с низким или нулевым уровнем выбросов углерода.
В 2021 году в мире было добыто 280 000 тонн редкоземельных металлов. Это примерно в 32 раза больше, чем в середине 1950-х годов. По оценкам экспертов, к 2040 году, нам потребуется в семь раз больше ископаемых, чем мы используем сегодня.
Не существует хороших заменителей для большинства видов работ, которые выполняют редкоземельные металлы. Поэтому удовлетворить наш аппетит к этим металлам будет нелегко. Они не встречаются в богатых месторождениях. Поэтому, чтобы добыть их, шахтеры должны выкопать огромное количество руды. Затем компании должны использовать сочетание физических и химических процессов для концентрирования металлов и отделить их.
Эти процессы потребляют много энергии. Они также грязные и используют токсичные химикаты. Еще одна проблема: Китай - почти единственное место, где добывают и перерабатывают эти металлы. В настоящее время, например, во всех Соединенных Штатах есть только один действующий рудник по добыче редкоземельных металлов.
Все это объясняет, почему исследователи стремятся переработать эти металлы. Переработка "будет играть очень важную и центральную роль", - говорит Икенна Нлебедим. Он специалист по материаловедению в Институте критических материалов Министерства энергетики. (Им руководит Национальная лаборатория Эймса в Айове).
По словам Нлебедима, в течение 10 лет переработка может удовлетворить до одной четвертой потребности в редкоземельных металлах. Если это действительно так, говорит он, это будет "огромным".
В Соединенных Штатах и Европе принято перерабатывать от 15 до 70 процентов широко используемых металлов, таких как сталь. Однако, сегодня перерабатывается лишь около 1 процента редкоземельных элементов, содержащихся в старых изделиях, отмечает Саймон Джоветт (геолог, работает в Университете штата Невада, Лас-Вегас).
"Медная проводка может быть переработана в большее количество медной проводки. Сталь можно переработать в большее количество стали", - говорит он. Но многие редкоземельные продукты "не очень пригодны для вторичной переработки".
Почему? Часто они смешиваются с другими металлами. Разделить их снова может быть весьма затруднительно. В некотором смысле переработка редкоземельных металлов из выброшенных предметов является примерно такой же сложной задачей, как их извлечение из руды и переработка.
При переработке редкоземельных ископаемых, как правило, используются опасные химикаты, такие как соляная кислота. При этом также потребляется много тепла - и, следовательно, много энергии. И эти усилия могут привести к извлечению лишь небольшого количества металла.. Например, жесткий диск компьютера может содержать всего несколько граммов (одну каплю) редкоземельных металлов. В некоторых изделиях может содержаться лишь тысячная доля этого металла.
Но ученые пытаются разработать более эффективные способы к переработке, чтобы уменьшить потребность добычи большего количества этих металлов.
От бактерий до солей и дробления
Один из подходов заключается в привлечении микробов. Бактерии Глюконобактер естественным образом производят органические кислоты. Эти кислоты могут извлекать редкоземельные элементы - такие как лантан и церий - из использованных катализаторов или люминофоров, которые заставляют светиться люминесцентные лампы. По словам Ёсико Фудзито, бактериальные кислоты менее вредны для окружающей среды, чем другие кислоты, которые выделяют щелочные металлы. Она работает биогеохимиком в Национальной лаборатории в штате Айдахо, Айдахо-Фолс.
В экспериментах эти бактериальные кислоты извлекают лишь от четверти до половины редкоземельных элементов из катализаторов и люминофоров. Это не так хорошо, как соляная кислота, которая в некоторых случаях может извлекать до 99 процентов. Но, как сообщают Фудзито и ее коллеги, биологический подход все же может стоить затраченных усилий.
Другие бактерии также могут помочь в добыче редкоземельных элементов. Несколько лет назад исследователи обнаружили, что некоторые микробы производят белок, который может захватывать редкие земли. Этот белок может отделять редкоземельные элементы друг от друга - например, неодим от диспрозия, используемого во многих магнитах. Такая система может избежать необходимости использования многих токсичных растворителей. А отходы, остающиеся после этого процесса, будут подвергаться биологическому разложению.
Другая новая технология использует соли меди, а не кислоты, для извлечения редкоземельных элементов из выброшенных магнитов. Неодимовые магниты, состоящие из сплава неодима, бора и железа, являются крупнейшим потребителем редкоземельных металлов. Редкоземельные элементы составляют почти треть по весу этих магнитов. В течение семи лет переработка неодима из неодимовых магнитов, используемых в американских жестких дисках, может удовлетворить около 5 процентов мирового спроса на этот металл (за пределами Китая).
Нлебедим возглавлял группу, которая разработала метод, использующий соли меди для выщелачивания редких земель из магнитов в измельченной электронике. Этот процесс также использовался для обработки остатков от изготовления магнитов. Там удавалось извлечь от 90 до 98 процентов редкоземельных металлов. Команда Нлебедима представила доказательства, что извлеченные металлы достаточно чисты для изготовления новых магнитов. Их процесс также может быть более благоприятным для климата. По сравнению с одним из основных способов добычи и переработки редкоземельных металлов в Китае, использование медно-солевого метода менее чем в два раза уменьшит выбросы углекислого газа.
Компания TdVib из штата Айовы только что построила экспериментальную установку для использования этого медно-солевого процесса. Ее цель - производство двух тонн оксидов редкоземельных элементов в месяц. Она будет перерабатывать редкоземельные металлы из старых жестких дисков из центров сбора и обработки данных.
Noveon Magnetics - это компания в Сан-Маркосе, штат Техас. Она уже производит переработанные неодимовые магниты. После размагничивания и очистки выброшенных магнитов, компания измельчает металл в порошок. Этот порошок используется для изготовления новых магнитов. Здесь нет необходимости сначала извлекать и отделять редкоземельные элементы. Конечный продукт может более чем на 99 процентов состоять из переработанных магнитов.
По сравнению с обычным способом изготовления неодимовых магнитов, этот метод сокращает потребление энергии примерно на 90 процентов, сообщили исследователи в статье 2016 года. По оценкам компании Noveon, при этом выделяется в два раза меньше углекислого газа - парникового газа.
Сбор продуктов для вторичной переработки остается проблемой
Во многих населенных пунктах существуют программы по сбору металла, бумаги или стекла для вторичной переработки. По словам Фудзито из Национальной лаборатории Айдахо, ничего подобного не существует для сбора мусора, содержащего редкоземельные элементы. Прежде чем начать переработку редкоземельных металлов, необходимо добраться до тех кусочков, которые содержат ценные металлы.
Компания Apple начала работу по утилизации некоторых видов электроники. Их робот Daisy может разбирать iPhone, а в прошлом году Apple анонсировала пару роботов - Taz и Dave - которые помогают в переработке редкоземельных элементов. Taz может собирать модули, содержащие магниты, которые обычно теряются при измельчении электроники. Dave может извлекать магниты из других частей айфонов.
Тем не менее, было бы гораздо проще, если бы компании просто разрабатывали продукцию таким образом, чтобы ее было легко перерабатывать, говорит Фудзито.
Но независимо от того, насколько эффективна переработка отходов, Джоветт не видит необходимости наращивать добычу полезных ископаемых. Потребность общества в редкоземельных элементах слишком велика - растет. Однако он согласен с тем, что переработка необходима. "Лучше попытаться извлечь все, что можно, - говорит он, - чем просто выбрасывать это на свалку"
Перевод статьи с сайта ScienceNewsExplores