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皓天鑫
麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)的新加工方法可以幫助緩解從電話到汽車電池等一切設(shè)備的基本金屬的迫在眉睫的短缺，因為它使從礦石和回收材料中分離出這些稀有金屬變得更加容易。
冶金學(xué)教授Antoine Allanore和他的研究生Caspar Stinn在一個叫做硫化的化學(xué)過程中進行了選擇性調(diào)整，他們成功地瞄準(zhǔn)了混合金屬材料中的稀有金屬如鋰離子電池中的鈷并將其分離出來。
正如他們在《自然》上報告的那樣，他們的處理技術(shù)允許金屬保持固體形式并在不溶解材料的情況下進行分離。這避免了需要大量能源的傳統(tǒng)但昂貴的液體分離方法。研究人員為56種元素制定了處理條件并在15種元素上測試了這些條件。
他們在論文中指出，他們的硫化方法可以將金屬分離的資本成本從混合金屬氧化物中降低65%到95%。另外，跟傳統(tǒng)的基于液體的分離相比，他們的選擇性處理還可以減少60%到90%的溫室氣體排放。
“我們很高興能找到用水量和溫室氣體排放量非常高的工藝的替代品，如鋰離子電池回收、稀土磁鐵回收和稀土分離.這些都是為可持續(xù)性應(yīng)用制造材料的過程，但這些過程本身是非常不可持續(xù)的，”Stinn說道。
這些發(fā)現(xiàn)為緩解對鈷、鋰和稀土元素等小金屬日益增長的需求提供了一種方法。據(jù)悉，這些小金屬被用于電動汽車、太陽能電池和發(fā)電風(fēng)車等“清潔”能源產(chǎn)品中。根據(jù)國際能源署(IEA)2021年的一份報告，自2010年以來，隨著使用這些金屬的可再生能源技術(shù)的擴大，一個新發(fā)電能力單位所需的礦物的平均數(shù)量已經(jīng)上升了50%。
選擇性的機會
十多年來，Allanore小組一直在研究使用硫化物材料來開發(fā)新的金屬生產(chǎn)電化學(xué)路線。硫化物是常見的材料，但MIT的科學(xué)家們正在極端條件下對它們進行實驗。極端條件包括諸如非常高的溫度--從800到3000華氏度--這些條件在制造廠中使用，但在一個典型的大學(xué)實驗室中卻沒有。
“我們正在研究非常成熟的材料，其條件跟以前所做的相比是不常見的。這就是為什么我們正在尋找新的應(yīng)用或新的現(xiàn)實，”Allanore說道。
Stinn指出，在合成高溫硫化物材料以支持電化學(xué)生產(chǎn)的過程中，“我們了解到我們可以對我們制造的產(chǎn)品進行非常有選擇性和非常有控制。正是基于這種認識，我們意識到，‘好吧，也許這里有一個選擇性的機會’。”
研究人員利用的化學(xué)反應(yīng)使一種含有混合金屬氧化物的材料發(fā)生反應(yīng)，然后形成新的金屬硫化合物或硫化物。通過改變溫度、氣體壓力及在反應(yīng)過程中加入碳等因素，Stinn和Allanore發(fā)現(xiàn)他們可以有選擇地創(chuàng)造出各種硫化物固體，這些固體可以通過各種方法進行物理分離，其中包括粉碎材料和分揀不同大小的硫化或使用磁鐵將不同的硫化物相互分離。
Stinn表示，目前的稀有金屬分離方法依賴于大量的能源、水、酸和有機溶劑，這些都會對環(huán)境產(chǎn)生昂貴的影響，“我們正試圖使用豐富、經(jīng)濟和容易獲得的材料進行可持續(xù)的材料分離，我們已經(jīng)將這一領(lǐng)域擴大到現(xiàn)在包括硫和硫化物。”
Stinn和Allanore使用選擇性硫化法來分離出經(jīng)濟上重要的金屬，如回收的鋰離子電池中的鈷。他們還利用他們的技術(shù)從稀土硼磁鐵中分離出鏑--一種用于從數(shù)據(jù)存儲設(shè)備到光電子學(xué)等應(yīng)用的稀土元素，或從諸如氟碳鈰礦等采礦礦物的典型氧化物混合物中分離出鏑。
利用現(xiàn)有技術(shù)
Allanore指出，像鈷和稀土這樣的金屬只在開采的材料中少量存在，因此工業(yè)界必須處理大量的材料以檢索或回收足夠的這些金屬從而在經(jīng)濟上是可行的，“很明顯，這些過程是沒有效率的。大多數(shù)排放物來自于缺乏選擇性和它們運行時的低濃度。”
通過消除對液體分離的需求及溶解和再沉淀單個元素所需的額外步驟和材料，MIT研究人員的工藝大大降低了分離過程中所需的成本和產(chǎn)生的排放。
“使用硫化法分離材料的一個好處是，很多現(xiàn)有的技術(shù)和工藝基礎(chǔ)設(shè)施可以被利用，”Stinn表示，“這是在已有的反應(yīng)器樣式和設(shè)備中的新條件和新化學(xué)。”
下一步是證明該工藝可以適用于大量的原材料--如從稀土礦流中分離出16種元素。Allanore表示：“現(xiàn)在我們已經(jīng)表明，我們可以一起處理其中的三個或四個或五個，但我們還沒有以符合部署要求的規(guī)模處理來自現(xiàn)有礦山的實際流。”
據(jù)悉，Stinn和實驗室的同事們已經(jīng)建造了一個反應(yīng)器，每天可以處理約10公斤的原材料，研究人員正在跟幾個公司開始就可能性展開交談。
(原標(biāo)題：MIT開發(fā)出成本更低、排放更少的選擇性稀有金屬分離技術(shù))
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