中国科学家从电子垃圾煤灰提取稀土元素，优化废物回收高能耗难题
最近，他发明了一种从电子垃圾中提取稀土金属的新技术。 消费电子产品的快速增长使电子垃圾成为增长最快的固体废物，年产量超过50万吨。 只有废物再利用，才能更好地保护地球。
关于这项技术，评论称：“当化学家争先恐后地寻找从工业废物和废弃电子产品中回收有价值金属的方法时，一个团队发现了一种听起来有点像魔法的解决方案：使用电热闪光来摧毁垃圾。”
2月9日，该刊发表的论文《废物中的稀土元素》介绍了上述技术，邓兵为第一作者。
图| 相关论文（来源：）
电费每吨约12美元，已实现公斤级备料。
稀土金属作为关键原材料，广泛应用于现代电子、催化、清洁能源等领域。 其重要性在于将其添加到其他主要材料中可以提高产品的质量和性能，因此被称为“工业味精”。
例如，在结构材料中，稀土可以大大提高铝合金、镁合金、钛合金的机械性能； 在石油化工中，稀土制成的分子筛催化剂可以替代硅酸铝催化剂； 在陶瓷方面，稀土具有超导作用，在陶瓷、压电陶瓷、导电陶瓷等领域做出了丰富的贡献。此外，稀土也是重要的磁性材料。
与年产数千万吨的铜、铝等大型金属材料相比，稀土金属被认为是“小众”金属，全球年产量仅为数十万吨。 同时，中国还是稀土生产大国，目前总产量占全球总量的50%以上。
稀土开采往往会造成一定的环境污染。 近年来分析发现[2]，2015年我国稀土开采的环境成本达到148亿美元，尽管这一现象正在得到改善，如通过提高开采效率、采用更清洁的分离提取方法来减少稀土开采造成的环境成本。 环境成本。
因此，作为补充，从大规模固体废物中回收关键金属元素是实现关键资源可持续获取和循环经济的重要途径。 例如，从电子垃圾中回收贵金属，也称为“城市采矿”，受到越来越多的关注。
三类大型固体废物可用于稀土金属的回收：一是粉煤灰，是煤燃烧后留下的固体残渣；二是粉煤灰，是煤炭燃烧后留下的固体残渣。 二是赤泥，也叫铝土矿渣，是工业铝冶炼的尾矿。 矿; 第三类是电子垃圾。 每年，全球此类固体废物的产量超过数百万吨。
这三类废物中稀土金属的含量都比较大。 从这些固体废物中回收关键金属材料的好处是：一方面可以缓解不可再生材料消耗带来的资源危机，另一方面可以解决固体废物的环境压力排放造成的。
这项工作是基于邓兵研究小组先前开发的电热方法。 莱斯大学纳米科学与技术中心的James Tour教授团队于2020年首次提出了闪速焦耳加热方法，该方法可以快速将几乎任何含碳前驱体转化为高质量的石墨烯。 [3]。
与传统加热方法相比，该方法采用超短脉冲电流直接加热样品，所需能耗极低。 焦耳热的热转换效率为100%，可快速达到3000℃的超高温，并具有超快速加热和超快速冷却等特点。 例如，他们已经用它来准备相关材料。
此外，他们还将这种独特的电热工艺应用于废物管理等领域，这对于环境保护和循环经济的发展具有重要意义。 目前，团队已成功将塑料、橡胶等转化为石墨烯[4]。
加入团队后，邓兵提出采用高效电热方法进行关键金属材料的回收利用。 在这里，他处理的第一个主题是从电子废物中回收金、银、钯和铂等贵金属[5]。
这种方法产生的温度足够高，使得金属具有很高的蒸气压。 他结合冶金中常用的氯化工艺，提出了一种新的蒸发分离理念，实现电子垃圾中贵金属的高效回收，同时还可以去除有害重金属[5]。
此后，鉴于稀土金属的重要性，邓兵转向了这些金属的回收利用。 在此期间，他了解到粉煤灰等固体废物中稀土金属含量很高。
粉煤灰是煤炭燃烧后剩余的副产品。 其主要成分是一系列氧化物，如SiO2、Al2O3、Fe2O3等。全世界每年因煤炭燃烧产生数吨粉煤灰，造成严重的环境问题。
“而这个问题在中国可能更为紧迫，因为中国是世界上燃煤最多的国家。煤粉煤灰中的稀土金属属于微量金属，浓度约为稀土金属嵌入在这些玻璃态中；另外，稀土元素主要以磷酸盐的形式存在于粉煤灰中，磷酸盐是非常稳定且不溶的化合物。” 邓兵指出。
鉴于以上两个原因，无机酸浸造成的稀土金属回收效率很低。 例如，使用浓 HNO3 只能实现约 30% 的浸出效率 [6]。
图| 粉煤灰中稀土元素的酸浸（来源：）
在这种方法中，他将粉煤灰和导电炭黑混合，然后施加约120V的短时高脉冲电压1秒。 脉冲电压会给粉煤灰原料带来热冲击，使其瞬时温度高达3000℃，并迅速降至室温。
邓兵发现，与粉煤灰原料直接浸出相比，电热活化后粉煤灰中稀土元素的回收效率约提高一倍； 即使使用酸度低至pH=1的弱酸，也能实现50%-90%的回收效率。
图| 电热活化策略提高稀土金属回收效率（来源：）
随后，他对提高浸出效率的机理进行了深入研究。 稀土磷酸盐是稀土矿物形式的主要类型，磷酸盐是热力学非常稳定的化合物。 其热解温度通常在2500℃以上，在煤燃烧温度1300℃～1700℃下不能分解。 将其热解。
因此，粉煤灰中的稀土元素主要以稀土磷酸盐的形式存在，导致浸出效率有限。 在超高温电热活化过程中，稀土磷酸盐可以分解为高溶解度的稀土氧化物或碳热还原为稀土金属，从而显着提高热力学溶解度。
另一方面，这种超快速电加热方式具有极快的加热和冷却速度。 这样做的优点是，在超快的加热和冷却过程中，玻璃质粉煤灰原料会因热应力而破碎，从而暴露出稀土金属，从而动态地提高稀土的浸出效率。
图| 机理研究（来源：）
在实现该方法在粉煤灰原料中的应用后，邓兵也在探索相关的通用性，于是他开始对铝土矿渣和电子垃圾进行试验。
铝土矿渣是工业铝冶炼后留下的尾矿。 每生产1吨铝，就会产生1.5吨铝土矿渣。 由于铝金属的大量使用，全球已积累了超过30亿吨的铝土矿渣，并且该数量仍在以每年150万吨的速度增长。 如前所述，电子垃圾的产生量也是巨大的。
在研究过程中，邓兵发现，通过闪速焦耳热处理也可以加速从这两种材料中提取稀土金属。 至于铝土矿渣，他认为其机理与粉煤灰类似，重点是稀土磷酸盐的热解。
对于电子垃圾，由于目前的电子生产工艺普遍采用平板加工，稀土金属通常会被塑料或陶瓷层包裹。 电加热过程可以有效粉碎这种层状结构，从而改善稀土金属与浸出剂的接触，最终提高回收效率。
图| 该方法的普遍性（来源：）
此外，邓兵还调查了技术成本。 闪速焦耳热的优点是超快、直接加热，这使得它的功耗很低，大约为ton-1，换算成工业电费约为每吨12美元。 在实验室规模批量制备方面，现已可以实现公斤级制备。
我毕业于北京大学，获得学士学位和直接博士学位，正在准备回国求职。
这项研究是一项概念验证工作。 如果能够解决相关产业化问题，如优质原料来源、批量制备、稀土分离等，有望实现固体废物中稀土的高效回收，成为当前稀土的有效方法。矿业。 补充并提供可持续获取战略物资的新手段。
此外，该方法还实现了固体废物的再利用，从而减少了填埋或废弃对环境的破坏，对于环境修复和废物消除也具有一定的价值。
任何结果都不可能一蹴而就。 研究过程中，邓兵面临的第一个棘手问题是如何获取这些固体废物。 虽然全世界已经积累了数千万吨甚至上亿吨的废弃物，但作为材料研究小组，我们之前并没有做过类似的研究，所以我们从一开始就遇到了废弃物获取困难的问题。 不过，如果有合作者愿意提供的话。
另一个难点是废物管理和原材料回收，从技术角度看可能显得“低端”，但实际上非常重要。 在材料生产和使用方面，邓兵认为，未来材料产业要实现“生产-利用-回收-再生产”的闭环，即减少新开采，实现完全零排放。
然而，目前材料研究大多集中在生产端，材料回收技术大多基于传统技术，长期缺乏科学进展。 幸运的是，许多研究人员愿意“亲自动手”，为可持续发展和循环经济做出贡献。
接下来，他认为以下三个方面需要进一步研究。
首先，寻找合适的原材料来源。 与稀土矿石相比，固体废物中稀土元素的含量要低得多，这使得稀土回收的经济效益难以与传统采矿业竞争。 因此，寻找稀土含量高的固体废物是实现经济效益的关键。
二是稀土分离技术研发。 稀土生产中最困难的是稀土分离。 这里开发的方法仍然得到稀土混合物，只能算是“中间产品”。 如何利用现有的溶剂萃取法等技术将混合物分离并获得单一的稀土产品？ 当务之急。
第三，必须做到批量准备。 邓兵实验室目前可以实现公斤级制剂。 虽然这对于一个研究实验室来说已经很多了，但这只是真正大规模废物处理的开始。
如前所述，各类固体废物累计量达数亿吨、数十亿吨。 因此，进一步放大该技术在现实世界中的应用是当务之急。
据介绍，邓兵是湖南岳阳人。 毕业于北京大学化学与分子工程学院，获学士、博士学位。 师从彭海林教授、刘忠范院士。 主要从事高品质石墨烯薄膜的化学气相沉积制备及批量制备设备的研发。 。
2019年至2020年在哈佛大学进行博士后研究，主要从事超高通道柔性神经电极的制备以及体内神经信号的记录和调制。 他的导师是查尔斯·利伯教授（ ）。
2020年起在莱斯大学从事博士后研究，主要从事材料亚稳相态可控制备的超快非平衡过程，以及超高温技术在废物管理和关键原材料回收利用中的应用材料。 目前正计划申请回中国工作。