Как селективное разделение замещает нехватку металлов

Новый способ обработки редкоземельных и других ключевых металлов для отделения их от других материалов может снизить воздействие на окружающую среду и снизить затраты.

Новые методы обработки, разработанные исследователями Массачусетского технологического института, могут помочь уменьшить надвигающуюся нехватку основных металлов, питающих все, от телефонов до автомобильных аккумуляторов, за счет упрощения отделения этих редких металлов от рудных материалов и переработанных материалов.

На снимке показаны оксиды редкоземельных элементов неодима, празеодима и диспрозия — все критически важные компоненты для магнитов — которые были обработаны с помощью технологии сульфидирования. Фиолетовые области представляют собой сульфид с высоким содержанием неодима, зеленые области — оксисульфид празеодима, а оранжевые области — сульфиды и оксисульфиды с высоким содержанием диспрозия. Фото: любезно предоставлено исследователями.

Выборочная корректировка химического процесса, называемого сульфидированием, позволила профессору металлургии Антуану Алланору и его аспиранту Каспару Стинну успешно нацелить и отделить редкие металлы, такие как кобальт в литий-ионной батарее, от материалов из смешанных металлов.

Как они сообщают в журнале Nature, их методы обработки позволяют металлам оставаться в твердой форме и разделяться без растворения материала. Это позволяет избежать традиционных, но дорогостоящих методов разделения жидкостей, требующих значительных затрат энергии. Исследователи разработали условия обработки для 56 элементов и протестировали эти условия на 15 элементах.

Их подход к сульфидированию, пишут они в статье, может снизить капитальные затраты на отделение металлов от 65 до 95 процентов от смешанных оксидов металлов. Их селективная обработка может также снизить выбросы парниковых газов на 60-90 процентов по сравнению с традиционным разделением на основе жидкости.

«Мы были рады найти замену процессам, в которых было действительно много воды и выбросы парниковых газов, таким как переработка литий-ионных аккумуляторов, переработка редкоземельных магнитов и разделение редкоземельных элементов», — говорит Стинн. «Это процессы, которые позволяют производить материалы для экологичных приложений, но сами процессы очень неустойчивы».

Полученные данные предлагают один из способов снизить растущий спрос на второстепенные металлы, такие как кобальт, литий и редкоземельные элементы, которые используются в «чистых» энергетических продуктах, таких как электромобили, солнечные батареи и ветряные мельницы, генерирующие электричество. Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2021 год , среднее количество полезных ископаемых, необходимых для новой единицы генерирующих мощностей, выросло на 50 процентов с 2010 года, поскольку технологии возобновляемых источников энергии, использующие эти металлы, расширяют сферу их охвата.

Возможность избирательности

Более десяти лет группа Allanore изучает использование сульфидных материалов при разработке новых электрохимических способов производства металлов. Сульфиды — обычные материалы, но ученые Массачусетского технологического института экспериментируют с ними в экстремальных условиях, таких как очень высокие температуры — от 800 до 3000 градусов по Фаренгейту — которые используются на производственных предприятиях, но не в типичной университетской лаборатории.

«Мы смотрим на хорошо зарекомендовавшие себя материалы в условиях, которые необычны по сравнению с тем, что было сделано раньше, — объясняет Алланор, — и именно поэтому мы находим новые применения или новые реалии».

• В процессе синтеза высокотемпературных сульфидных материалов для поддержки электрохимического производства, говорит Стинн, «мы узнали, что можем быть очень избирательными и тщательно контролировать, какие продукты мы производим. И именно с этим пониманием мы поняли: «Хорошо, может быть, здесь есть возможность для избирательности в разделении».
• В результате химической реакции, используемой исследователями, материал, содержащий смесь оксидов металлов, реагирует с образованием новых соединений или сульфидов металл-сера. Изменяя такие факторы, как температура, давление газа и добавление углерода в процессе реакции, Стинн и Алланор обнаружили, что они могут выборочно создавать различные твердые сульфидные частицы, которые можно физически отделить с помощью различных методов, включая дробление материала и сортировку. сульфиды разного размера или использование магнитов для отделения разных сульфидов друг от друга.
• Современные методы разделения редких металлов основаны на использовании большого количества энергии, воды, кислот и органических растворителей, что оказывает дорогостоящее воздействие на окружающую среду, говорит Стинн. «Мы стараемся использовать доступные, экономичные и легко доступные материалы для устойчивого разделения материалов, и мы расширили эту область, включив теперь серу и сульфиды».

Стинн и Алланор использовали селективное сульфидирование для отделения экономически важных металлов, таких как кобальт, в переработанных литий-ионных батареях. Они также использовали свои методы для отделения диспрозия — редкоземельного элемента, используемого в различных приложениях, от устройств хранения данных до оптоэлектроники — от магнитов из редкоземельного элемента и бора или от типичной смеси оксидов, добываемых при добыче полезных ископаемых, таких как бастнезит.

Использование существующих технологий

Алланор объясняет, что такие металлы, как кобальт и редкоземельные элементы, встречаются в добываемых материалах только в небольших количествах, поэтому отрасли промышленности должны обрабатывать большие объемы материала для извлечения или переработки достаточного количества этих металлов, чтобы быть экономически жизнеспособными. «Совершенно очевидно, что эти процессы неэффективны. Большинство выбросов происходит из-за недостаточной избирательности и низкой концентрации, при которой они работают».

Устраняя необходимость разделения жидкости и дополнительных стадий и материалов, необходимых для растворения, а затем повторного осаждения отдельных элементов, процесс исследователей Массачусетского технологического института значительно снижает понесенные затраты и выбросы, возникающие во время разделения.

«Одна из приятных особенностей разделения материалов с помощью сульфидирования заключается в том, что можно использовать многие существующие технологии и технологическую инфраструктуру», — говорит Стинн. «Это новые условия и новый химический состав в установившихся типах реакторов и оборудовании».

Следующий шаг — показать, что этот процесс может работать с большими объемами сырья — например, с выделением 16 элементов из потоков добычи редкоземельных элементов. «Теперь мы показали, что можем обрабатывать три, четыре или пять из них вместе, но мы еще не обработали фактический поток из существующей шахты в масштабе, который соответствовал бы требованиям для развертывания», — говорит Алланор.

Стинн и его коллеги в лаборатории построили реактор, способный перерабатывать около 10 килограммов сырья в день, и исследователи начинают переговоры с несколькими корпорациями о возможностях.

«Мы обсуждаем, что нужно сделать, чтобы продемонстрировать эффективность этого подхода с существующими потоками минерального сырья и вторичного сырья», — говорит Алланор.

Источник

Метки: энергия