利用細菌蛋白提取和分離稀土元素

由賓夕法尼亞州立大學和勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家領導的新研究表明細菌蛋白可以為從礦山尾礦和電子垃圾中提取稀土元素（REEs），並將它們與其他金屬以及彼此分離提供一種更環保的方式。關於這項工作的一篇開放性論文發表在ACS中央科學雜誌上。

REEs的低層次來源，例如來自工業廢料，通常包含許多REEs和其他金屬混合在一起。這種新方法依賴於一種名為lanmodulin（LanM）的蛋白質，它首先與來源中的所有REEs結合。然後，其他金屬被排出並去除。

通過改變樣品的條件，例如改變酸度或添加稱為螯合劑的成分，個別類型的稀土就會失去結合力，從而可以被收集。即使樣品中的REEs含量很低，這種新程式也能成功提取並分離出高純度的重REEs。

為了滿足新興清潔能源技術中對稀土日益增長的需求，我們需要解決供應鏈中的幾個挑戰。這包括提高這些金屬的提取和分離過程的效率並減輕其環境負擔。在這項研究中，我們展示了一種有前途的新方法，它使用一種天然蛋白質，可以擴大規模，從低級來源（包括工業廢物）中提取和分離稀土元素。

由於美國目前需要的大部分稀土都是進口的，因此新的重點是通過非常規來源建立國內供應，包括燃燒煤炭和開採其他金屬產生的工業廢料，以及手機和許多其他材料產生的電子廢料。

這些資源很豐富，但被認為是低檔次的，因為稀土與許多其他金屬混合在一起，所含的稀土量太少，傳統工藝無法很好地發揮作用。此外，目前的提取和分離方法依賴於苛刻的化學品，是勞動密集型的，有時涉及數百個步驟，產生大量的廢物，而且成本很高。

這種新方法利用了研究小組之前發現的一種名為lanmodulin的細菌蛋白，這種蛋白與稀土元素的結合能力比其他金屬好近10億倍。

從含稀土的原料中提取並隨後分離單個稀土是一項具有挑戰性的任務，但對於可再生能源技術的發展和可持續性是必不可少的。作為克服當前稀土加工方法的技術和環境限制的重要一步，這項研究展示了一種以生物為基礎的、全水的稀土提取和分離方案，使用的是具有稀土選擇性的lanmodulin蛋白。

該項研究進一步證明，固定化的細菌蛋白有能力實現清潔能源關鍵性的稀土對Nd/Dy的高純度分離，並在一次色譜柱運行中把低品位的浸出液轉化為獨立的重稀土和輕稀土，同時使用90%∼的色譜柱容量。這種首次從非常複雜的水基原料溶液中實現串聯萃取和分組分離稀土而不需要有機溶劑的能力。

研究小組從釹（Nd）中分離出釔（Y），這兩種稀土元素都在原生稀土礦藏和煤炭副產品中含量豐富（純度超過99%）。他們還從鏑（Dy）中分離出了釹，這是電子廢物中常見的一種關鍵配對（純度超過99.9%）。

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