納米纖維素用於持續回收稀土元素

稀土元素（REE）已然成為先進工業的一個基本組成部分，然而，工業界遭受了稀土材料的短缺，主要是由於缺乏與可持續的稀土元素去除相關的有效回收策略。科學家們利用納米技術開發了納米纖維素，它可以使用一種新穎和可持續的方法有效地回收稀土元素。

稀土元素除了對傳統行業有用外，還在鐳射、螢光燈、原子電池、發動機渦輪機和超級磁鐵中也有重要的應用。目前，中國是主要的供應商，其出口量占世界稀土供應量的70%以上。對稀有金屬的需求不斷增加，而資源有限，導致其成本大幅提高。這就是為什麼許多國家將稀有金屬視為戰略資源的原因。

釹是一種REE材料，已被列入美國政府指定的對其國家安全至關重要的50種礦物之一。研究人員指出，技術的進步使電子垃圾（e-waste）迅速增加，如舊電腦、印刷電路板、電視和許多其他電子設備。

這些電子垃圾是潛在的有毒垃圾，已經堆滿了整個世界，並已成為一個主要的環境威脅。一些科學家專注于電子垃圾的回收，他們認為這些垃圾可以成為許多重要和高需求的元素的來源，包括稀土金屬。研究人員最近開發了一項技術，從世界各地的電子垃圾中回收釹。

一個常用的Nd³⁺形式是Nd²Fe¹⁴B。如上所述，Nd被用於許多行業，包括風力渦輪機、電腦硬碟、電動汽車發動機、揚聲器、發電機和入耳式耳機。賓夕法尼亞州立大學的助理教授Amir Sheikhi和他的同事借助于纖維素開發了一種與從其他物質（如電子垃圾）中提取Nd有關的創新方法。

許多研究以前都使用過吸附劑，如二氧化矽、粘土、納米管和殼聚糖來回收稀有金屬。然而，纖維素是最實惠和最豐富的原材料，很少被用作提取稀土元素的吸附劑。研究小組對纖維素進行了納米工程，並利用它創造了一種可持續的、基於生物的技術。這項技術被稱為陰離子毛狀納米纖維素（AHNC），可以選擇性地從水介質中去除釹離子（Nd³⁺）。

科學家們讓帶負電荷的毛狀納米粒子吸引並與帶正電荷的釹離子（Nd³⁺）結合。這種結合導致納米粒子-NB聚集成更大的碎片，可以很容易地被回收和再利用。

Sheikhi解釋說，毛狀纖維素納米晶體可以選擇性地與Nd3+結合，因此可以將它們與其他離子，如鐵、鈣和鈉分離。這些納米粒子看起來是“毛茸茸的”，這是因為纖維素的鏈狀附著，即纖維素單元是端對端地附著，有毛的納米材料執行關鍵的化學功能。

AHNC技術由完全溶解的二羧基纖維素（dicarboxylated cellulos, DCC）鏈和纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals, CNC）組成。與傳統的CNC相比，DCC擁有更大的電荷密度，即比CNC高約一個數量級。在這項技術中，聚陰離子可以在幾秒鐘內去除264毫克納米吸附劑的Nd³⁺。

迄今為止，這種去除技術能夠以最短的接觸時間實現最高的Nd3+去除率，而纖維素的生物可再生性對這種方法進行了補充。

科學家們進一步指出，在AHNC技術中加入互補的鈣離子介導的膠體橋接，進一步增強了其從液體基質中去除Nd³⁺的能力。除了從電子垃圾中大量去除Nd³⁺，未來還可以從未使用的採礦尾渣、工業廢水和電子垃圾中提取稀土元素。科學家們樂觀地認為，這種稀土回收技術將對許多不同的行業產生積極的影響。這項技術的一個重要方面是，它的運行成本很低。Sheikhi還觀察到，大多數可用於回收REE的方法都是不環保的。

一些常規方法包括溶劑萃取、沉澱、離子交換、電化學等。這些方法大多依賴危險化學品，並消耗高能量。此外，有些是在化學反應中使用高酸性條件來提取稀土元素。

開發一種新型的、具有成本效益的、環境友好的可持續回收釹的納米纖維素技術將使許多行業受益。科學家們樂觀地認為，新型AHNC技術將使美國在回收和獨立生產REE方面與中國等其他巨頭競爭。

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