工程師從化肥副產品中開採稀土元素

賓夕法尼亞州立大學（Penn State）的工程師們獲得了國家科學基金會的資助，從磷石膏中回收稀土元素，磷石膏是一種無限期儲存在露天垃圾場並被泵入指定湖泊的化肥副產品。

稀土元素在自然界中無處不在，是微晶片等的重要組成部分。其稀有是由於它們較難被提取。傳統手段的獲取方式通常會產生大量的碳排放，且很大一部分稀土在工業過程的廢物中流失。

為了開發一種更可持續的工藝，從化肥副產品磷石膏中提取稀土元素，賓夕法尼亞州立大學的研究人員獲得了一項為期四年、價值571,658美元的國家科學基金會撥款，作為與凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）和克萊姆森大學（Clemson University）合作的一部分，總資金達170萬美元。

每所大學都有獨立的資金來進行該項目的特定方面，但該項目由凱斯西儲的研究人員集中協調。化學工程系副教授Lauren Greenlee與化學工程系助理教授Rui Shi共同領導賓州大學的工作。

“今天，僅在佛羅里達州，估計就有20萬噸稀土被困在未經處理的磷石膏廢物中，”Greenlee說，他解釋說，磷石膏被管道輸送到溝渠和池塘中無限期地儲存。由於與放射性物種有關的挑戰和分離單個元素的困難，這一稀土的來源目前尚未被開發。

這個專案的願景是發現新的分離機制、材料和工藝，從化肥工業的廢液中回收有價值的資源，包括稀土元素、肥料和清潔水，為國內稀土的可持續供應和可持續農業部門鋪平道路。

Greenlee還指出，美國的稀土供應主要依靠國際來源，而COVID-19疫情造成了供應鏈的長時間延誤。Greenlee說：“這是一個重大的問題，由於在國際上獲得和使用稀土的經濟、環境和安全方面的複雜性而變得更加複雜。”

磷石膏是在磷酸鹽岩石被加工成肥料時形成的，它含有少量的天然放射性元素，如鈾和釷。由於這種放射性，這種副產品被無限期地儲存起來，而不適當的儲存會污染土壤、水和大氣。為了收穫磷石膏中的稀土，研究人員提出了一個多階段的工藝，使用能夠精確識別並通過專門的膜分離出稀土的工程肽。

“單個稀土元素具有相似的尺寸和相同的形式電荷，因此傳統的膜分離機制是不夠的，”Greenlee說。“這項研究的一個關鍵技術目標是發現支撐肽離子選擇性的機制，並利用這些機制來設計一類新的高選擇性膜。”

一旦肽被開發出來，Greenlee將研究它們在水溶液中的作用，而Shi將使用系統分析工具，包括技術經濟分析和生命週期評估，以評估擬議的稀土回收系統在各種設計和操作條件下的環境影響和經濟可行性。

“這個過程的整體可持續性影響是什麼？”Shi問道。“我們希望擺脫目前的環境影響，使之更具有可持續性，我們可以通過將基礎研究和實驗室規模的結果轉化為系統級的環境和經濟影響來做到這一點。然後，我們可以將可持續性的結果重新整合到設計中，以指導未來的研究目標，同時推進稀土的回收和磷石膏的加工。”

擬議的專案還將補充賓夕法尼亞州立大學的其他研究，包括利用自然發生的蛋白質分子從化肥副產品中來源中提取分組稀土元素的工作。

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