纳米纤维素用于持续回收稀土元素

稀土元素（REE）已然成为先进工业的一个基本组成部分，然而，工业界遭受了稀土材料的短缺，主要是由于缺乏与可持续的稀土元素去除相关的有效回收策略。科学家们利用纳米技术开发了纳米纤维素，它可以使用一种新颖和可持续的方法有效地回收稀土元素。

稀土元素除了对传统行业有用外，还在激光、荧光灯、原子电池、发动机涡轮机和超级磁铁中也有重要的应用。目前，中国是主要的供应商，其出口量占世界稀土供应量的70%以上。对稀有金属的需求不断增加，而资源有限，导致其成本大幅提高。这就是为什么许多国家将稀有金属视为战略资源的原因。

钕是一种REE材料，已被列入美国政府指定的对其国家安全至关重要的50种矿物之一。研究人员指出，技术的进步使电子垃圾（e-waste）迅速增加，如旧电脑、印刷电路板、电视和许多其他电子设备。

这些电子垃圾是潜在的有毒垃圾，已经堆满了整个世界，并已成为一个主要的环境威胁。一些科学家专注于电子垃圾的回收，他们认为这些垃圾可以成为许多重要和高需求的元素的来源，包括稀土金属。研究人员最近开发了一项技术，从世界各地的电子垃圾中回收钕。

一个常用的Nd³⁺形式是Nd²Fe¹⁴B。如上所述，Nd被用于许多行业，包括风力涡轮机、计算机硬盘、电动汽车发动机、扬声器、发电机和入耳式耳机。宾夕法尼亚州立大学的助理教授Amir Sheikhi和他的同事借助于纤维素开发了一种与从其他物质（如电子垃圾）中提取Nd有关的创新方法。

许多研究以前都使用过吸附剂，如二氧化硅、粘土、纳米管和壳聚糖来回收稀有金属。然而，纤维素是最实惠和最丰富的原材料，很少被用作提取稀土元素的吸附剂。研究小组对纤维素进行了纳米工程，并利用它创造了一种可持续的、基于生物的技术。这项技术被称为阴离子毛状纳米纤维素（AHNC），可以选择性地从水介质中去除钕离子（Nd³⁺）。

科学家们让带负电荷的毛状纳米粒子吸引并与带正电荷的钕离子（Nd³⁺）结合。这种结合导致纳米粒子-NB聚集成更大的碎片，可以很容易地被回收和再利用。

Sheikhi解释说，毛状纤维素纳米晶体可以选择性地与Nd3+结合，因此可以将它们与其他离子，如铁、钙和钠分离。这些纳米粒子看起来是“毛茸茸的”，这是因为纤维素的链状附着，即纤维素单元是端对端地附着，有毛的纳米材料执行关键的化学功能。

AHNC技术由完全溶解的二羧基纤维素（dicarboxylated cellulos, DCC）链和纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals, CNC）组成。与传统的CNC相比，DCC拥有更大的电荷密度，即比CNC高约一个数量级。在这项技术中，聚阴离子可以在几秒钟内去除264毫克纳米吸附剂的Nd³⁺。

迄今为止，这种去除技术能够以最短的接触时间实现最高的Nd3+去除率，而纤维素的生物可再生性对这种方法进行了补充。

科学家们进一步指出，在AHNC技术中加入互补的钙离子介导的胶体桥接，进一步增强了其从液体基质中去除Nd³⁺的能力。除了从电子垃圾中大量去除Nd³⁺，未来还可以从未使用的采矿尾渣、工业废水和电子垃圾中提取稀土元素。科学家们乐观地认为，这种稀土回收技术将对许多不同的行业产生积极的影响。这项技术的一个重要方面是，它的运行成本很低。Sheikhi还观察到，大多数可用于回收REE的方法都是不环保的。

一些常规方法包括溶剂萃取、沉淀、离子交换、电化学等。这些方法大多依赖危险化学品，并消耗高能量。此外，有些是在化学反应中使用高酸性条件来提取稀土元素。

开发一种新型的、具有成本效益的、环境友好的可持续回收钕的纳米纤维素技术将使许多行业受益。科学家们乐观地认为，新型AHNC技术将使美国在回收和独立生产REE方面与中国等其他巨头竞争。

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