工程师从化肥副产品中开采稀土元素

宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的工程师们获得了国家科学基金会的资助，从磷石膏中回收稀土元素，磷石膏是一种无限期储存在露天垃圾场并被泵入指定湖泊的化肥副产品。

稀土元素在自然界中无处不在，是微芯片等的重要组成部分。其稀有是由于它们较难被提取。传统手段的获取方式通常会产生大量的碳排放，且很大一部分稀土在工业过程的废物中流失。

为了开发一种更可持续的工艺，从化肥副产品磷石膏中提取稀土元素，宾夕法尼亚州立大学的研究人员获得了一项为期四年、价值571,658美元的国家科学基金会拨款，作为与凯斯西储大学（Case Western Reserve University）和克莱姆森大学（Clemson University）合作的一部分，总资金达170万美元。

每所大学都有独立的资金来进行该项目的特定方面，但该项目由凯斯西储的研究人员集中协调。化学工程系副教授Lauren Greenlee与化学工程系助理教授Rui Shi共同领导宾州大学的工作。

“今天，仅在佛罗里达州，估计就有20万吨稀土被困在未经处理的磷石膏废物中，”Greenlee说，他解释说，磷石膏被管道输送到沟渠和池塘中无限期地储存。由于与放射性物种有关的挑战和分离单个元素的困难，这一稀土的来源目前尚未被开发。

这个项目的愿景是发现新的分离机制、材料和工艺，从化肥工业的废液中回收有价值的资源，包括稀土元素、肥料和清洁水，为国内稀土的可持续供应和可持续农业部门铺平道路。

Greenlee还指出，美国的稀土供应主要依靠国际来源，而COVID-19疫情造成了供应链的长时间延误。Greenlee说：“这是一个重大的问题，由于在国际上获得和使用稀土的经济、环境和安全方面的复杂性而变得更加复杂。”

磷石膏是在磷酸盐岩石被加工成肥料时形成的，它含有少量的天然放射性元素，如铀和钍。由于这种放射性，这种副产品被无限期地储存起来，而不适当的储存会污染土壤、水和大气。为了收获磷石膏中的稀土，研究人员提出了一个多阶段的工艺，使用能够精确识别并通过专门的膜分离出稀土的工程肽。

“单个稀土元素具有相似的尺寸和相同的形式电荷，因此传统的膜分离机制是不够的，”Greenlee说。“这项研究的一个关键技术目标是发现支撑肽离子选择性的机制，并利用这些机制来设计一类新的高选择性膜。”

一旦肽被开发出来，Greenlee将研究它们在水溶液中的作用，而Shi将使用系统分析工具，包括技术经济分析和生命周期评估，以评估拟议的稀土回收系统在各种设计和操作条件下的环境影响和经济可行性。

“这个过程的整体可持续性影响是什么？”Shi问道。“我们希望摆脱目前的环境影响，使之更具有可持续性，我们可以通过将基础研究和实验室规模的结果转化为系统级的环境和经济影响来做到这一点。然后，我们可以将可持续性的结果重新整合到设计中，以指导未来的研究目标，同时推进稀土的回收和磷石膏的加工。”

拟议的项目还将补充宾夕法尼亚州立大学的其他研究，包括利用自然发生的蛋白质分子从化肥副产品中来源中提取分组稀土元素的工作。

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