عناصر خاکی کمیاب "سس مخفی" مواد پیشرفته متعدد برای کاربردهای انرژی، حمل و نقل، دفاع و ارتباطات هستند.بیشترین کاربرد آنها برای انرژی پاک در آهنرباهای دائمی است که خواص مغناطیسی را حتی در غیاب میدان القایی یا جریان حفظ می کنند.

رامش باوه، آزمایشگاه ملی اوک ریج، فرآیندی را برای بازیابی عناصر خاکی کمیاب با خلوص بالا از آهنرباهای ضایع شده هارد دیسک های کامپیوتر (در اینجا نشان داده شده است) و سایر زباله های پس از مصرف اختراع کرد.اعتبار: کارلوس جونز/آزمایشگاه ملی اوک ریج، بخش انرژی ایالات متحده

اکنون، محققان وزارت انرژی ایالات متحده فرآیندی را برای استخراج عناصر خاکی کمیاب از آهنرباهای ضایع شده اختراع کرده اند.هارد دیسک های استفاده شدهو منابع دیگرآنها دارندثبت اختراعو این روند را در نمایش های آزمایشگاهی افزایش داده و با دارنده مجوز ORNL کار می کنندفناوری های مومنتوم دالاسبرای تولید دسته‌های تجاری اکسیدهای خاکی کمیاب، فرآیند را بیشتر مقیاس کند.

رامش باوه، یکی از مخترعان آزمایشگاه ملی Oak Ridge DOE، که تیم فناوری های غشایی در بخش علوم شیمی ORNL را رهبری می کند، گفت: "ما یک فرآیند کم مصرف، مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست برای بازیابی مواد حیاتی با ارزش بالا ایجاد کرده ایم.""این یک پیشرفت نسبت به فرآیندهای سنتی است که به امکاناتی با ردپای زیاد، سرمایه و هزینه های عملیاتی بالا و مقدار زیادی زباله تولید شده نیاز دارد."

آهنرباهای دائمی به هارد دیسک‌های کامپیوتری کمک می‌کنند تا داده‌ها را بخوانند و بنویسند، موتورهایی را هدایت کنند که خودروهای هیبریدی و الکتریکی را حرکت می‌دهند، توربین‌های بادی را با ژنراتورها برای تولید برق متصل کنند، و به تلفن‌های هوشمند کمک می‌کنند سیگنال‌های الکتریکی را به صدا تبدیل کنند.

از طریق فرآیند ثبت اختراع، آهنرباها در اسید نیتریک حل می شوند و محلول به طور مداوم از طریق یک ماژول پشتیبان غشاهای پلیمری تغذیه می شود.غشاها حاوی الیاف توخالی متخلخل با یک استخراج کننده هستند که به عنوان یک نوع "پلیس ترافیک" شیمیایی عمل می کند.یک مانع انتخابی ایجاد می کند و فقط عناصر کمیاب خاکی را از آن عبور می دهد.محلول غنی از خاک کمیاب جمع آوری شده در طرف دیگر بیشتر پردازش می شود تا اکسیدهای خاکی کمیاب با خلوص بیش از 99.5٪ تولید کند.

با توجه به اینکه معمولاً 70 درصد آهنربای دائمی آهن است که یک عنصر خاکی کمیاب نیست، قابل توجه است.بهاو گفت: «ما اساساً می‌توانیم آهن را به طور کامل حذف کنیم و فقط خاک‌های کمیاب را بازیابی کنیم.استخراج عناصر مطلوب بدون استخراج مشترک عناصر نامطلوب به این معنی است که زباله کمتری ایجاد می شود که به تصفیه و دفع پایین دست نیاز دارد.

حامیان این کار عبارتند از DOEموسسه مواد حیاتییا CMI، برای تحقیقات جداسازی و دفتر انتقال فناوری DOE، یا OTT، برای افزایش مقیاس فرآیند.ORNL یکی از اعضای تیم موسس CMI، یک مرکز نوآوری انرژی DOE است که توسط آزمایشگاه Ames DOE رهبری می‌شود و توسط دفتر تولید پیشرفته مدیریت می‌شود.استخراج یک محلول اسیدی با غشاهای انتخابی توسط Bhave به سایر فناوری‌های امیدوارکننده CMI برای بازیابی خاک‌های کمیاب می‌پیوندد.یک فرآیند ساده که آهنرباها را خرد و درمان می کندویک جایگزین بدون اسید.

صنعت به مواد حیاتی وابسته است و جامعه علمی در حال توسعه فرآیندهایی برای بازیافت آنها است.با این حال، هیچ فرآیند تجاری سازی شده، عناصر خاکی کمیاب خالص را از آهنرباهای زباله الکترونیکی بازیافت نمی کند.با توجه به اینکه انتظار می رود در سال 2019، 2.2 میلیارد رایانه شخصی، تبلت و تلفن همراه در سراسر جهان ارسال شوند، این یک فرصت از دست رفته بزرگ است.به گفته گارتنر.باوه خاطرنشان کرد: «همه این دستگاه‌ها دارای آهن‌رباهای خاکی کمیاب هستند».

پروژه Bhave که در سال 2013 آغاز شد، یک تلاش تیمی است.جان کلاهن و اریک پترسون از آزمایشگاه ملی آیداهو DOE در مرحله اولیه تحقیقات متمرکز بر شیمی با یکدیگر همکاری کردند و آنانت ایر، استاد دانشگاه پردو، بعداً امکان‌سنجی فنی و اقتصادی افزایش مقیاس را ارزیابی کرد.در ORNL، دایجین کیم و ویشوانات دشمان، همکاران فوق دکترا، به ترتیب توسعه فرآیند جداسازی و افزایش مقیاس را مطالعه کردند.تیم فعلی ORNL Bhave، متشکل از دیل ادکاک، پراناتی گانگاواراپو، سید اسلام، لری پاول و پریش واگ، بر گسترش فرآیند و همکاری با شرکای صنعتی که این فناوری را تجاری می‌کنند، تمرکز دارد.

برای اطمینان از اینکه خاک‌های کمیاب می‌توانند در طیف وسیعی از مواد اولیه بازیابی شوند، محققان آهن‌رباهایی با ترکیبات مختلف – از منابعی از جمله هارد دیسک‌ها، دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی، تلفن‌های همراه و اتومبیل‌های هیبریدی- را تحت این فرآیند قرار دادند.

بیشتر عناصر کمیاب خاکی لانتانیدها هستند، عناصری با اعداد اتمی بین 57 تا 71 در جدول تناوبی.Bhave گفت: "تخصص فوق العاده ORNL در شیمی لانتانید به ما شروع بزرگی داد."ما شروع کردیم به بررسی شیمی لانتانید و روش‌هایی که از طریق آن لانتانیدها به طور انتخابی استخراج می‌شوند.

بیش از دو سال، محققان شیمی غشاء را برای بهینه‌سازی بازیابی خاک‌های کمیاب طراحی کردند.اکنون، فرآیند آنها بیش از 97 درصد از عناصر کمیاب خاکی را بازیابی می کند.

تا به امروز پروژه بازیافت Bhave منجر به ثبت اختراع و دو انتشار شده است (اینجاواینجا) مستندسازی بازیابی سه عنصر خاکی کمیاب - نئودیمیم، پرازئودیمیم و دیسپروزیم - به عنوان مخلوطی از اکسیدها.

مرحله دوم جداسازی در جولای 2018 با تلاش برای جداسازی دیسپروزیم از نئودیمیم و پرازئودیمیم آغاز شد.مخلوطی از این سه اکسید به قیمت 50 دلار در هر کیلوگرم فروخته می شود.اگر دیسپروزیم را بتوان از مخلوط جدا کرد، اکسید آن را می‌توان به قیمت پنج برابر فروخت.

فاز دوم این برنامه همچنین بررسی خواهد کرد که آیا فرآیند اساسی ORNL برای جداسازی خاک‌های کمیاب می‌تواند برای جداسازی سایر عناصر مورد تقاضا از باتری‌های یون لیتیوم توسعه یابد.باوه گفت: رشد بالای خودروهای الکتریکی مورد انتظار به مقدار زیادی لیتیوم و کبالت نیاز دارد.

تلاش‌های صنعتی مورد نیاز برای استقرار فرآیند ORNL در بازار، که طی دو سال توسط صندوق تجاری‌سازی فناوری OTT DOE تامین می‌شود، در فوریه 2019 آغاز شد.

هدف بازیابی صدها کیلوگرم اکسیدهای خاکی کمیاب در هر ماه و تأیید، تأیید و تأیید این است که سازندگان می توانند از مواد بازیافتی برای ساخت آهنرباهایی مشابه آهنرباهایی که با مواد اولیه ساخته شده اند استفاده کنند.

دفتر تولید پیشرفته DOE، بخشی از دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدیدپذیر، این تحقیق را از طریق CMI تأمین مالی کرد که برای تنوع بخشیدن به عرضه، توسعه جایگزین ها، بهبود استفاده مجدد و بازیافت و انجام تحقیقات مقطعی مواد حیاتی تأسیس شد.ORNL از زمان شروع به کار CMI در سال 2013، جهت گیری استراتژیک را برای این مناطق ارائه کرده است. این شامل ارائه رهبرانی برای مناطق متمرکز و پروژه هایی است که منجر به نوآوری های جدید در آلیاژهای آلومینیوم-سریم و بازیافت آهنربا شد.

منبع:ORNL