Химическая ловушка для гаджетов: прорыв в переработке редких металлов

Редкоземельные металлы — невидимая основа современного информационного века. Они содержатся практически в каждом умном устройстве, высокопроизводительных материалах и промышленных катализаторах, что делает их поставки вопросом национальной и экономической безопасности. Однако их извлечение из отходов — сложный, опасный и дорогостоящий процесс.

Новый подход к этой проблеме предложили ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в сотрудничестве с компанией по восстановлению минералов REEGen. Команда разработала инновационную технологию для извлечения ценных элементов из отслуживших свой срок продуктов, таких как электронные отходы от телефонов, аккумуляторов и автомобильных катализаторов. Метод, описанный в журнале Communications Chemistry, сочетает твердофазную экстракцию с высокоточной химией, чтобы сделать переработку редкоземельных металлов финансово и экологически привлекательной.

Редкоземельные элементы (РЗЭ), включающие скандий, иттрий и лантаноиды, обладают схожими химическими свойствами, что делает их «невероятно трудными для разделения», отмечают исследователи. Лаборатория под руководством профессора Джастина Уилсона сосредоточилась на создании соединений-хелаторов — молекул, способных захватывать ионы металлов, подобно клешне краба. Недавно им удалось синтезировать уникальный хелатор под названием G-macropa, который избирательно связывается с крупными ионами РЗЭ.

Новая технология работает в два этапа. Сначала компания REEGen использует специально разработанные микробы, которые производят органические кислоты и биохелаторы для «выщелачивания» металлов из отходов. Полученный «биораствор» со смесью металлов затем пропускается через специальный фильтр, созданный в лаборатории Уилсона. Фильтр представляет собой полимерную смолу, на которую «пришиты» молекулы G-macropa. Эти молекулы-ловушки избирательно захватывают ионы редкоземельных металлов, пропуская остальные, подобно тому, как бытовой фильтр очищает воду.

Результаты впечатляют: всего один прогон раствора через фильтр позволил увеличить концентрацию РЗЭ более чем в четыре раза — с 5% до 21%. Последующая обработка для удаления избытка железа подняла этот показатель почти до 59%. Что особенно важно, после извлечения металлов фильтр можно промыть соляной кислотой и использовать повторно. Этот процесс гораздо чище и безопаснее традиционных методов, требующих применения агрессивных химикатов, и позволяет создавать компактные установки по переработке прямо на месте образования отходов.

«Добыча редкоземельных элементов из руды не является экономически и экологически чистой, — говорит ведущий автор исследования Янгян Гао. — Мы стремимся разработать экологичные стратегии извлечения, обогащения и разделения этих металлов». Хотя переработка РЗЭ из электронного мусора только зарождается, новая технология открывает огромные перспективы. Она может быть адаптирована и для решения других экологических задач, например, для извлечения из воды и почвы токсичных тяжелых металлов — ртути, кадмия и свинца.

Главным сдерживающим фактором пока остается стоимость синтеза молекулы G-macropa. Лаборатория уже работает над созданием более простых и дешевых аналогов, сохраняющих ее уникальные свойства. Однако исследователи выражают обеспокоенность, что их прогресс может остановиться из-за угроз сокращения финансирования со стороны ключевых государственных научных фондов. По словам ученых, правительство заявляет о приоритетности внутреннего производства РЗЭ, но при этом рассматривает возможность урезания бюджетов агентств, которые и финансируют подобные прорывные разработки.