Naukowcy opracowują proces inspirowany naturą, który skutecznie odzyskuje europ ze starych lamp fluorescencyjnych. Podejście to może doprowadzić do długo oczekiwanego recyklingu metali ziem rzadkich.
Metale ziem rzadkich nie są tak rzadkie, jak sugeruje ich nazwa. Są jednak niezbędne dla nowoczesnej gospodarki. W końcu te 17 metali to niezbędne surowce dla cyfryzacji i transformacji energetycznej. Można je znaleźć w smartfonach, komputerach, ekranach i bateriach – bez nich żaden silnik elektryczny nie działałby i żadna turbina wiatrowa by się nie obracała. Ponieważ Europa jest niemal całkowicie zależna od importu z Chin, surowce te są uważane za krytyczne.
Jednak metale ziem rzadkich są również krytyczne ze względu na ich wydobycie. Zawsze występują w formie złożonej w naturalnych rudach – ale ponieważ te pierwiastki są chemicznie bardzo podobne, trudno je oddzielić. Tradycyjne procesy separacji są zatem bardzo chemiczne i energochłonne i wymagają kilku etapów ekstrakcji. To sprawia, że wydobycie i oczyszczanie tych metali jest kosztowne, czasochłonne i niezwykle szkodliwe dla środowiska.
„Metale ziem rzadkich prawie nigdy nie są poddawane recyklingowi w Europie” — mówi Victor Mougel, profesor w Laboratorium Chemii Nieorganicznej na ETH w Zurychu. Zespół badaczy pod przewodnictwem Mougela chce to zmienić. „Istnieje pilna potrzeba zrównoważonych i nieskomplikowanych metod oddzielania i odzyskiwania tych strategicznych surowców z różnych źródeł” — mówi chemik.
W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Nature Communications zespół przedstawia zaskakująco prostą metodę efektywnego oddzielania i odzyskiwania europu, metalu ziem rzadkich, ze złożonych mieszanin zawierających inne metale ziem rzadkich.
Zainspirowane naturą
Marie Perrin, doktorantka w grupie Mougel i pierwsza autorka badania, wyjaśnia: „Istniejące metody separacji opierają się na setkach etapów ekstrakcji ciecz-ciecz i są nieefektywne – recykling europu był dotychczas niepraktyczny”. W swoim badaniu pokazują, jak prosty odczynnik nieorganiczny może znacznie poprawić separację. „Pozwala nam to uzyskać europ w kilku prostych krokach – i w ilościach, które są co najmniej 50 razy większe niż w przypadku poprzednich metod separacji” – mówi Perrin.
Klucz do tej techniki można znaleźć w małych cząsteczkach nieorganicznych zawierających cztery atomy siarki wokół wolframu lub molibdenu: tetratiometalany. Naukowcy zainspirowali się światem białek. Tetratiometalany są znajdowane jako miejsce wiązania metali w naturalnych enzymach i są stosowane jako substancje czynne przeciwko nowotworom i zaburzeniom metabolizmu miedzi.
Po raz pierwszy tetratiometalany są teraz również używane jako ligandy do oddzielania metali ziem rzadkich. Ich unikalne właściwości redoks wchodzą tutaj w grę, redukując europ do jego niezwykłego stanu dwuwartościowego, a tym samym upraszczając oddzielanie od innych trójwartościowych metali ziem rzadkich.
„Zasada jest tak wydajna i niezawodna, że możemy ją stosować bezpośrednio do zużytych lamp fluorescencyjnych, bez konieczności stosowania zwykłych etapów wstępnej obróbki” – mówi Mougel.
Utrzymywanie europu w obiegu
Odpad elektroniczny jest ważnym, ale jak dotąd niewykorzystanym źródłem metali ziem rzadkich. „Gdyby to źródło zostało wykorzystane, odpady lampowe, które Szwajcaria obecnie wysyła za granicę, aby składować je na wysypiskach, mogłyby zostać poddane recyklingowi tutaj, w Szwajcarii” — mówi Mougels. W ten sposób odpady lampowe mogłyby służyć jako miejska kopalnia europu i sprawić, że Szwajcaria byłaby mniej zależna od importu.
„Nasze podejście do recyklingu jest znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż wszystkie konwencjonalne metody wydobywania metali ziem rzadkich z rud mineralnych”.
W przeszłości europ był głównie używany jako fosfor w lampach fluorescencyjnych i ekranach płaskich, co prowadziło do wysokich cen rynkowych. Ponieważ lampy fluorescencyjne są obecnie stopniowo wycofywane, popyt spadł, więc poprzednie metody recyklingu europu nie są już ekonomicznie opłacalne. Bardziej wydajne strategie separacji są jednak pożądane i mogłyby pomóc w wykorzystaniu ogromnych ilości tanich odpadów z lamp fluorescencyjnych, w których zawartość metali ziem rzadkich jest około 17 razy wyższa niż w rudach naturalnych.
Zmniejsz popyt
Tym pilniejsza staje się kwestia odzyskiwania metali rzadkich pod koniec cyklu życia produktu i utrzymywania ich w obiegu – jednak wskaźnik odzysku metali ziem rzadkich w UE wciąż wynosi mniej niż jeden procent.
Zasadniczo każdy proces separacji metali ziem rzadkich można stosować zarówno do ekstrakcji z rudy, jak i do odzyskiwania z odpadów. Jednak dzięki swojej metodzie naukowcy celowo skupiają się na recyklingu surowców, ponieważ jest to o wiele bardziej ekologiczne i ekonomiczne. „Nasze podejście do recyklingu jest znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż wszystkie konwencjonalne metody ekstrakcji metali ziem rzadkich z rud mineralnych” — mówi Mougel.
Naukowcy opatentowali swoją technologię i są w trakcie zakładania start-upu o nazwie REEcover, aby w przyszłości ją skomercjalizować. Obecnie pracują nad dostosowaniem procesu separacji do innych metali ziem rzadkich, takich jak neodym i dysproz, które występują w magnesach. Jeśli się to powiedzie, Marie Perrin chce rozwinąć start-up po doktoracie i wdrożyć recykling metali ziem rzadkich w praktyce.
Odniesienie
Perrin MA, Dutheil P, Wörle M & Mougel V. Odzyskiwanie europu z odpadów elektronicznych przy użyciu ligandów tetratiotulungstanu o działaniu redoks. Nat Commun 15, 4577 (2024). doi: 10.1038/s41467’024 -48733-z
Michał Keller
