Ученые разрабатывают новый метод обработки для разделения редкоземельных металлов

Новые методы разделения редкоземельных металлов, которые были разработаны исследователями Массачусетского технологического института, призваны снизить надвигающуюся проблему нехватки дорогостоящих металлов. Речь идёт о редкоземельных элементах, которые используются в литий-ионных аккумуляторов. Сейчас от них питаются телефоны, ноутбуки, электромобили и т. д. Учёные придумали, как упростить выделение редкоземельных металлов из рудного материала, а также из вторичного сырья при переработке.

Результаты своей исследователи опубликовали в журнале Nature. Компания сообщает, что разработанная методика позволяет металлам оставаться в твердой форме и разделяться без растворения материала. Это позволяет отказаться от традиционных дорогостоящих методов растворения металлов и разделения растворов. Эти процессы требуют существенных затрат энергии. В рамках разработанной технологии Алланору и Стинн разработали условия для выделения 56 элементов. Сообщается, что эти условия они попробовали на 15 элементах.

Как пишут учёные, их подход к сульфидированию позволит снизить капитальные затраты на разделение металлов от смешанных оксидов металлов примерно на 65-95%. Кроме того, селективная обработка поможет уменьшить выбросы парниковых газов на 60-90% по сравнению с традиционной технологией разделения на основе растворов. Стинн говорит, что они рады предложить новые процессы для экологичного разделения металлов. Это может существенно улучшить разделение редкоземельных элементов.

Одной из положительных сторон новой методики исследователи называют возможность снижения растущего спроса на кобальт, литий и редкоземельные элементы, которые применяются в электромобилях, солнечных панелях и другом оборудовании, предназначенном для генерации и хранения энергии. Как говорится в отчёте международного энергетического агентства за 2021 год, среднее количество полезных ископаемых, требуемых для новой единицы генерирующих мощностей, с 2010 года выросло на 50%. Увеличение происходит за счёт возобновляемых источников энергии, которые используют редкоземельные и дорогостоящие металлы.

Группа Антуана Алланору уже больше 10 лет изучает использование сульфидных материалов при разработке новых электрохимических методов производства металлов. Сульфиды являются давно известными и распространенными материалами. Однако специалисты Массачусетского технологического института проводят эксперименты с ними в экстремальных условиях. Они работают с ними при высоких температурах (400-1700 С). Такие условия больше подходят для производств, а не лаборатории в университете. Алланору говорит, что они отбирают хорошо зарекомендовавшие себя материалы и находят для них новое применение.

В процессе синтеза высокотемпературных сульфидных материалов для поддержки электротехнического производства им удалось добиться избирательности и тщательного контроля производимых продуктов. То есть, они научились выделять из множества элементов именно те, которые им нужны.

В результате химической реакции, которую используют учёные, материал из смеси оксидов металлов реагирует с образованием новых соединений или сульфидов металл-сера. В процессе реакции они меняют такие параметры, как температура, давление газа, содержание углерода. В результате они могут выборочно создавать различные твёрдые частицы сульфида, которые в дальнейшем можно физически разделить при помощи различных методик. Например, это может быть дробление и разделение частиц сульфидов разного размера. Также для разделения могут применяться магниты.

Современные производственные методы разделения редких металлов основываются на использовании большого количества воды, кислот, органических растворителей и требуют много энергии. Всё это создаёт отрицательное воздействие на окружающую среду и увеличивает стоимость материалов на выходе. Учёные говорят, что они используют в своей работе доступные и недорогие материалы, включив в них сульфиды и серу. Алланору и Стинн смогли настроить селективное сульфидирование для отделения такого критически важного для аккумуляторной индустрии металла, как кобальт. Они также использовали разработанную методику для отделения диспрозия. Этот редкоземельный элемент используется в устройствах хранения данных, оптоэлектронике и т. п.

Алланору отмечают, что кобальт и редкоземельные элементы встречаются в природе в небольших количествах. Из-за этого добывающая промышленность должна обрабатывать большие объёмы материала, чтобы извлечь значимое количество этих металлов. Причём современные процессы обработки являются неэффективными. Большинство выбросов, по словам Алланору, происходит из-за низкой концентрации и недостаточной избирательности, при которой эти процессы работают.

Технология, разработанная исследователями Массачусетского технологического института, устраняет необходимость таких стадий, как растворение, разделение жидкостей, повторное осаждение, выпаривание и т. п. Всё это заметно снижает затраты при разделении металлов. При этом ученые отмечают, что разработанная ими методика позволяет использовать многие уже существующие технологии и производственную инфраструктуру. Реакции, предложенные ими, можно реализовать в уже имеющихся типах реакторов и прочем оборудовании.

На следующем этапе исследований учёные планируют показать, что разработанная ими методика может быть использована на больших объёмах сырья. Они планируют выделить 16 элементов из различного исходного сырья. Алланору говорит, что это необходимо для отработки технологии выделения нескольких элементов одновременно. А также нужно опробовать технологию в масштабах добычи, соответствующим работе на горнодобывающей шахте.

Стиннс с коллегами построили в лаборатории реактор, способный перерабатывать примерно 10 кг сырья в день. Теперь они ведут переговоры с несколькими корпорациями для использования технологии в промышленных масштабах.