特殊的液体予传统的稀土分离提供清洁的替代品

nl.gov-两种独特的材料和传统的固体、液体或气体的行为不一样,它们可以取代当前金属生产过程中使用的有毒化学物质。新方法使用室温下为液态的盐类与气体类似的物质...


nl.gov-两种独特的材料和传统的固体、液体或气体的行为不一样,它们可以取代当前金属生产过程中使用的有毒化学物质。

新方法使用室温下为液态的盐类与气体类似的物质结合,但溶解液体等物质。它们一起可以提供一种将高纯度稀土元素(REE)转化为金属的方法,而无需使用传统方法所需的有毒熔盐。

生产磁铁、电池、微电子和其他部件所需的高纯度稀土金属,从清洁能源技术到手机、到导弹制导系统。美国需要一个稳定的稀土供应链,才能具有竞争力。

这就是为什么美国能源部最近向爱达荷国家实验室的研究人员提供资金,这些研究人员正在开发一种低温工艺,此工艺使用更少的能源并减少浪费。关键材料研究所(CMI)是2013年成立的美国能源部能源创新中心,正在资助这项工作。

INL化学家Donna Baek博士正在进行关于如何使用室温离子液体(RTILs)和电化学来制造稀土元素的金属形式的实验。

顾名思义,RTIL是在低温下呈液态的盐。Baek研究的核心概念是可以使用电化学电池将含有稀土元素的原料粉末转化为其还原金属形式。关键是将粉末溶解到RTIL中。

RTILs最大的挑战是它们的粘度,这限制了溶解离子向电池阴极的移动,在那里还原成纯金属。为了解决这个问题,Baek介绍了超临界流体,保持在一定温度和压力下的物质,使它们像气体一样穿过固体,并溶解液体等物质。

Baek最初只专注于超临界流体。 “我思考了一下,看看我能如何才能实现这个目标,那就是当离子液体进入我的脑海时,”她说。 “我以前曾使用过离子液体,所以我知道离子液体会成为我在超临界流体中进行电化学所需的胶水。”

稀土元素是在地壳中发现的一组元素,实际上并不是那么罕见,但由于它们在化学上非常相似,所以难以彼此分离。想象一下,含有REE的溶液将所有单个成分混合在一起,很难确定组成该混合物的各个组分。

由于稀土元素是手机、电脑硬盘、电动和混合动力汽车以及平板显示器和电视机的必备组件,对其的需求如雨后春笋般涌现。与此同时,生产变得更加集中。

美国矿业局于20世纪60年代开发了将REE盐和氧化物转化为金属的传统冶金方法,INL的高级化学研究员Robert Fox博士经常与Baek合作。该方法涉及高温下的熔融氯化物和氟化物盐。环境影响和废物流毒性极大。

RTIL比高温氟化物和氯化物盐更环保,并且由于该工艺更新离子液体,废物流更小。最终产品与熔盐工艺产量相当。

“这将是一个市场颠覆性技术,用于处理和提炼来自开采和回收来源的REE混合物,”Fox说。 “这项技术将通过允许稀土氧化物和稀土金属形式之间的相互转化来帮助稳定稀土供应链。”

虽然实验室级别的结果已经显示出前景,但真正的挑战在扩大。“成功的化学只是一个开始,”福克斯说,“研究人员必须证明,实验室结果可以在商业上可行的水平上实现,而最终产业必须采用一个流程才能被描述为成功。”