From The DOE's Pacific Northwest National Laboratory：“Critical Minerals Recovery from Electronic Waste”

Pacific Northwest National Laboratory（PNNL） 研究人员实现了从电子废物中可持续回收矿物。具有讽刺意味的是，现代生活中似乎不可或缺的设备——手机、个人电脑和任何电池供电的东西——完全依赖于从采矿业中提取的矿物质，而采矿业是人类最古老的产业之一。一旦这些设备的使用寿命耗尽，它们通常会以数百万的数量被送回地球的垃圾填埋场。

但是，如果我们能够“开采”电子垃圾，回收其中含有的有用矿物质，而不是将他们扔掉，那会怎么样呢？美国能源部西北太平洋国家实验室的一个研究小组开发了一种从电子垃圾中回收有价值矿物质的巧妙方法，该方法有望实现这一目标。材料分离学家 Qingpu Wang 于 2024 年 4 月 25 日在华盛顿州西雅图举行的 2024 年材料研究学会（MRS）春季会议上介绍最近在选择性回收锰、镁、镝和钕等对现代电子产品至关重要的矿物质方面取得的成功。

顺其自然（Go with the flow）

正如三棱镜可以根据不同的波长将白光分为炫目的彩虹色一样，金属也可以利用其各自的特性相互分离。然而，目前的分离方法不仅速度慢，而且需要大量的化学和能源。这些障碍使得从电子废物流中回收有价值的矿物在经济上不可行。

一种新型分离技术从模拟电池废料中分离出锰（插图：Mike Perkins | 太平洋西北国家实验室）

相比之下，PNNL 研究小组利用一种简单的混合盐水基溶液和他们对金属特性的了解，在连续流动的反应室中分离出有价值的矿物。

本周发表的两篇互补性研究文章详细介绍了这一方法，该方法基于不同金属在化学反应室中的行为，在化学反应室中，两种不同的液体不断流动。研究小组利用金属随时间以不同速度形成固体的趋势，对它们进行分离和提纯。

“我们的目标是开发一种环保且可扩展的分离工艺，从电子垃圾中回收有价值的矿物，”Wang 说。“在这里，我们展示了我们可以在不使用复杂、昂贵试剂或耗时工艺的情况下，空间分离并回收近乎纯净的稀土元素。”

2024 年 2 月，该研究小组首次报告成功地从混合液体中分离出两种重要的稀土元素——钕和镝。这两种分离提纯的固体在反应室中形成只需 4 小时，而传统分离方法通常需要 30 小时。这两种关键矿物用于制造计算机硬盘和风力涡轮机中的永久磁铁等。迄今为止，分离这两种性质非常相似的元素一直是一项挑战。从电子废弃物中经济地回收这两种元素的能力可以为这些关键矿物开辟一个新的市场和来源。

从电子垃圾中回收矿物并不是这种分离技术的唯一应用。研究小组正在探索从海水以及采矿废料和盐湖卤水中回收镁。Wang 补充说：“下一步，我们将修改反应器的设计，以高效回收更多的产品。”

从模拟电池废料中回收锰（Recovering manganese from simulated battery waste）

Wang 和他的同事，PNNL 材料科学家 Elias Nakouzi 使用一种补充技术表明，他们可以从模拟溶解锂离子电池废料的溶液中回收近乎纯净的锰（＞96%）。电池级锰由全球少数几家公司生产，主要用于电池的阴极或负极。

在这项研究中，研究小组使用了一种基于凝胶的系统，根据样品中金属的不同传输和反应速率来分离材料。

“这个过程的美妙之处在于它的简单性，”Nakouzi 说。“我们没有依赖高成本或特殊材料，而是将事情简化为思考离子行为的基本原理。这就是我们找到灵感的地方。”

该团队正在扩大研究范围，并将通过 PNNL 的一项新倡议“非平衡传输驱动分离（NETS）”来扩大该工艺的规模，该倡议正在开发环境友好型的新分离技术，以提供一个强大的关键矿物和稀土元素国内供应链。Nakouzi 表示：“我们希望这种方法能够广泛应用于复杂原料流和各种化学物质的化学分离，从而实现更可持续的材料提取和加工。”

（来源：DOE/Pacific Northwest National Laboratory；榆镁观察编译）