فلزات نادر در گوشی‌های هوشمند و فناوری‌های مدرن کاربرد دارند، اما استخراج آنها کار ساده‌ای نیست. به‌تازگی دانشمندان دانشگاه Rice در تگزاس موفق به بازیافت این عناصر از خاکستر زغال‌سنگ شده‌اند.
نئودیمیم (Neodymium- Nd)، یوروپیوم (Europium- Eu)، و تربیوم (Terbium- Tb) فلزات کمیابی هستند که در گذشته کمتر اسمی از آنها شنیده می‌شد. این فلزات به دلیل خواص الکتریکی و مغناطیسی خاص‌شان در صفحات لمسی گوشی‌ها، موتورهای خودروهای الکتریکی، توربین‌های بادی و فناوری‌های مدرن دیگر جایگاه ویژه‌ای دارند. استخراج این عنصرها از معادن گران و ناکارآمد است چرا که سطح وسیعی برای یافتن مقدار اندکی از این عناصر کاوش می‌شود. همچنین، هنگام استخراج این فلزات از معادن مواد رادیواکتیو زیادی هم نصیب‌تان می‌شود که مشکلاتی ایجاد می‌کنند؛ آب مورد استفاده در زمان استخراج قابل بازیافت نبوده و باید دور ریخته شود.
بازیافت عنصرهای زمینی نادر (REE) از خاکستر بجامانده از سوزاندن زغال‌سنگ نسبت به استخراج آنها از معدن‌ها روشی ارزان‌تر، ساده‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست است چراکه به مقدار قابل توجهی انرژی و اسید کمتر نیاز دارد. هم‌اکنون می‌توان عنصرهای زمینی نادر که برای گوشی‌های هوشمند و خودروهای برقی حیاتی هستند را به جای معادن از پسماند زغال‌سنگ استخراج کرد.
منبع جدید و ارزان
هر تن از خاکستر زغال‌سنگ تنها نیم کیلوگرم از فلزات نادر در خود دارد اما همین مقدار انگیزه‌های زیادی برای بازیافت آنها ایجاد می‌کند. تپه‌های عظیمی از خاکستر زغال‌سنگ در دنیا وجود دارد که شامل سیلیکون، آلومینیوم، آهن و اکسیدهای کلسیم هستند و یک لایه‌ی شیشه‌ای به دور عنصرهای نادر تشکیل می‌دهند؛ این پوشش شیشه‌ای بازیافت فلزات کمیاب را به روش‌های معمول بسیار سخت می‌کند. این فرآیندها، زمان‌بر و مخرب برای محیط‌زیست بوده و نیازمند فرآیند لیچینگ با اسیدهای قوی هستند. همچنین، ضایعات الکترونیکی از دستگاه‌های قدیمی (مثل کامپیوترها و گوشی‌های هوشمند) و پسماند بوکسیت (گِل قرمز) منابع دیگری برای بازیافت فلزات نادر خواهند بود. پسماند بوکسیت محصول جانبی سمی در تولید آلومینیوم است.
جیمز تور James Tour و همکارانش از دانشگاه Rice به راهی برای بازیافت این فلزات از خاکستر زغال‌سنگ، پسماند بوکسیت و ضایعات الکترونیکی دست یافته‌اند. خاکستر زغال‌سنگ پودر نرم سیاهی است که با سوختن زغال‌سنگ در نیروگاه‌ها به جا می‌ماند. این روش می‌تواند مشکلات تولیدکنندگان برای تامین این فلزات نادر را حل کرده و حاشیه‌ی سود آنها را افزایش دهد.
گرمایش ژول آنی
این پژوهشگران رهیافتی به نام گرمایش ژول آنی (flash Joule heating) توسعه داده‌اند. در این روش خاکستر را در یک لوله کوارتزی جاسازی می‌کنند و سپس یک جریان الکتریکی بزرگ از میان آن به مدت یک ثانیه عبور می‌دهند. این جریان بزرگ آنی دمای خاکستر را به ۳۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رساند. پیش از این و در سال ۲۰۲۰، آزمایشگاه پروفسور تور توانایی گرمایش ژول آنی برای تبدیل زباله‌های پلاستیکی به گرافن را هم به نمایش گذاشتند. این گرمادهی سریع گلوله‌های شیشه‌ای میکروسکوپی حاوی فلزات کمیاب موجود در خاکستر را می‌شکند و ترکیبات فسفاتی این فلزات را به ترکیبات اکسیدی تغییر می‌دهد؛ ترکیبات اکسیدی با استفاده از اسیدهای ملایم راحت‌تر از ترکیبات فسفاتی جداسازی می‌شوند.
در فرآیند صنعتی استخراج فلزات کمیاب از ۱۵ مول نیتریک اسید غلیط استفاده می‌شود. این در حالی است که در فرآیند گرمایش ژول آنی تنها ۰.۱ مول هیدروکلریک اسید که بسیار ضعیف‌تر از اسید نیتریک است به‌کار می‌رود. این مقدار اسید حتی محصول بازیافتی بیشتری هم تولید می‌کند. فرآیند گرمایش آنی فلزات سنگین سمی هم آزاد می‌کند که به راحتی می‌توان آنها را از خاکستر باقیمانده جدا کرد. حتی مواد پسماند فرآیند گرمایش آنی زباله نیستند و به طور بالقوه به عنوان مواد افزودنی بتن کاربرد دارند.
در ویدئوی زیر می‌توانید توضیحات دکتر James Tour را درباره‌ی روش flash Joul heating ببینید.
منبع: New Scientist
