«Тостероподобный» процесс позволяет извлекать редкоземельные элементы из электронных отходов.

Новый процесс упрощает переработку химических элементов, используемых для производства самых мощных постоянных магнитов . Эти редкоземельные магниты используются в жестких дисках и электродвигателях электромобилей. Помимо использования в магнитах, редкоземельные элементы применяются в лазерах , стекле, электронике и множестве других областей, важных для современной повседневной жизни. Их добыча и разделение обходятся дорого, и они долгое время были геополитическим инструментом в торговых войнах , включая нынешнюю между Соединенными Штатами и Китаем .

По сравнению с существующими методами извлечения редкоземельных элементов, процесс, основанный на быстром нагреве отходов магнитного материала в присутствии хлора, сокращает количество технологических этапов на треть, снижает энергопотребление на 87 процентов и уменьшает выбросы парниковых газов на 84 процента . Таковы результаты анализа жизненного цикла, проведенного исследователями под руководством Джеймса Тура , химика из Университета Райса. Описание их процесса приведено в недавней статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Редкоземельные элементы в электронике

Редкоземельные элементы не являются дефицитными, но их добыча сложна и дорога. Состоящие из многих элементов, находящихся в нижней части периодической таблицы, они обычно встречаются в смешанных месторождениях, и их чрезвычайно трудно разделить друг от друга, поскольку они обладают очень схожими химическими свойствами. Разделение их для различных применений является дорогостоящим и требует сложной обработки. Китай контролирует большую часть мировых запасов редкоземельных элементов , а также большую часть мировых мощностей по переработке и разделению этих минералов. По словам Тура, большая часть редкоземельных магнитов, используемых в Соединенных Штатах , импортируется из Китая.

Тур говорит, что такие страны, как Соединенные Штаты, обладают обильными запасами элементов, уже разделенных друг от друга — просто в виде электронных отходов . «Концентрация этих отходов в 100–1000 раз выше, чем в рудах», — говорит Тур.

Существующие методы переработки редкоземельных элементов требуют высоких температур, многоступенчатой ​​обработки, использования агрессивных растворителей и больших объемов энергии. Тур сравнивает установку своей лаборатории с тостером, который использует электричество для быстрого нагрева кварцевой трубки под ломтиком хлеба. Вместо кварцевой трубки в этом реакторе в качестве нагревательного элемента используется лист копировальной бумаги, который может нагреваться гораздо сильнее, примерно до 10 000 кельвинов в секунду (более 9700 °C). Хотя элемент невероятно сильно нагревается, это происходит за очень короткое время, поэтому процесс, называемый мгновенным джоулевым нагревом , не требует больших затрат энергии.

Технология переработки начинается с того, что измельченные, размагниченные отходы помещаются на копировальную бумагу и быстро нагреваются в присутствии газообразного хлора. Процесс разделения основан на простой химии — разнице температур, при которых различные металлы легко реагируют с хлором. Оксиды редкоземельных элементов реагируют с хлором только при температуре выше примерно 1350 °C, но другие металлы в магнитах, называемые переходными металлами, реагируют с хлором при температуре около 1000 °C. В процессе, разработанном группой исследователей из Университета Райса, используется импульсный джоулев нагрев для достижения температуры около 1000 °C, в результате чего образуются хлориды переходных металлов, которые испаряются, оставляя редкоземельные элементы с чистотой около 90 процентов.

На данный момент группа Тура протестировала этот процесс на двух наиболее распространенных материалах для редкоземельных магнитов: самариево- кобальтовом и неодимово-железо-борном . «Можно взять эти магниты, извлечь из них материал, и он послужит основой для нового магнита», — говорит Тур. Этот процесс также может повысить эффективность производства магнитов: при нарезке неодимово- железо-борных магнитов более 70 процентов исходного материала превращается в отходы.

Тур говорит, что его простой процесс вырос из его работы по синтезу графена . В 2020 году его команда продемонстрировала, что графен можно получить, поместив любой углеродсодержащий материал между электродами и быстро нагрев его. Компания Universal Matter, созданная на базе его лаборатории, использует импульсный джоулев нагрев для производства тонны графена за день, говорит Тур.

При поддержке Агентства перспективных оборонных исследований (DARPA ) лаборатория Тура начала работу над использованием импульсного джоулева нагрева для отделения ценных металлов от электронных отходов. Эта работа, первоначально сосредоточенная на критически важных минералах, включая индий , галлий и тантал , была лицензирована компанией Metallium , занимающейся разведкой полезных ископаемых в Западной Австралии . Компания планирует открыть в декабре в Техасе установку по извлечению металлов из электронных отходов с помощью импульсного джоулева нагрева.