En ny metod förbättrar utvinningen och separeringen av sällsynta jordartsmetaller - en grupp av 17 element som är avgörande för teknologier som smarta telefoner och elbilsbatterier - från okonventionella källor. Ny forskning ledd av forskare vid Penn State och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) visar hur ett protein isolerat från bakterier kan ge ett mer miljövänligt sätt att extrahera dessa metaller och att separera dem från andra metaller och från varandra. Metoden skulle så småningom kunna skalas upp för att hjälpa till att utveckla ett inhemskt utbud av sällsynta jordartsmetaller från industriavfall och elektronik som ska återvinnas.

"För att möta den ökande efterfrågan på sällsynta jordartsmetaller för användning i framväxande ren energiteknik, vi måste ta itu med flera utmaningar i försörjningskedjan, " sa Joseph Cotruvo Jr., biträdande professor och Louis Martarano Karriärutvecklingsprofessor i kemi vid Penn State, en medlem av Penn State's Center for Critical Minerals, och motsvarande författare till studien. "Detta inkluderar att förbättra effektiviteten och lindra miljöbelastningen av utvinnings- och separationsprocesserna för dessa metaller. I denna studie, vi visar en lovande ny metod som använder ett naturligt protein som kan skalas upp för att extrahera och separera sällsynta jordartsmetaller från lågvärdiga källor, inklusive industriavfall."

Eftersom USA för närvarande importerar de flesta av de sällsynta jordartsmetaller som de behöver, ett nytt fokus har lagts på att etablera ett inhemskt utbud från okonventionella källor, inklusive industriavfall från förbränning av kol och brytning av andra metaller samt elektroniskt avfall från mobiltelefoner och många andra material. Dessa källor är stora men anses vara "låggradiga, " eftersom de sällsynta jordartsmetallerna är blandade med många andra metaller och mängden sällsynta jordartsmetaller är för låg för att traditionella processer ska fungera bra. Dessutom, nuvarande metoder för extraktion och separation är beroende av starka kemikalier, är arbetsintensiva, involverar ibland hundratals steg, producera en stor mängd avfall, och är höga kostnader.

Den nya metoden drar fördel av ett bakterieprotein som kallas lanmodulin, tidigare upptäckt av forskargruppen, det är nästan en miljard gånger bättre på att binda till sällsynta jordartsmetaller än till andra metaller. En artikel som beskriver processen visas online den 8 oktober i tidskriften ACS Central Science.

Proteinet immobiliseras först på små pärlor i en kolonn - ett vertikalt rör som vanligtvis används i industriella processer - till vilket det flytande källmaterialet tillsätts. Proteinet binder sedan till de sällsynta jordartsmetallerna i provet, vilket gör att endast de sällsynta jordartsmetallerna kan hållas kvar i kolonnen och den återstående vätskan dräneras bort. Sedan, genom att ändra förutsättningarna, till exempel genom att ändra surheten eller lägga till ytterligare ingredienser, metallerna frigörs från proteinet och kan dräneras och samlas upp. Genom att noggrant ändra villkoren i följd, enskilda sällsynta jordartsmetaller kan separeras.

"Vi visade först att metoden är exceptionellt bra på att separera de sällsynta jordartsmetallerna från andra metaller, vilket är viktigt när man har att göra med låggradiga källor som är en klumpa ihop sig av metaller till att börja med, ", sade Cotruvo. "Även i en mycket komplex lösning där mindre än 0,1 % av metallerna är sällsynta jordartsmetaller – en ytterst låg mängd – har vi framgångsrikt extraherat och sedan separerat en grupp av de lättare sällsynta jordartsmetallerna från en grupp av de tyngre sällsynta jordartsmetallerna i ett steg. Denna separation är ett viktigt förenklingssteg eftersom de sällsynta jordartsmetallerna måste separeras i individuella element för att kunna införlivas i teknologin."

Forskargruppen separerade yttrium (Y) från neodym (Nd) – både rikligt förekommande i primära sällsynta jordartsmetaller och kolbiprodukter – med mer än 99 % renhet. De separerade också neodym från dysprosium (Dy) – en viktig sammankoppling som är vanlig i elektroniskt avfall – med mer än 99,9 % renhet på bara en eller två cykler, beroende på den ursprungliga metallsammansättningen.

"Den höga renheten hos det återvunna neodymet och dysprosiumet är jämförbart med andra separationsmetoder och åstadkoms i lika många eller färre steg utan att använda starka organiska lösningsmedel, " sa Ziye Dong, en postdoktor vid LLNL och första författare till studien. "Eftersom proteinet kan användas i många cykler, det erbjuder ett attraktivt miljövänligt alternativ till de metoder som för närvarande används."

Forskarna tror inte att deras metod nödvändigtvis kommer att ersätta den nuvarande vätske-vätske-extraktionsprocessen som vanligtvis används för högvolymproduktion av lättare sällsynta jordartsmetaller från högvärdiga källor. Istället, det kommer att möjliggöra effektiv användning av lågvärdiga källor och särskilt för utvinning och separation av de sällsynta och generellt sett mycket mer värdefulla tunga sällsynta jordartsmetallerna.

"Andra nya metoder är kapabla att utvinna sällsynta jordartsmetaller från lågvärdiga källor, men de stannar vanligtvis vid en "total" produkt som har alla sällsynta jordartsmetaller klumpat ihop, som har relativt litet värde och sedan måste kanaliseras till mer konventionella system för ytterligare rening av enskilda sällsynta jordartsmetaller, sa Dan Park, stabsforskare vid LLNL och medförfattare till studien. "Värdet ligger egentligen i produktionen av enskilda sällsynta jordartsmetaller och speciellt de tyngre grundämnena."

"Vår process är särskilt bekväm eftersom dessa högvärdiga metaller kan renas från kolonnen först, " tillade Cotruvo.

Forskarna planerar att optimera metoden så att färre cykler krävs för att erhålla produkter med högsta renhet och så att den kan skalas upp för industriell användning.

"Om vi ​​kan konstruera derivat av lanmodulinproteinet med större selektivitet för specifika element, vi skulle kunna återvinna och separera alla 17 sällsynta jordartsmetaller i ett relativt litet antal steg, även från de mest komplexa blandningarna, och utan några organiska lösningsmedel eller giftiga kemikalier, vilket skulle vara en mycket stor sak, ", sa Cotruvo. "Vårt arbete visar att detta mål borde vara uppnåeligt."