Ученые из Университета Райс (г. Хьюстон в Техасе) под руководством Джеймса Тура и Шичена Сю представили новый высокоскоростной метод извлечения редкоземельных элементов из отходов электроники, таких как отработанные магниты. Этот подход, основанный на технологии мгновенного джоулевого нагрева, позволяет восстановить до 90% ценных материалов и сулит существенные экологические и экономические выгоды по сравнению с традиционными способами переработки.
Обычная переработка редкоземельных элементов требует больших энергозатрат и приводит к образованию токсичных отходов. Новая методика использует мгновенный джоулев нагрев, который за миллисекунды разогревает материал до тысяч градусов, в сочетании с газообразным хлором. Этот процесс позволяет извлечь редкоземельные элементы за секунды, не требуя при этом воды или кислот, что является ключевым улучшением для более экологичной переработки.
Как пояснил Джеймс Тур, профессор химии и один из авторов исследования, продемонстрированная технология позволяет восстанавливать редкоземельные элементы из электронных отходов за секунды с минимальным воздействием на окружающую среду. Такой прорыв необходим для создания устойчивой и замкнутой цепочки поставок.
В основе процесса лежит термодинамический принцип. Исследователи предположили, что комбинация мгновенного джоулева нагрева и хлора может использовать разницу в свободной энергии Гиббса и температурах кипения для селективного удаления элементов, не являющихся редкоземельными, таких как железо и кобальт. Эти элементы сначала хлорируются и испаряются, оставляя после себя оксиды редкоземельных элементов. Метод был успешно испытан на отходах неодим-железо-боровых и самарий-кобальтовых магнитов.
По словам Шичена Сю, ведущего автора исследования, термодинамическое преимущество делает процесс эффективным и чистым. Этот метод не только работает за малую долю времени по сравнению с традиционными подходами, но и, что ранее казалось невозможным, полностью избегает использования воды и кислот.
Лабораторные эксперименты, дополненные анализом жизненного цикла и технико-экономическим обоснованием, подтвердили, что в рамках одной стадии процесса достигается чистота и выход редкоземельных элементов свыше 90%. Согласно расчетам, метод позволяет сократить энергопотребление на 87%, выбросы парниковых газов на 84% и операционные затраты на 54% по сравнению с гидрометаллургией.
Сверхбыстрый процесс открывает возможность создания небольших или крупных предприятий по переработке непосредственно вблизи пунктов сбора электронных отходов. Локализованные системы могут быстро и чисто перерабатывать отработанные магниты, снижая транспортные расходы и воздействие на окружающую среду. Как отметил Джеймс Тур, результаты показывают, что это не просто академическое упражнение, а жизнеспособный промышленный путь.
Университет Райс уже передал лицензию на интеллектуальную собственность стартапу Flash Metals USA из Техаса, который планирует начать производство к первому кварталу 2026 года. Данная разработка представляет собой значительный шаг на пути к масштабируемой, замкнутой и экологически ответственной экономике редкоземельных элементов, потенциально преобразуя методы рекуперации критически важных материалов по всему миру.