Doktorantka ETH Marie Perrin prezentuje nowe podejście do recyklingu. W lewej ręce trzyma surowiec w postaci świetlówki, a w prawej żółty odczynnik, który potrafi oddzielać metale ziem rzadkich. Źródło: Fabio Masero / ETH Zurych
Naukowcy opracowują proces inspirowany naturą, który skutecznie odzyskuje europ ze starych lamp fluorescencyjnych. Takie podejście mogłoby doprowadzić do długo oczekiwanego recyklingu metali ziem rzadkich.
- Mała cząsteczka, która w naturalny sposób służy jako miejsce wiązania metali w enzymach, okazuje się również przydatna do oddzielania od siebie niektórych metali ziem rzadkich.
- W ramach weryfikacji koncepcji proces ten polega na ekstrakcji europu bezpośrednio z proszku fluorescencyjnego w zużytych lampach energooszczędnych w znacznie większych ilościach niż w przypadku istniejących metod.
- Naukowcy pracują obecnie nad rozszerzeniem swojego podejścia na inne metale ziem rzadkich. Są w trakcie zakładania start-upu, który miałby wdrożyć recykling tych surowców w praktyce.
Metale ziem rzadkich nie są tak rzadkie, jak sugeruje ich nazwa. Są one jednak niezbędne dla współczesnej gospodarki. W końcu te 17 metali to niezbędne surowce do cyfryzacji i transformacji energetycznej. Można je znaleźć w smartfonach, komputerach, ekranach i bateriach – bez nich nie działałby żaden silnik elektryczny i żadna turbina wiatrowa nie obracałaby się. Ponieważ Europa jest prawie całkowicie uzależniona od importu z Chin, surowce te uważa się za krytyczne.
Jednak metale ziem rzadkich są również krytyczne ze względu na ich ekstrakcję. Zawsze występują w postaci złożonej w naturalnych rudach – ale ponieważ te pierwiastki są bardzo podobne pod względem chemicznym, trudno je rozdzielić. Tradycyjne procesy separacji są zatem bardzo chemicznie i energochłonne i wymagają kilku etapów ekstrakcji. To sprawia, że ekstrakcja i oczyszczanie tych metali jest kosztowne, czasochłonne i zasobochłonne oraz niezwykle szkodliwe dla środowiska.
Innowacyjne techniki recyklingu
„W Europie metale ziem rzadkich prawie w ogóle nie są poddawane recyklingowi” – mówi Victor Mougel, profesor w Laboratorium Chemii Nieorganicznej w ETH Zurich. Zespół badaczy pod przewodnictwem Mougela chce to zmienić. „Istnieje pilne zapotrzebowanie na zrównoważone i nieskomplikowane metody oddzielania i odzyskiwania tych strategicznych surowców z różnych źródeł” – mówi chemik.
W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczazespół przedstawił zaskakująco prostą metodę skutecznego oddzielania i odzyskiwania europu będącego metalem ziem rzadkich ze złożonych mieszanin zawierających inne metale ziem rzadkich.
Inspirowany naturą
Marie Perrin, doktorantka w grupie Mougela i pierwsza autorka badania, wyjaśnia: „Istniejące metody separacji opierają się na setkach etapów ekstrakcji ciecz-ciecz i są nieefektywne – recykling europu był jak dotąd niepraktyczny”. W swoim badaniu pokazali, jak prosty odczynnik nieorganiczny może znacząco poprawić separację. „Dzięki temu możemy otrzymać europ w kilku prostych krokach – i to w ilościach co najmniej 50 razy większych niż w przypadku poprzednich metod separacji” – mówi Perrin.
Klucz do tej techniki można znaleźć w małych cząsteczkach nieorganicznych zawierających cztery atomy siarki wokół wolframu lub molibdenu: tetratiometalany. Inspiracją dla badaczy był świat białek. Tetratiometalany występują jako miejsca wiązania metali w naturalnych enzymach i stosowane są jako substancje aktywne w walce z nowotworami i zaburzeniami metabolizmu miedzi.
Po raz pierwszy tetratiometalany stosuje się obecnie również jako ligandy do oddzielania metali ziem rzadkich. W grę wchodzą ich wyjątkowe właściwości redoks, redukujące europ do jego niezwykłego stanu dwuwartościowego, a tym samym ułatwiające oddzielanie od innych trójwartościowych metali ziem rzadkich.
Szybki recykling europu z lamp fluorescencyjnych. Źródło: Marie Perrin / ETH Zurych
Praktyczne zastosowania i wpływ na środowisko
„Zasada jest tak wydajna i solidna, że możemy ją zastosować bezpośrednio do zużytych lamp fluorescencyjnych, bez typowych etapów obróbki wstępnej” – mówi Mougel.
Odpady elektroniczne są ważnym, lecz jak dotąd niewykorzystanym źródłem metali ziem rzadkich. „Gdyby wykorzystano to źródło, odpady lampowe, które Szwajcaria obecnie wysyła za granicę w celu wyrzucenia na wysypisko, mogłyby zostać poddane recyklingowi tutaj, w Szwajcarii” – mówi Mougels. W ten sposób odpady lampowe mogłyby służyć jako miejska kopalnia europu i zmniejszyć zależność Szwajcarii od importu.
„Nasze podejście do recyklingu jest znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż wszystkie konwencjonalne metody ekstrakcji metali ziem rzadkich z rud mineralnych”.
— Wiktor Mougel
W przeszłości europ był używany głównie jako fosfor w lampach fluorescencyjnych i telewizorach z płaskim ekranem, co prowadziło do wysokich cen rynkowych. W miarę stopniowego wycofywania świetlówek popyt spadł, w związku z czym dotychczasowe metody recyklingu europu przestały być opłacalne. Niemniej jednak pożądane są skuteczniejsze strategie separacji, które mogłyby pomóc w wykorzystaniu ogromnych ilości tanich odpadów z lamp fluorescencyjnych, w których zawartość metali ziem rzadkich jest około 17 razy wyższa niż w rudach naturalnych.
Strategiczne wysiłki w zakresie recyklingu
To sprawia, że odzyskiwanie metali rzadkich po zakończeniu cyklu życia produktu i utrzymywanie ich w obrocie staje się jeszcze pilniejsze, choć wskaźnik odzysku pierwiastków ziem rzadkich w UE nadal wynosi poniżej jednego procenta.
W zasadzie każdy proces separacji metali ziem rzadkich można zastosować zarówno do ekstrakcji z rudy, jak i do odzysku z odpadów. Jednak w swojej metodzie badacze celowo skupiają się na recyklingu surowców, ponieważ ma to znacznie większy sens ekologiczny i ekonomiczny. „Nasze podejście do recyklingu jest znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż wszystkie konwencjonalne metody ekstrakcji metali ziem rzadkich z rud mineralnych” – mówi Mougel.
Nowe przedsięwzięcia i komercjalizacja
Naukowcy opatentowali swoją technologię i są w trakcie zakładania start-upu o nazwie REEcover, aby w przyszłości ją skomercjalizować. Obecnie pracują nad dostosowaniem procesu separacji dla innych metali ziem rzadkich, takich jak neodym i dysproz, które znajdują się w magnesach. Jeśli to się powiedzie, Marie Perrin chce po doktoracie rozbudować start-up i wdrożyć recykling metali ziem rzadkich w praktyce.
Odniesienie: „Recovery of europ from E-waste using redox active tetrathiotungstate ligands” autorstwa Marie A. Perrin, Paula Dutheila, Michaela Wörle i Victora Mougela, 3 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48733-z
