Nadir Toprak Elementlerini Ayırmak için Yeni Çevre Dostu Yöntem Geliştirildi

Fotoğraf : Endüstriyel atıklar gibi nadir toprak elementlerinin düşük kaliteli kaynakları genellikle nadir bulunan toprak elementlerini ve birlikte karıştırılan diğer metalleri içerir. Yeni bir ekstraksiyon ve ayırma yöntemi, kaynaktaki tüm nadir toprak elementlerine ilk olarak bağlanan lanmodulin (LanM) adı verilen bir proteine dayanır. Ardından diğer metaller boşaltılır ve çıkarılır. Örneğin asitliği değiştirerek veya şelatör adı verilen organik bileşikler eklenip numunenin koşullarını değiştirerek, tek tek nadir toprak elementlerinin bağları kalkabilir ve toplanabilir. Bir numune az seviyede nadir toprak elementlerine sahip olsa bile bu yeni prosedür, ağır nadir toprak elemanlarını yüksek saflığa sahip bir şekilde başarılı bir şekilde çıkarır ve ayırır. Kredi: Dong vd. 2021, ACS Merkezi Bilimi

Yeni bir yöntem, akıllı telefonlar ve elektrikli araç pilleri gibi teknolojiler için kritik önem taşıyan 17 öğeden oluşan bir grup olan nadir toprak elemanlarının alışılmadık kaynaklardan çıkarılmasına ve ayrılmasına katkıda bulunuyor. Penn State Üniversitesi ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda (LLNL) bilim insanları tarafından yürütülen yeni araştırmalar, bakterilerden izole edilen bir proteinin bu metalleri çıkarmak ve diğer metallerden ve birbirinden ayırmak için nasıl daha çevre dostu bir yol sağlayabileceğini gösteriyor. Bu yöntem, geri dönüşüme bağlı olarak endüstriyel atık ve elektronik donanımlardan nadir toprak metallerinin ev içi tedariğinin geliştirilmesine yardımcı olacak şekilde ölçeklenebilir.

Penn State Üniversitesi’nde görevli yardımcı doçent ve Louis Martarano Kimya bölümünde Kariyer Geliştirme Profesörü olup aynı zamanda Kritik Mineraller Merkezi’nin bir üyesi ve çalışmanın eş yazarlarından biri olan Joseph Cotruvo Jr., “Gelişmekte olan temiz enerji teknolojilerinde bulunan nadir toprak elementlerine yönelik artan talebi karşılamak için tedarik zincirindeki çeşitli zorlukları ele almamız gerekiyor,” dedi. “Bu, verimliliği artırmayı ve bu metaller için çıkarma ve ayırma süreçlerinin çevre yükünü azaltmayı içerir. Bu çalışmada, sanayi atıkları da dahil olmak üzere nadir toprak elementlerini düşük dereceli kaynaklardan çıkarmak ve ayırmak için ölçeklendirilebilecek doğal bir protein kullanarak umut verici yeni bir yöntem gösteriyoruz.”

ABD şu anda ihtiyaç duyduğu nadir toprak elementlerinin çoğunu ithal ettiği için, kömür yakarak ve diğer metalleri madenden kaynaklanan endüstriyel atıkların yanı sıra cep telefonlarından ve diğer birçok malzemeden gelen elektronik atıklar da dahil olmak üzere, alışılmadık kaynaklardan tedarik etmesine yeni bir odak noktası koymuştur. Bu kaynaklar çok büyüktür ancak “düşük dereceli” olarak kabul edilir, çünkü nadir bulunan bu elementler başka metallerle karıştırılır ve nadir bulunan bu elementlerin miktarı geleneksel süreçlerin iyi çalışması için çok düşüktür. Ayrıca, mevcut çıkarma ve ayırma yöntemleri zorlu kimyasallara dayanır, yoğun iş gücü gerektirir, bazen yüzlerce adım içerir, yüksek miktarda atık üretir ve yüksek maliyetlidir.

Yeni yöntem, daha önce araştırma ekibi tarafından keşfedilen ve nadir toprak elementlerine diğer metallere kıyasla neredeyse milyar kat daha iyi olan lanmodulin adlı metal bağlayıcı proteinden faydalanıyor. Bu süreci açıklayan bir makale, ACS Central Science dergisinde 8 Ekim’de çevrimiçi olarak yayınlandı.

Protein ilk olarak, sıvı kaynak malzemesinin eklendiği endüstriyel proseslerde yaygın olarak kullanılan dikey bir tüp olan bir sütun içindeki küçük parçacıklar üzerinde sabitlenir. Protein daha sonra numunedeki nadir topraklama elementlerine bağlanır ve sadece bu elementlerin sütunda tutulmasına ve kalan sıvının boşaltılmasına izin verir. Ardından, örneğin asitliği değiştirerek veya ek malzemeler ekleyip koşulları değiştirerek metaller proteinden ayrılır ve boşaltılıp toplanabilir. Koşullar sırayla dikkatlice değiştirilerek, nadir toprak elementleri birbirinden ayrılabilir.

Cotruvo, “Yöntemin ilk olarak nadir toprak elementlerini diğer metallerden ayırmada son derece iyi olduğunu gösterdik, bu başlangıçta metallerden oluşan ve karmakarışık halde olan düşük dereceli kaynaklarla uğraşırken önemlidir.” dedi. “Metallerin %0.1’den azının nadir topraklar olduğu çok karmaşık bir çözümde bile (son derece düşük bir miktar), tek adımda daha ağır nadir toprak elementlerinin bir grubunu, daha hafif nadir toprak elementlerinin bir grubundan başarılı bir şekilde çıkardık ve ayırdık. Bu ayırma işlemi, nadir bulunan elementlerin teknolojilere dahil edilmesi için ayrı elementlere ayrılması gerektiğinden, bu ayırma basitleştirmenin temel adımıdır.”

Araştırma ekibi, %99’den fazla saflıkta hem birincil nadir toprak yataklarında hem de kömür yan ürünlerinde bol bulunan itriyumu (Y) neodimyumdan (Nd) ayırdı. Ayrıca neodimyum, ilk metal bileşimine bağlı olarak sadece bir veya iki döngüde %99.9’den fazla saflıkta elektronik atıklarda yaygın olan önemli bir eşleştirme olan disprosyumdan (Dy) ayırdılar.

LLNL’te doktora sonrası araştırmacısı ve çalışmanın ilk yazarı Ziye Dong, “Ger kazanılan neodimyum ve disprosiyumun yüksek saflığı diğer ayırma yöntemleriyle karşılaştırılabilir ve sert organik çözücüler kullanılmadan çok sayıda veya daha az adımda başarılmıştır,” dedi. “Protein birçok döngü için kullanılabileceği için şu anda kullanılan yöntemlere göre cazip, çevre dostu bir alternatif sunmaktadır.”

Araştırmacılar, bu yöntemlerin genellikle yüksek kaliteli kaynaklardan daha hafif nadir toprak elementlerinin yüksek hacimli üretimi için kullanılan mevcut sıvı-sıvı ekstraksiyon işleminin yerini alacağını düşünmüyorlar. Bunun yerine, düşük kaliteli kaynakların verimli bir şekilde kullanılması ve özellikle nadir bulunan ve genellikle çok daha değerli ağır nadir toprak elementlerinin çıkarılması ve ayrılması için kullanılabilir.

“Diğer yeni yöntemler, düşük dereceli kaynaklardan nadir toprak elementlerini çıkarabiliyor, ancak genellikle tüm nadir toprak elementlerinin bir araya toplandığı “toplam” bir üründe durmaktadırlar. Nispeten düşük bir değere sahip olan ve daha sonra tek tek nadir toprak elementlerinin daha da saflaştırılması için daha geleneksel planlara yönlendirilmesi gerekiyor.” dedi. “Bu çalışma, gerçekten de nadir toprak elementlerinin ve özellikle de daha ağır elementlerin üretimini kapsadığı için değerlidir.”

Cotruvo, “Bu yüksek değerli metaller ilk olarak kolondan arındırılabildiği için, sürecimiz özellikle kullanışlıdır.” diye ekledi.

Araştırmacılar, en yüksek saflıkta ürünleri elde etmek için daha az döngü gerekmesi ve böylece endüstriyel kullanıma göre ölçeklenebilmesi için yöntemi optimize etmeyi planlamaktadır.

“Belirli elementler için daha iyi seçicilikle lanmodulin proteinin türevlerini geliştirebilirsek, en karmaşık karışımlardan bile ve organik çözücüler veya toksik kimyasallar olmadan, nispeten az sayıda adımda 17 nadir toprak elementlerini ayırabiliriz. Bu çok büyük bir başarı olur.” dedi. “Çalışmalarımız, bu hedefin ulaşılabilir olması gerektiğini gösteriyor.”

Kaynak : phys.org