العناصر الأرضية النادرة هي "الخلطة السرية" للعديد من المواد المتقدمة لتطبيقات الطاقة والنقل والدفاع والاتصالات.أكبر استخدام لها للطاقة النظيفة هو المغناطيس الدائم ، الذي يحتفظ بالخصائص المغناطيسية حتى في حالة عدم وجود مجال أو تيار محرض.

شارك راميش بهافي من مختبر أوك ريدج الوطني في اختراع عملية لاستعادة العناصر الأرضية النادرة عالية النقاء من مغناطيسات محركات الأقراص الصلبة للكمبيوتر (كما هو موضح هنا) وغيرها من نفايات ما بعد الاستهلاك.الائتمان: مختبر كارلوس جونز / أوك ريدج الوطني ، وزارة الطاقة الأمريكية

الآن ، ابتكر باحثو وزارة الطاقة الأمريكية عملية لاستخراج العناصر الأرضية النادرة من مغناطيسات الخردةتستخدم محركات الأقراص الصلبةومصادر أخرى.يملكونبراءة اختراعووسعوا نطاق العملية في العروض التوضيحية المعملية ويعملون مع المرخص له من ORNLتقنيات الزخم في دالاسلتوسيع نطاق العملية بشكل أكبر لإنتاج دفعات تجارية من أكاسيد الأرض النادرة.

قال المخترع المشارك راميش بهاف من مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة ، والذي يقود فريق تقنيات الأغشية في قسم العلوم الكيميائية في ORNL: "لقد طورنا عملية موفرة للطاقة وفعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة لاستعادة المواد الحرجة عالية القيمة"."إنه تحسين على العمليات التقليدية ، التي تتطلب منشآت ذات بصمة كبيرة ورأس مال مرتفع وتكاليف تشغيلية وكمية كبيرة من النفايات المتولدة."

تساعد المغناطيسات الدائمة محركات الأقراص الثابتة للكمبيوتر على قراءة البيانات وكتابتها ، وتشغيل المحركات التي تحرك السيارات الهجينة والكهربائية ، وربط توربينات الرياح بالمولدات لتوليد الكهرباء ، ومساعدة الهواتف الذكية على ترجمة الإشارات الكهربائية إلى صوت.

من خلال العملية الحاصلة على براءة اختراع ، يتم إذابة المغناطيس في حمض النيتريك ، ويتم تغذية المحلول باستمرار من خلال وحدة تدعم أغشية البوليمر.تحتوي الأغشية على ألياف مجوفة مسامية مع مستخرج يعمل بمثابة "شرطي مرور" كيميائي من نوع ما ؛إنه يخلق حاجزًا انتقائيًا ويسمح فقط للعناصر الأرضية النادرة بالمرور.تتم معالجة المحلول الغني بالأتربة النادرة الذي تم جمعه على الجانب الآخر للحصول على أكاسيد أرضية نادرة بدرجة نقاء تتجاوز 99.5٪.

هذا أمر رائع بالنظر إلى أن 70٪ من المغناطيس الدائم هو الحديد ، وهو ليس عنصرًا أرضيًا نادرًا.قال بهافي: "نحن قادرون أساسًا على التخلص من الحديد تمامًا واستعادة العناصر الأرضية النادرة فقط".استخراج العناصر المرغوبة دون الاستخراج المشترك للعناصر غير المرغوب فيها يعني إنشاء نفايات أقل والتي ستحتاج إلى المعالجة النهائية والتخلص منها.

من بين أنصار العمل وزارة الطاقةمعهد المواد الحرجة، أو CMI ، لبحوث الفصل ومكتب وزارة الطاقة للتحولات التكنولوجية ، أو OTT ، لتوسيع نطاق العملية.ORNL هو أحد أعضاء الفريق المؤسس لـ CMI ، وهو مركز ابتكار الطاقة التابع لوزارة الطاقة بقيادة مختبر أميس التابع لوزارة الطاقة ويديره مكتب التصنيع المتقدم.ينضم "تعدين" Bhave لمحلول حمضي بأغشية انتقائية إلى تقنيات CMI الواعدة الأخرى لاستعادة العناصر الأرضية النادرة ، بما في ذلكعملية بسيطة تسحق وتعالج المغناطيسوبديل خالي من الأحماض.

تعتمد الصناعة على المواد الأساسية ، ويقوم المجتمع العلمي بتطوير عمليات لإعادة تدويرها.ومع ذلك ، لا توجد عملية تجارية تعيد تدوير العناصر الأرضية النادرة النقية من مغناطيس النفايات الإلكترونية.هذه فرصة ضائعة كبيرة بالنظر إلى أنه من المتوقع أن يتم شحن 2.2 مليار جهاز كمبيوتر شخصي وأجهزة لوحية وهواتف محمولة في جميع أنحاء العالم في عام 2019 ،بحسب جارتنر.وأشار بهافي إلى أن "كل هذه الأجهزة تحتوي على مغناطيسات أرضية نادرة".

مشروع Bhave ، الذي بدأ في عام 2013 ، هو جهد جماعي.تعاون جون كلاين وإريك بيترسون من مختبر أيداهو الوطني التابع لوزارة الطاقة في مرحلة مبكرة من البحث الذي ركز على الكيمياء ، وقام أنانث آير ، الأستاذ في جامعة بوردو ، بتقييم الجدوى التقنية والاقتصادية لتوسيع النطاق.في ORNL ، درس زملاء ما بعد الدكتوراه السابقين Daejin Kim و Vishwanath Deshmane تطوير عملية الفصل وتوسيع نطاقها ، على التوالي.يركز فريق ORNL الحالي في Bhave ، والذي يتألف من Dale Adcock و Pranathi Gangavarapu و Syed Islam و Larry Powell و Priyesh Wagh ، على توسيع نطاق العملية والعمل مع شركاء الصناعة الذين سيقومون بتسويق التكنولوجيا.

لضمان إمكانية استعادة العناصر الأرضية النادرة عبر طيف واسع من المواد الأولية ، أخضع الباحثون مغناطيسات ذات تركيبة مختلفة - من مصادر تشمل محركات الأقراص الثابتة ، وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، والهواتف المحمولة ، والسيارات الهجينة - لهذه العملية.

معظم العناصر الأرضية النادرة هي اللانثانيدات ، وهي عناصر ذات أعداد ذرية بين 57 و 71 في الجدول الدوري.قال بهافي: "خبرة ORNL الهائلة في كيمياء اللانثانيدات أعطتنا قفزة كبيرة في البداية"."بدأنا في البحث في كيمياء اللانثانيدات والطرق التي يتم من خلالها استخراج اللانثانيدات بشكل انتقائي."

على مدى عامين ، صمم الباحثون كيمياء الأغشية لتحسين استعادة التربة النادرة.الآن ، تستعيد عمليتهم أكثر من 97٪ من العناصر الأرضية النادرة.

حتى الآن نتج عن مشروع إعادة التدوير في Bhave براءة اختراع ومنشورين (هناوهنا) توثيق استعادة ثلاثة عناصر أرضية نادرة - النيوديميوم والبراسيوديميوم والديسبروسيوم - كمزيج من الأكاسيد.

بدأت المرحلة الثانية من عمليات الفصل في يوليو 2018 بمحاولة لفصل الديسبروسيوم عن النيوديميوم والبراسيوديميوم.خليط من الأكاسيد الثلاثة يباع بـ 50 دولارا للكيلوغرام.إذا أمكن فصل الديسبروسيوم عن الخليط ، يمكن بيع أكسيده بخمسة أضعاف.

سوف تستكشف المرحلة الثانية من البرنامج أيضًا ما إذا كان يمكن تطوير عملية ORNL الأساسية لفصل العناصر الأرضية النادرة لفصل العناصر الأخرى المطلوبة عن بطاريات أيونات الليثيوم.قال بهافي: "النمو المرتفع المتوقع للسيارات الكهربائية سوف يتطلب كمية هائلة من الليثيوم والكوبالت".

بدأت الجهود الصناعية اللازمة لنشر عملية ORNL في السوق ، والتي تم تمويلها على مدى عامين من قبل صندوق تسويق تكنولوجيا OTT التابع لوزارة الطاقة ، في فبراير 2019.

الهدف هو استعادة مئات الكيلوجرامات من أكاسيد الأرض النادرة كل شهر والتحقق من صحة والتحقق والاعتماد على أن المصنّعين يمكنهم استخدام المواد المعاد تدويرها لجعل المغناطيس مكافئًا لتلك المصنوعة من مواد عذراء.

قام مكتب التصنيع المتقدم التابع لوزارة الطاقة ، وهو جزء من مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ، بتمويل هذا البحث من خلال CMI ، الذي تم إنشاؤه لتنويع الإمدادات وتطوير البدائل وتحسين إعادة الاستخدام وإعادة التدوير وإجراء البحوث الشاملة للمواد الهامة.قدمت ORNL التوجيه الاستراتيجي لهذه المجالات منذ أن بدأت CMI في عام 2013. وهذا يشمل توفير قادة لمجالات التركيز والمشاريع التي أدت إلى ابتكارات جديدة في سبائك الألومنيوم والسيريوم وإعادة تدوير المغناطيس.

مصدر:ORNL