كيف يمكن للعلم أن يجعل إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة أسهل


تعتمد حياتنا الحديثة على العناصر الأرضية النادرة ، وفي يوم من الأيام قد لا يكون لدينا ما يكفي لتلبية الطلب المتزايد.

بسبب خصائصهم الخاصة، هذه العناصر المعدنية الـ 17 هي مكونات أساسية في شاشات الكمبيوتر والهواتف المحمولة والإلكترونيات الأخرى ومصابيح الفلورسنت المدمجة وآلات التصوير الطبي والليزر والألياف البصرية والأصباغ ومساحيق التلميع والمحفزات الصناعية – والقائمة تطول وتطول (SN عبر الإنترنت: 1/16/23). تعتبر الأتربة النادرة بشكل خاص جزءًا أساسيًا من المغناطيسات عالية الطاقة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن في السيارات الكهربائية وتقنيات الطاقة المتجددة اللازمة للوصول بالعالم إلى مستقبل منخفض الكربون أو خالٍ من الكربون.

في عام 2021 ، العالم بتعدين 280.000 طن متري من الأتربة النادرة – ما يقرب من 32 ضعف ما تم تعدينه في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي. وسيزداد الطلب فقط. بحلول عام 2040 ، يقدر الخبراء ، سنحتاج إلى ما يصل إلى سبعة أضعاف كمية الأرض النادرة التي نحتاجها اليوم.

إرضاء هذه الشهية لن يكون سهلاً. لا توجد العناصر الأرضية النادرة في الرواسب المركزة. يجب على عمال المناجم حفر كميات ضخمة من الخام ، وإخضاعها لعمليات فيزيائية وكيميائية لتركيز التربة النادرة ، ثم فصلها. هذا التحول كثيف الطاقة وقذر ، ويتطلب مواد كيميائية سامة وغالبًا ما يولد كمية صغيرة من النفايات المشعة التي يجب التخلص منها بأمان. مصدر قلق آخر هو الوصول: تحتكر الصين كلاً من التعدين والمعالجة ؛ الولايات المتحدة لديها منجم نشط واحد فقط (SN عبر الإنترنت: 1/1/23).

بالنسبة لمعظم الوظائف التي تقوم بها الأرض النادرة ، لا توجد بدائل جيدة. لذلك للمساعدة في تلبية الطلب المستقبلي وتنويع من يتحكم في العرض – وربما حتى جعل استعادة الأرض النادرة “أكثر اخضرارًا” – يبحث الباحثون عن بدائل للتعدين التقليدي.

تشمل الاقتراحات كل شيء من استخراج المعادن من نفايات الفحم لأفكار حقيقية مثل التنقيب عن القمر. لكن النهج الأكثر احتمالا لإحداث تأثير فوري هو إعادة التدوير. يقول إيكينا نليبديم ، عالِم المواد في مختبر أميس الوطني في آيوا ومعهد المواد الحرجة التابع لوزارة الطاقة: “ستلعب إعادة التدوير دورًا مهمًا ومحوريًا للغاية”. “هذا لا يعني أننا سنعيد تدوير طريقنا للخروج من تحدي المواد الحرجة.”

ومع ذلك ، في سوق مغناطيس الأرض النادرة ، على سبيل المثال ، بحلول حوالي 10 سنوات من الآن ، يمكن أن تفي إعادة التدوير بما يصل إلى ربع الطلب على العناصر الأرضية النادرة ، بناءً على بعض التقديرات. يقول: “هذا ضخم”.

ولكن قبل أن يمكن إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة في جهاز كمبيوتر محمول قديم بشكل منتظم مثل الألومنيوم الموجود في علبة صودا فارغة ، هناك عقبات تكنولوجية واقتصادية ولوجستية يجب التغلب عليها.

لماذا تعتبر الأتربة النادرة صعبة الاستخراج؟

يبدو أن إعادة التدوير طريقة واضحة للحصول على المزيد من العناصر الأرضية النادرة. من الممارسات المعتادة في الولايات المتحدة وأوروبا إعادة تدوير 15 إلى 70 بالمائة من المعادن الأخرى ، مثل الحديد والنحاس والألمنيوم والنيكل والقصدير. ومع ذلك ، اليوم ، يتم إعادة تدوير حوالي 1 في المائة فقط من العناصر الأرضية النادرة في المنتجات القديمة ، كما يقول سيمون جويت ، عالم الجيولوجيا الاقتصادية بجامعة نيفادا ، لاس فيجاس.

“يمكن إعادة تدوير الأسلاك النحاسية إلى مزيد من الأسلاك النحاسية. يمكن إعادة تدوير الفولاذ إلى المزيد من الفولاذ ، “كما يقول. لكن الكثير من المنتجات الأرضية النادرة “بطبيعتها ليست قابلة لإعادة التدوير بشكل كبير.”

غالبًا ما يتم مزج العناصر الأرضية النادرة مع معادن أخرى في شاشات تعمل باللمس ومنتجات مماثلة ، مما يجعل إزالتها أمرًا صعبًا. في بعض النواحي ، يشبه إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة من العناصر المقذوفة التحدي المتمثل في استخراجها من الركاز وفصلها عن بعضها البعض. تتطلب طرق إعادة تدوير الأرض النادرة التقليدية أيضًا مواد كيميائية خطرة مثل حمض الهيدروكلوريك والكثير من الحرارة ، وبالتالي الكثير من الطاقة. علاوة على البصمة البيئية ، قد لا تستحق تكلفة الاسترداد الجهد المبذول في ضوء العائد الصغير للأتربة النادرة. قد يحتوي محرك الأقراص الثابتة ، على سبيل المثال ، على بضعة جرامات فقط ؛ تقدم بعض المنتجات ميليغرام فقط.

ومع ذلك ، يحاول الكيميائيون وعلماء المواد تطوير مناهج أكثر ذكاءً لإعادة التدوير. تعمل تقنياتهم على تشغيل الميكروبات ، والتخلص من أحماض الطرق التقليدية أو محاولة تجاوز الاستخراج والفصل.

يمكن للشركاء الميكروبيين المساعدة في إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة

نهج واحد يعتمد على شركاء مجهري. جلوكونوباكتر تنتج البكتيريا بشكل طبيعي أحماض عضوية يمكنها سحب العناصر الأرضية النادرة ، مثل اللانثانوم والسيريوم ، من المحفزات المستهلكة المستخدمة في تكرير البترول أو من الفوسفور الفلوري المستخدم في الإضاءة. يقول يوشيكو فوجيتا ، عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية في مختبر أيداهو الوطني في أيداهو فولز ، إن الأحماض البكتيرية أقل ضررًا بالبيئة من حمض الهيدروكلوريك أو أحماض ترشيح المعادن التقليدية الأخرى. تقود Fujita الأبحاث في إعادة الاستخدام وإعادة التدوير في معهد المواد الحرجة. وتقول: “يمكن أيضًا أن تتحلل بشكل طبيعي”.

في التجارب ، يمكن للأحماض البكتيرية استرداد حوالي ربع إلى نصف التربة النادرة فقط من المحفزات والفوسفور المستهلك. يمكن لحمض الهيدروكلوريك أن يعمل بشكل أفضل – في بعض الحالات يستخرج ما يصل إلى 99 في المائة. لكن النض الحيوي قد يظل مربحًا، ذكرت فوجيتا وزملاؤها في عام 2019 في الكيمياء والهندسة المستدامة ACS.

في مصنع افتراضي يعيد تدوير 19000 طن متري من المحفز المستخدم سنويًا ، قدر الفريق الإيرادات السنوية بحوالي 1.75 مليون دولار. لكن تغذية البكتيريا التي تنتج الحمض في الموقع هي تكلفة كبيرة. في سيناريو يتم فيه تغذية البكتيريا بالسكر المكرر ، تبلغ التكاليف الإجمالية لإنتاج الأرض النادرة حوالي 1.6 مليون دولار سنويًا ، مما يترك حوالي 150 ألف دولار فقط من الأرباح. ومع ذلك ، فإن التحول من السكر إلى سيقان الذرة والقشور وغيرها من بقايا الحصاد من شأنه أن يخفض التكاليف بنحو 500 ألف دولار ، مما يرفع الأرباح إلى حوالي 650 ألف دولار.

آلة مفاعل في مختبر أيداهو الوطني
يستخدم أحد أساليب إعادة التدوير التجريبية الأحماض العضوية التي تصنعها البكتيريا لاستخراج الأتربة النادرة من منتجات النفايات. يُعد هذا المفاعل في مختبر أيداهو الوطني خليطًا من الأحماض العضوية لإعادة التدوير.مختبر ايداهو الوطني

يمكن أن تساعد الميكروبات الأخرى أيضًا في استخراج العناصر الأرضية النادرة وتأخذها إلى أبعد من ذلك. قبل بضع سنوات ، اكتشف الباحثون أن بعض البكتيريا التي تستقلب الأتربة النادرة تنتج بروتينًا يمسك بشكل تفضيلي بهذه المعادن. هذا البروتين ، lanmodulin ، يمكن فصل العناصر الأرضية النادرة من بعضها البعض ، مثل النيوديميوم من الديسبروسيوم – مكونان من مغناطيسات الأرض النادرة. قد يلغي النظام القائم على lanmodulin الحاجة إلى العديد من المذيبات الكيميائية المستخدمة عادة في مثل هذا الفصل. والنفايات المتبقية – البروتين – ستكون قابلة للتحلل. لكن ما إذا كان النظام سينتشر على نطاق تجاري غير معروف.

كيفية سحب العناصر الأرضية النادرة من المغناطيس المهملة

هناك طريقة أخرى يتم تسويقها بالفعل وهي تتخطى الأحماض وتستخدم أملاح النحاس لسحب العناصر الأرضية النادرة من المغناطيس المهملة ، وهو هدف ثمين. مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون هو حوالي 30 في المائة من الأرض النادرة من حيث الوزن وأكبر تطبيق منفرد للمعادن في العالم. يشير أحد التوقعات إلى أن استعادة النيوديميوم في المغناطيس من محركات الأقراص الصلبة الأمريكية وحدها يمكن أن تلبي حوالي 5 في المائة من الطلب العالمي خارج الصين قبل نهاية العقد.

قاد نليبديم فريقًا طور تقنية تستخدم أملاح النحاس لتصفية الأتربة النادرة من النفايات الإلكترونية الممزقة التي تحتوي على مغناطيس. يؤدي غمر النفايات الإلكترونية في محلول ملح نحاسي في درجة حرارة الغرفة إلى إذابة العناصر الأرضية النادرة في المغناطيس. يمكن استخلاص أنواع أخرى لإعادة تدويرها ، ويمكن إعادة استخدام النحاس لصنع المزيد من محلول الملح. بعد ذلك ، يتم ترسيخ التربة النادرة ، وبمساعدة مواد كيميائية إضافية والتدفئة ، يتم تحويلها إلى مسحوق معادن تسمى أكاسيد الأرض النادرة. وقد أوضح فريق نليبديم أن العملية ، التي تُستخدم أيضًا على المواد المتبقية من تصنيع المغناطيس التي تُهدر عادةً ، يمكنها استرداد 90 إلى 98 في المائة من الأتربة النادرة ، وتكون المادة نقية بدرجة كافية لصنع مغناطيس جديد.

في أفضل السيناريوهات ، قد ينتج عن استخدام هذه الطريقة لإعادة تدوير 100 طن من بقايا مادة المغناطيس 32 طنًا من أكاسيد الأرض النادرة وصافي أرباح تزيد عن مليون دولار ، وفقًا لتحليل اقتصادي لهذه الطريقة.

قيمت تلك الدراسة أيضًا التأثيرات البيئية للنهج. مقارنة بإنتاج كيلوغرام واحد من أكسيد الأرض النادر عبر أحد الأنواع الرئيسية للتعدين والمعالجة المستخدمة حاليًا في الصين ، فإن طريقة ملح النحاس لديها أقل من نصف البصمة الكربونية. ينتج متوسط ​​حوالي 50 كيلوغرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من أكسيد الأرض النادر مقابل 110 ، حسبما أفاد فريق نليبديم في عام 2021 في الكيمياء والهندسة المستدامة ACS.

لكنها ليست بالضرورة أكثر خضرة من جميع أشكال التعدين. تتمثل إحدى نقاط الخلاف في أن العملية تتطلب هيدروكسيد الأمونيوم السام وتحميصًا ، مما يستهلك الكثير من الطاقة ، ولا يزال يطلق بعض ثاني أكسيد الكربون. تقوم مجموعة Nlebedim الآن بتعديل التقنية. يقول: “نريد إزالة الكربون من العملية وجعلها أكثر أمانًا”.

وفي الوقت نفسه ، تبدو التكنولوجيا واعدة بما يكفي لأن TdVib ، وهي شركة من ولاية أيوا تصمم وتصنع المواد والمنتجات المغناطيسية ، قد قامت بترخيصها وبنت مصنعًا تجريبيًا. الهدف الأولي هو إنتاج طنين من أكاسيد الأرض النادرة شهريًا ، كما يقول دانيال بينا ، رئيس TdVib ومديرها التنفيذي. سيعيد المصنع تدوير العناصر الأرضية النادرة من محركات الأقراص الثابتة القديمة من مراكز البيانات.

تقوم شركة Noveon Magnetics ، وهي شركة في سان ماركوس بولاية تكساس ، بتصنيع مغناطيس نيوديميوم وحديد وبورون معاد تدويره. في التصنيع النموذجي للمغناطيس ، يتم استخراج العناصر الأرضية النادرة ، وتحويلها إلى سبائك معدنية ، وطحنها إلى مسحوق ناعم ، وتمغنطها وتشكيلها في مغناطيس. يقول سكوت دن ، الرئيس التنفيذي للشركة ، إن Noveon يقرع هاتين الخطوتين الأوليين.

بعد إزالة المغناطيسات وتنظيفها ، تقوم Noveon بطحنها مباشرة في مسحوق قبل إعادة بنائها مرة أخرى كمغناطيس جديد. على عكس طرق إعادة التدوير الأخرى ، ليست هناك حاجة لاستخراج العناصر الأرضية النادرة وفصلها أولاً. يقول دان إن المنتج النهائي يمكن أن يكون مغناطيسًا معاد تدويره بنسبة تزيد عن 99 في المائة ، مع إضافة صغيرة من العناصر الأرضية النادرة البكر – “الصلصة السرية” ، على حد تعبيره – مما يسمح للشركة بضبط سمات المغناطيس.

مقارنة بالتعدين والتصنيع التقليديين للمغناطيس ، طريقة نوفون يخفض استخدام الطاقة بحوالي 90 بالمائة، ميها زاكوتنيك ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في Noveon ، وباحثين آخرين أفادوا في عام 2016 في التكنولوجيا البيئية والابتكار. قدر تحليل آخر في عام 2016 أنه مقابل كل كيلوغرام من المغناطيس يتم إنتاجه عبر طريقة نوفون ، ينبعث حوالي 12 كيلوغرامًا من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. هذا حوالي نصف كمية غازات الدفيئة مثل المغناطيسات التقليدية.

رفض دن مشاركة حجم المغناطيسات التي تنتجها Noveon حاليًا أو تكلفة مغناطيسها. لكن المغناطيس يستخدم في بعض التطبيقات الصناعية ، للمضخات والمراوح والضواغط ، وكذلك بعض أدوات الطاقة الاستهلاكية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية.

صورة لروبوت اسمه ديزي ، طورته شركة آبل
للمساعدة في إعادة التدوير ، طورت Apple الروبوت Daisy (الموضح) ، والذي يمكنه تفكيك 23 طرازًا من أجهزة iPhone. وستتخصص روبوتات أخرى قيد العمل – تاز وديف – في استعادة المغناطيسات الأرضية النادرة.تفاحة

إعادة تدوير الأتربة النادرة له عقبات لوجستية

حتى مع قيام الباحثين بإزالة العقبات التكنولوجية ، لا تزال هناك حواجز لوجستية لإعادة التدوير. يقول فوجيتا: “ليس لدينا أنظمة لجمع المنتجات التي انتهى عمرها الافتراضي والتي تحتوي على تربة نادرة ، وهناك تكلفة لتفكيك هذه المنتجات”. بالنسبة للكثير من المخلفات الإلكترونية ، قبل أن تبدأ إعادة تدوير الأتربة النادرة ، عليك الوصول إلى الأجزاء التي تحتوي على تلك المعادن الثمينة.

لدى Noveon عملية شبه آلية لإزالة المغناطيس من محركات الأقراص الثابتة والإلكترونيات الأخرى.

تحاول Apple أيضًا أتمتة عملية إعادة التدوير. يمكن لروبوت الشركة Daisy تفكيك أجهزة iPhone. وفي عام 2022 ، أعلنت شركة Apple عن زوج من الروبوتات يسمى Taz and Dave الذي يسهل إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة. يمكن لـ Taz جمع الوحدات التي تحتوي على مغناطيس والتي يتم فقدها عادةً أثناء تمزيق الإلكترونيات. يمكن لـ Dave استعادة المغناطيس من محركات النقر ، وهي تقنية Apple لتزويد المستخدمين بردود فعل لمسية عند النقر على شاشة iPhone على سبيل المثال.

يقول فوجيتا إنه حتى مع المساعدات الروبوتية ، سيظل الأمر أسهل كثيرًا إذا قامت الشركات للتو بتصميم المنتجات بطريقة تجعل إعادة التدوير أمرًا سهلاً.

بغض النظر عن مدى جودة إعادة التدوير ، لا يرى Jowitt أي التفاف على الحاجة إلى تكثيف التعدين لإطعام مجتمعنا النادر المتعطش للأرض. لكنه يوافق على أن إعادة التدوير ضرورية. يقول: “إننا نتعامل مع موارد محدودة بشكل جوهري”. “من الأفضل أن نحاول استخراج ما في وسعنا بدلاً من مجرد إلقاءه في مكب النفايات.”



المصدر