استخراج عناصر کمیاب خاکی از پسماندهای صنعتی

به گزارش می متالز، هر یک تُن آلومینیوم، حدود ۱/۶ تن باطله کانی فلز آلومینیوم تولید می‌کند که به «لجن قرمز» معروف است. کارخانه «آلومینیوم یونان»، کارخانه بازفرآوری پسماندهای به جا مانده از کانی فلز آلومینیوم یا بوکسیت در یونان است.

ویکی واسیلیادو، مهندس معدن و متالورژی است که در این کارخانه کار می‌کند. او می‌گوید: این تصور وجود دارد که پسماندهای آلومینیوم دورریختنی هستند اما از این سنگ‌های معدنی می‌توان در آینده استفاده کرد. ضایعات بوکسیت دربردارنده عناصر باارزشی مانند آهن، تیتانیوم، سیلیکون، اسکاندیم و فلزات خاکی کمیاب است.

عناصر خاکی کمیاب، مواد باارزشی هستند. این عناصر قادرند ویژگی‌های مواد را به شدت تغییر دهند. آلومینیوم بازیافتی در ساخت توربین، خودرو، رایانه، تلفن هوشمند و حتی در فناوری‌های عالی قابل استفاده است.

افتیمیوس بالومنوس، پژوهشگر ارشد دانشکده معدن و متالورژی دانشگاه «صنعتی ملی آتن» می‌گوید: در هر تن از باطله بوکسیت(کانی آلومینیوم) حدود ۱/۵ کیلوگرم عناصر خاکی کمیاب وجود دارد. این مقدار به ظاهر زیاد نیست، اما وقتی محاسبات ریاضی انجام دهید می‌بینید که سالانه از ۷هزار تن از این زباله چقدر فلز کمیاب می‌توان استخراج کرد. این میزان برابر با ۱۰ درصد از تقاضای سالانه اروپا برای عناصر خاکی کمیاب است.

دانشمندان طرح پژوهشی «توسعه بهره‌برداری پایدار از عناصر خاکی کمیاب در اروپا» در تلاشند این عناصر باارزش را به شیوه‌ای از پسماندهای آلومینیوم استخراج کنند که مقرون به صرفه و سازگار با محیط‌زیست باشد. هدف این طرح این است که بازارهای اروپا از واردات عناصر خاکی کمیاب بی‌نیاز شود.

استخراج عناصر خاکی کمیاب از «لجن قرمز»

لوانیس پاسپالیاریس، مسئول هماهنگ‌کننده این طرح و استاد دانشکده معدن و متالورژی دانشگاه «صنعتی ملی آتن» درباره مزیت این روش می‌گوید: مزیت اصلی این روش بازیافتی این است که می‌توان عناصر خاکی کمیاب را برای استخراج انتخاب کرد. در واقع در این روش، عناصری از ماده جامد حل می‌شود که به آنها نیاز داریم. در نتیجه هم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است و هم به محیط‌زیست آسیب نمی‌رسد. در این روش به جای حلال‌هایی که به کار می‌رود، از حلال‌های یونی استفاده می‌شود. ساختار مایع یونی مانند ساختار نمک طعام است. در واقع حلال یونی، نمکی است که در دمای اتاق مایع است. در استفاده از این فناوری، دانشمندان ابتدا پودر «لجن قرمز» را وزن می‌کنند. پودر لجن قرمز ماده زائد بسیار قلیایی است که مقادیر زیادی اکسید آهن دارد. این اکسید آهن در تولید صنعتی آلومینا استفاده می‌شود. یکی از دانشجویان مقطع دکتری دانشگاه آتن درباره این شیوه کار می‌گوید: پسماند بوکسیت وارد رآکتوری می‌شود که دربردارنده حلال یونی است. این فرآیند شبیه تهیه چای یا قهوه است که در آن ماده مورد نیازتان را با استفاده از آب جدا می‌کنید. فرآیند حل شدن عناصر خاکی کمیاب در مایع یونی چند ساعت طول می‌کشد. سپس مخلوط از فیلتر عبور داده می‌شود تا مواد زائد جامدی را که می‌توان پس از آن بازیافت کرد، از آن جدا کنند. آنگاه مقداری اسید به محلول افزوده می‌شود تا به حالت اولیه‌اش بازگردد. ماده‌ای که به‌دست می‌آید در نهایت عصاره‌ای با ارزش، از عناصر خاکی کمیاب است.

مزیت استفاده از حلال‌های یونی نسبت به حلال‌های معمولی

چند سالی است که مایعات یونی، کاربرد گسترده‌ای در مراکز پژوهشی و صنایع شیمیایی پیدا کرده‌اند. این ترکیبات، جزو مواد شیمیایی سبز هستند. پاناگیوتیس دادوریس، پژوهشگر هیدرومتالورژی از دانشگاه ملی صنعتی آتن درباره مزیت استفاده از حلال‌های یونی در طرح «تحقیقاتی توسعه بهره‌برداری پایدار از عناصر خاکی کمیاب» می‌گوید: مایعات یونی از یون تشکیل شده‌اند و مهم‌ترین مزیت آنها این است که قابل اشتعال و فرّار نیستند. در نتیجه به هنگام استفاده از آنها در دمای بالا، امکان آتش‌سوزی وجود ندارد و برای سلامتی هم ضرری ندارند.
کدام عناصر خاکی کمیابند؟

عنصرها یا فلزهای خاکی کمیاب، مجموعه ۱۷ عنصر شیمیایی جدول تناوبی است. این دسته از عنصرها عبارتند از ۱۵عنصر لانتانیدها و دو عنصر اسکاندیم و ایتریم. اسکاندیم و ایتریم به این دلیل کمیاب شناخته شده‌اند که بیشتر در همان کانی‌هایی پیدا می‌شوند که لانتانیدها پیدا می‌شوند و ویژگی‌های شیمیایی همانندی را از خود نشان می‌دهند. بیشتر این عنصرها برخلاف نام‌شان در زمین بسیار فراوان‌اند اما به دلیل ویژگی‌های زمین‌شیمی در زمین بسیار پراکنده‌اند و در یک جا به اندازه کافی متمرکز نشده‌اند، در نتیجه جست‌وجو و بهره‌برداری از آنها بسیار هزینه‌بر است.
علاوه بر اسکاندیم و ایتریم؛ لانتان، سریم، پرازئودیمیم، نئودیمیم، پرومتیم، ساماریم، یوروپیم، گادولینیم، تربیم، دیسپروزیم، هولمیم، اربیم، تولیم، ایتربیم و لوتتیم، نام‌های عناصر خاکی کمیاب دیگر است.