- 研究团队开发海绵材料捕获工业废水中的稀土元素。
- 利用金属有机框架技术提升稀土金属的选择性回收。
- 材料在高铁浓度下仍能有效捕获稀土元素，损失微乎其微。
- 未来需进一步研究以提升材料的选择性和耐用性。
美国研究人员开发了一种海绵状材料，以从工业废水中捕获稀土元素。瑞士大学团队并非仅仅将废水视为需要处理的物质，而是将其视为可回收珍贵稀土材料的资源池。这一创新可能最终开启回收不同地区有限供应的关键矿物的可能性。瑞士大学土木与环境工程学的卡尔·F·哈瑟曼教授及本研究的通讯作者李其林表示：“我们可以开始将工业废水视为含有可回收贵重材料的资源，而非仅仅是需要处理的东西。”
金属有机框架技术
金属配位化学的概念听起来简单，但实际上并不容易。除了稀土元素外，工业废水还含有其他金属，像是铁、钠和铝，其浓度要高得多。这些高浓度使得分离微量元素变得困难，因此常常会干扰贵重稀有金属的选择性回收。为了克服这一挑战，研究人员借鉴了配位化学的原理，构建了一种极为多孔的膜。这一方法利用金属有机框架（MOFs），这种材料是通过将金属原子与有机分子连接而成的高孔隙度海绵状材料。
科学家随后对微小内孔的墙壁进行了化学改性，以提高性能。
在实验中，水稳定的 MOF 被改性为有机配体，磷酸甲基亚氨二乙酸（PMIDA）。在 MOF 微小孔内，PMIDA 像一个化学钩子，强烈地与带正电的稀土离子结合。研究团队使用这种超多孔材料测试了三种稀有金属的捕获能力，即钕、钼和钍。在最高的配体浓度下，PMIDA 每克材料可捕获高达 160 毫克的钕、175 毫克的钼和 195 毫克的钍。这些回收能力至少是先前使用类似方法报告数量的两倍。
增加 PMIDA 配体的量提升了材料的整体性能，通过改变可用的结合位点进一步增强其性能。
模拟结果显示，添加额外的配体使得结合基团能够在孔内的单个稀土离子周围聚集。这种排列形成了更强大和稳定的复合物，以提高容量和结构稳定性。刘教授表示：“特别有趣的是，我们不仅能看到材料是否捕获了稀土元素，还能明白为什么会这样。通过将实验与分子模拟相结合，我们可以查看孔内部，了解改变配体数量如何改变这些离子的结合方式。”
材料的选择性捕获能力
另一个重要发现是该材料能够在存在不需要的材料（如铁）情况下，选择性和高效地捕获稀土金属。研究报告指出，即使铁的浓度是稀土元素的 100 倍，稀土的吸收量仍然仅有约 0.3% 的下降。在一次测试中，稀土的吸收量仅比没有铁存在时低约 0.3%。除了捕获技术外，研究人员还检查了微量元素的释放情况。用稀盐酸进行轻微处理即可轻松提取微量元素，这样可使贵重材料再次使用。
这仅仅是个开始，尚需进一步研究以提高材料在提取过程中的选择性、耐用性和再生能力。然而，团队对 MOFs 仍持乐观态度，因为这些材料可能为回收稀土元素的液-液溶剂提取方法提供更可持续的替代方案。该研究已发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
海绵材料在环保回收中的潜力
这项研究展示了海绵状材料在工业废水处理中的创新应用，特别是在稀土元素的回收方面。随着全球对稀土元素需求的增加，传统的提取方法面临环境影响和资源浪费的挑战。这种新材料不仅能有效捕获稀土元素，还能在存在其他金属的情况下保持高效性，显示出其在实际应用中的潜力。未来的研究将进一步提升其性能，以应对日益严峻的资源回收需求。