美國研究團隊研發海綿材料從工業廢水中捕獲稀土元素

美國研究人員開發了一種海綿狀材料，以從工業廢水中捕獲稀土元素。瑞士大學團隊並非僅僅將廢水視為需要處理的物質，而是將其視為可回收珍貴稀土材料的資源池。這一創新可能最終開啟回收不同地區有限供應的關鍵礦物的可能性。瑞士大學土木與環境工程學的卡爾·F·哈瑟曼教授及本研究的通訊作者李其林表示：「我們可以開始將工業廢水視為含有可回收貴重材料的資源，而非僅僅是需要處理的東西。」

金屬有機框架技術

金屬配位化學的概念聽起來簡單，但實際上並不容易。除了稀土元素外，工業廢水還含有其他金屬，像是鐵、鈉和鋁，其濃度要高得多。這些高濃度使得分離微量元素變得困難，因此常常會干擾貴重稀有金屬的選擇性回收。為了克服這一挑戰，研究人員借鑒了配位化學的原理，構建了一種極為多孔的膜。這一方法利用金屬有機框架（MOFs），這種材料是通過將金屬原子與有機分子連接而成的高孔隙度海綿狀材料。

科學家隨後對微小內孔的牆壁進行了化學改性，以提高性能。

在實驗中，水穩定的 MOF 被改性為有機配體，磷酸甲基亞氨二乙酸（PMIDA）。在 MOF 微小孔內，PMIDA 像一個化學鈎子，強烈地與帶正電的稀土離子結合。研究團隊使用這種超多孔材料測試了三種稀有金屬的捕獲能力，即釹、鉬和釷。在最高的配體濃度下，PMIDA 每克材料可捕獲高達 160 毫克的釹、175 毫克的鉬和 195 毫克的釷。這些回收能力至少是先前使用類似方法報告數量的兩倍。

增加 PMIDA 配體的量提升了材料的整體性能，透過改變可用的結合位點進一步增強其性能。

模擬結果顯示，添加額外的配體使得結合基團能夠在孔內的單個稀土離子周圍聚集。這種排列形成了更強大和穩定的復合物，以提高容量和結構穩定性。劉教授表示：「特別有趣的是，我們不僅能看到材料是否捕獲了稀土元素，還能明白為什麼會這樣。通過將實驗與分子模擬相結合，我們可以查看孔內部，瞭解改變配體數量如何改變這些離子的結合方式。」

材料的選擇性捕獲能力

另一個重要發現是該材料能夠在存在不需要的材料（如鐵）情況下，選擇性和高效地捕獲稀土金屬。研究報告指出，即使鐵的濃度是稀土元素的 100 倍，稀土的吸收量仍然僅有約 0.3% 的下降。在一次測試中，稀土的吸收量僅比沒有鐵存在時低約 0.3%。除了捕獲技術外，研究人員還檢查了微量元素的釋放情況。用稀鹽酸進行輕微處理即可輕鬆提取微量元素，這樣可使貴重材料再次使用。

這僅僅是個開始，尚需進一步研究以提高材料在提取過程中的選擇性、耐用性和再生能力。然而，團隊對 MOFs 仍持樂觀態度，因為這些材料可能為回收稀土元素的液-液溶劑提取方法提供更可持續的替代方案。該研究已發表於《ACS Applied Materials & Interfaces》。

海綿材料在環保回收中的潛力

這項研究展示了海綿狀材料在工業廢水處理中的創新應用，特別是在稀土元素的回收方面。隨著全球對稀土元素需求的增加，傳統的提取方法面臨環境影響和資源浪費的挑戰。這種新材料不僅能有效捕獲稀土元素，還能在存在其他金屬的情況下保持高效性，顯示出其在實際應用中的潛力。未來的研究將進一步提升其性能，以應對日益嚴峻的資源回收需求。