“烤面包機式” 工藝從電子垃圾中回收稀土元素

用于制造超強永磁體的化學元素如今可通過一種新工藝更輕松地實現回收。這類稀土永磁體廣泛應用于硬盤驅動器與電動汽車電機中。稀土元素的開采與分離成本高昂，除用于制造磁體外，稀土元素還被用于激光器、玻璃、電子產品及其他眾多對現代日常生活至關重要的領域。

萊斯大學化學家James Tour帶領研究團隊開展的生命周期分析顯示，與現有稀土元素回收方法相比，一種在氯氣環境中快速加熱廢棄磁體材料的工藝，其處理步驟減少了三分之一，能耗降低87%，溫室氣體排放量也減少了84%。他們的這一工藝相關研究成果已發表在近期的《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2507819122）上。

稀土元素并非稀缺物質，但其生產過程復雜且成本高昂。稀土元素包含元素周期表底部的多種元素，通常存在于混合礦床中；由于這些元素的化學性質極為相似，要將它們彼此分離難度極大。為滿足不同用途而對其進行分離不僅成本高昂，還需借助復雜的加工工藝。

Tour表示，中國掌控著全球大部分稀土資源的供應，同時也擁有全球絕大部分稀土礦物的加工與分離產能。美國所使用的稀土永磁體，大多依賴從中國進口。

Tour表示，像美國這樣的國家，其實存在大量已完成彼此分離的稀土元素 —— 只不過它們以電子垃圾的形式存在?！斑@些廢料中稀土元素的濃度，是礦石中濃度的100到1000倍，”Tour說道。

現有的稀土回收方法需要高溫環境、多階段加工流程，并且要使用腐蝕性強的溶劑，消耗大量能源。Tour將其實驗室的裝置比作烤面包機 —— 烤面包機是通過電力快速加熱面包片下方的石英管。而這種新型反應器并非使用石英管，而是采用一張碳紙作為加熱元件，碳紙的升溫速度更快，1秒內即可達到約10000開爾文（超過9700攝氏度）的高溫。盡管加熱元件的溫度極高，但整個加熱過程耗時極短，因此這種被稱為 “閃速焦耳加熱” 的工藝，并不需要消耗大量能源。

這種回收工藝的第一步，是將研磨后已退磁的廢料放置在碳紙上，并在氯氣環境中進行快速加熱。整個分離過程依托基礎化學反應 —— 核心原理是不同金屬與氯氣發生反應的 “易反應溫度” 存在差異。

稀土氧化物需在溫度達到約1350攝氏度以上時才會與氯氣反應，而磁體中含有的另一種金屬（名為 “過渡金屬”），在約1000攝氏度時就能與氯氣發生反應。萊斯大學團隊的工藝利用閃速焦耳加熱將溫度升至約1000攝氏度，此時過渡金屬會與氯氣反應生成 “過渡金屬氯化物”，這類氯化物會受熱揮發，最終留下純度約為90%的稀土元素。

截至目前，Tour團隊已用兩種最常見的稀土永磁體材料測試了該工藝：釤鈷永磁體與釹鐵硼永磁體?！拔覀兛梢詮倪@些磁體中提取出稀土材料，而這些材料能直接用于制造新的磁體，” Tour表示。該工藝還能提升磁體制造的效率：在釹鐵硼磁體的切割塑形過程中，超過 70% 的初始原材料最終會變成廢料（而通過該工藝，這些廢料可被回收再利用）。

Tour表示，他團隊研發的這一簡易工藝，源于其在石墨烯合成領域的研究成果。2020年，他的團隊就已證實，將任意碳基材料置于電極之間并快速加熱，即可制備出石墨烯。Tour介紹，從他實驗室分拆成立的一家名為 “環球物質”（Universal Matter）的公司，目前正利用閃速焦耳加熱技術，實現每日1噸石墨烯的產能。

在（美國）國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱 DARPA）的支持下，Tour團隊開始研究如何利用閃速焦耳加熱技術從電子垃圾中分離高價值金屬。這項研究最初聚焦于銦、鎵、鉭等關鍵礦物，目前相關技術已授權給澳大利亞西部的礦產勘探公司Metallium。該公司計劃于12月在得克薩斯州開設一座閃速焦耳加熱工廠，專門用于從電子垃圾中回收金屬。