Новый метод очистки редкоземельных элементов без токсичных химикатов

Редкоземельные элементы — лантан, неодим, диспрозий — используются в электромоторах, LED-лампах и МРТ-аппаратах. Но их добыча и разделение традиционно требуют огромного количества токсичных химикатов. Исследователи из Чикагского университета, Северо-Западного университета и Аргоннской национальной лаборатории нашли более чистый способ. Об этом сообщает портал Phys.org.

Новый метод использует слоистую форму оксида марганца — минерала с прослойками, размер которых позволяет ионам проникать внутрь и разделять редкоземельные элементы. «Это первый случай, когда электрохимическую интеркаляцию применили для разделения схожих лантаноидов, которые intrinsically очень трудно разделить», — говорит Чонг Лю, старший автор исследования, опубликованного в Nature Chemical Engineering.

17 редкоземельных элементов (включая 15 лантаноидов, скандий и иттрий) почти всегда встречаются вместе и химически почти идентичны. Различия — лишь в размере ионов и кислотности. Традиционное разделение требует специальных молекул и больших объёмов кислоты. «Редкоземельные элементы всегда добываются вместе, и разделение их друг от друга — второй, очень сложный шаг», — поясняет аспирант UChicago PME Цзядун Лю.

Учёные знали, что ионы редкоземельных элементов различаются размером водной оболочки в растворе. Лёгкие (лантан) имеют более крупные оболочки, тяжёлые (диспрозий) — меньшие. Используя это, группа Чонг Лю создала оксид марганца с зазорами между слоями шириной в несколько молекул воды. При сжатии смеси элементов тяжёлые лантаноиды с меньшими оболочками застревали в каналах прочнее, а лёгкие с большими оболочками раздвигали слои.

Чтобы подтвердить механизм, команда провела квантово-механические симуляции и рентгеновские измерения. «Расчёты позволили увидеть атом за атомом, как каждый редкоземельный элемент располагает свою гидратную оболочку внутри канала», — говорит Ву Чхоль Чон из Северо-Западного университета.

Для тонкой настройки разделения исследователи применили электрический ток и добавили ионы магния. Магний действовал как каркас, фиксируя расстояние между слоями оксида марганца. Это заставило даже очень похожие элементы проявлять различия в связывании. В результате обогащение неодима по сравнению с лантаном выросло с 1,6-кратного до 5,4-кратного. После двух циклов очистки удалось получить образец неодима чистотой 97%.

Новый метод использует только воду и электричество вместо органических растворителей. «Такой подход может изменить то, где и как происходит переработка редкоземельных элементов», — отмечает Джордж Шац из Северо-Западного университета. Пока метод не готов к промышленному масштабу, но указывает на общий принцип: настройка ширины канала определяет, какие ионы материал предпочитает. Группа Чонг Лю продолжает тестировать метод на других лантаноидах, а Шац совершенствует вычислительные модели.