بازیابی پایدار عناصر نادر خاکی با نانوکریستال‌های سلولز

عناصر نادر خاکی علاوه بر مفید بودن در بخش‌های سنتی، فلزات مفیدی در بسیاری از صنایع آینده‌نگر مانند لیزر، لامپ‌های فلورسنت، باتری‌های اتمی، توربین‌های موتور و ابر آهنربا هستند.

در حال حاضر، چین تأمین‌کننده پیشرو است و بیش از 70 درصد از عرضه REE جهان را صادر می‌کند. تقاضای روزافزون برای REE و منابع محدود منجر به افزایش چشمگیر هزینه آن شده است. به همین دلیل است که بسیاری از کشورها، REE ها را به عنوان منابع استراتژیک در نظر می‌گیرند. نئودیمیم، یک ماده REE، در فهرست 50 ماده معدنی است که دولت ایالات متحده آنها را برای امنیت ملی خود تعیین کرده است.

زباله‌های الکترونیکی و عناصر نادر خاکی

محققین اشاره کرده‌اند که پیشرفت‌های تکنولوژیکی به سرعت زباله الکترونیکی (e-waste)، مانند کامپیوترهای قدیمی، بردهای مدار چاپی، تلویزیون و بسیاری از وسایل الکترونیکی دیگر را افزایش داده‌است.

این زباله‌های الکترونیکی که به طور بالقوه زباله‌های سمی هستند، در سراسر جهان انباشته شده‌اند و به یک تهدید بزرگ زیست محیطی تبدیل شده‌اند. برخی از دانشمندان بر بازیافت زباله‌های الکترونیکی تمرکز کرده‌اند و معتقدند که این زباله‌ها می‌تواند منبعی برای بسیاری از عناصر مهم و پرتقاضا از جمله فلزات نادر خاکی باشد. محققان به تازگی فناوری بازیابی نئودیمیم از زباله‌های الکترونیکی در سراسر جهان را توسعه داده‌اند.

نئودیمیم؛ عنصر نادر خاکی مهم

نئودیمیم (Nd) یک عنصر نادر خاکی است که از سری عناصر شیمیایی لانتانید است. Nd به طور طبیعی به صورت فلزی یا خالص وجود ندارد. با این حال، گزارش شده است که این فلز به طور گسترده در پوسته زمین پراکنده شده است. Nd به عنوان یک فلز چکش‌خوار و انعطاف‌پذیر شناخته شده است و برای ایجاد آهنرباهای قوی با کاربردهای فراوان استفاده می‌شود. این فلز سفید مایل به نقره‌ای به آسانی در هوا اکسید می‌شود و بنابراین باید در شرایط ضد نفوذ هوا و خلاء نگهداری شود.

شکل رایج Nd3+، Nd2Fe14B است. همانطور که در بالا ذکر شد، Nd در بسیاری از صنایع، از جمله توربین‌های بادی، هارد دیسک‌های کامپیوتر، موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی، بلندگوها، ژنراتورها و هدفون‌های داخل گوشی استفاده می‌شود. سلولز نانومهندسی شده برای بازیابی عناصر نادر خاکی استفاده می‌شود امیر شیخی، استادیار دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، و همکارانش روشی نوآورانه در ارتباط با استخراج Nd از مواد دیگر، مانند زباله‌های الکترونیکی، با کمک سلولز ایجاد کرده‌اند.

بسیاری از مطالعات پیش از این از جاذب‌هایی مانند سیلیس، خاک رس، نانولوله‌ها و کیتوزان برای بازیابی REE استفاده کرده‌اند. با این حال، سلولز مقرون‌به‌صرفه‌ترین و فراوان‌ترین ماده خام موجود است که به ندرت به عنوان جاذب برای استخراج عناصر REE استفاده شده است. این تیم تحقیقاتی سلولز را با مهندسی نانو تولید کرد و از آن برای ایجاد یک فناوری پایدار و مبتنی بر زیست استفاده کرد. این فناوری به نام نانوسلولز مودار آنیونی (AHNC) شناخته می‌شود که می‌تواند به طور انتخابی یون‌های نئودیمیم (Nd3+) را از محیط‌های آبی حذف کند.

در این روش دانشمندان برای جذب و اتصال با یون‌های نئودیمیم (Nd3+) با بار مثبت، به نانوذرات مودار بار منفی داده‌اند. این اتصال منجر به تجمع نانوذرات-NB به قطعات بزرگ‌تر می‌شود که به راحتی قابل بازیافت و استفاده مجدد هستند.

شیخی توضیح داد که نانوکریستال‌های سلولز مودار می‌توانند به طور انتخابی به Nd3+ متصل شوند و از این رو آنها را از سایر یون‌ها مانند آهن، کلسیم و سدیم جدا کنند. به نظر می‌رسد این نانوذرات به دلیل اتصال زنجیره مانند سلولز "مودار" هستند، یعنی واحدهای سلولزی از انتها به انتها متصل شده‌اند. نانومواد مودار عملکردهای شیمیایی حیاتی را انجام می‌دهند.

فناوری AHNC از زنجیره‌های سلولز دی‌کربوکسیله (DCC) کاملاً حل شده و نانوکریستال‌های سلولز (CNC) تشکیل شده است. در مقایسه با CNC معمولی، DCC مودار دارای چگالی بار بیشتری هستند، یعنی تقریباً یک مرتبه بزرگی بیش‌تر از CNC. در این فناوری، موهای پلی‌آنیونی می‌توانند 264 میلی‌گرم Nd3+ را از نانوجاذب‌ها در عرض چند ثانیه حذف کنند.

مزیت فناوری نانوسلولز مودار آنیونی

تا به امروز، این فناوری حذف، بالاترین نرخ حذف Nd3+ را با کوتاه‌ترین زمان تماس فعال ممکن ساخته‌است و تجدیدپذیری زیستی سلولز مکمل این رویکرد است.

دانشمندان همچنین نشان داده‌اند که افزودن پل‌های کلوئیدی با واسطه یون کلسیم در فناوری AHNC، توانایی آن را برای حذف Nd3+ از یک بستر مایع افزایش می‌دهد. علاوه بر حذف قابل توجه Nd3+ از زباله‌های الکترونیکی، عناصر نادر خاکی نیز می‌توانند در آینده از باطله‌های (tails) معدنی استفاده نشده، فاضلاب‌های صنعتی و زباله‌های الکترونیکی استخراج شوند. دانشمندان خوشبین هستند که این فناوری بازیافت REE بر بسیاری از صنایع مختلف تأثیر مثبت خواهد گذاشت.

یکی از جنبه‌های مهم این فناوری این است که با هزینه کم کار می‌کند. شیخی همچنین مشاهده کرد که بیشتر روش‌های موجود برای بازیافت REE سازگار با محیط زیست نیستند. برخی از روش‌های مرسوم عبارتند از استخراج با حلال، رسوب، تبادل یونی، الکتروشیمیایی و غیره که اکثر این روش‌ها بر مواد شیمیایی خطرناک متکی هستند و انرژی بالایی مصرف می‌کنند. علاوه بر این، برخی از شرایط بسیار اسیدی برای استخراج REE در واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند.

نتیجه‌گیری

توسعه یک فناوری جدید، مقرون‌به‌صرفه و سازگار با محیط‌زیست برای بازیابی پایدار Nd می‌تواند برای بسیاری از صنایع مفید باشد. دانشمندان خوشبین هستند که فناوری جدید AHNC به ایالات متحده اجازه دهد تا با غول‌های دیگر مانند چین در بازیافت و تولید مستقل REE رقابت کند.

درباره نویسنده «دکتر پریوم بوز»

پریوم بوز (Priyom Bose) دارای مدرک دکتری در زیست شناسی گیاهی و بیوتکنولوژی از دانشگاه مدرس هند است. او یک محقق فعال و یک نویسنده باتجربه علمی است. پریوم همچنین چندین مقاله تحقیقاتی اصلی را که در مجلات معتبر منتشر شده است، تألیف کرده است. او همچنین یک خواننده مشتاق و یک عکاس آماتور است.