Tyrėjų komanda iš „Penn State“ universiteto sukūrė augalinės kilmės medžiagą, kuri gali selektyviai išgauti disprozį – kritiškai svarbų retųjų žemių elementą, naudojamą puslaidininkiuose, elektros varikliuose ir generatoriuose.
Mokslininkai modifikavo celiuliozę taip, kad ji gebėtų švaresniu ir potencialiai lengviau išplečiamu būdu atskirti disprozį nuo kitų, cheminėmis savybėmis labai panašių retųjų žemių metalų.
Retųjų žemių elementai yra būtini šiuolaikinei elektronikai, magnetams ir energijos sistemoms. Tačiau jų atskyrimas vienų nuo kitų yra sudėtingas ir dažnai daro didelį neigiamą poveikį aplinkai.
Žalesnė retųjų žemių elementų atskyrimo alternatyva
Šiuo metu komerciniuose procesuose retųjų žemių elementams atskirti plačiai naudojami cheminiai tirpikliai ir daug energijos reikalaujančios sistemos. Pasak tyrėjų, jų sukurta celiuliozės pagrindo metodika gali tapti paprastesne ir aplinkai draugiškesne alternatyva.
Darbui pasirinktas disprozis – sunkusis retųjų žemių elementas, naudojamas magnetų atsparumui karščiui pagerinti ir branduolinių reaktorių valdymo strypams stabilizuoti. Prognozuojama, kad jo paklausa artimiausiais dešimtmečiais sparčiai išaugs.
„Technologijoms tobulėjant, gamintojams reikės vis daugiau disprozio – kai kurios prognozės rodo, kad šio elemento paklausa per artimiausius 25 metus gali išaugti daugiau kaip 2 500 procentų“, – teigė chemijos inžinerijos docentas Amiras Sheikhi.
Anksčiau ta pati komanda buvo panaudojusi celiuliozės pagrindo junginius neodimio išgavimui iš elektronikos atliekų. Šįkart mokslininkai nusitaikė konkrečiai į disprozį, siekdami efektyviau atskirti sunkiuosius retųjų žemių elementus nuo lengvesniųjų.
Augalinės kilmės skaidulos, nukreiptos į metalus
Norėdami tai pasiekti, mokslininkai molekuliniu lygiu modifikavo celiuliozę ir sukūrė nanometrinio dydžio kristalinę medžiagą – maždaug 100 nanometrų ilgio anijonines „plaukuotąsias“ celiuliozės nanokristales.
Šios nanodalelės yra padengtos smulkiomis, grandinėlėmis primenančiomis struktūromis, kurios sąveikauja su metalų jonais tirpale.
Į vandeninį tirpalą, kuriame buvo ir neodimio, ir disprozio jonų, pridėjus šią medžiagą, ji selektyviai surišo disprozį adsorbcijos būdu.
Tyrėjai pastebėjo, kad modifikuotos celiuliozės grandinės kitaip reaguoja disprozio aplinkoje, taip veiksmingai atskirdamos jį nuo mišinio.
„Retųjų žemių elementų atskyrimas vienų nuo kitų iki šiol buvo ypač sunkus dėl labai panašios jų metalų cheminės sandaros“, – teigė A. Sheikhi. – „Mes ieškojome patikimo būdo atskirti sunkiuosius elementus, tokius kaip disprozis, nuo lengvesnių, pavyzdžiui, neodimio, kartu išvengiant neigiamo poveikio aplinkai, kuris būdingas dabartiniams atskyrimo metodams.“
Komanda pabrėžė, kad rezultatai buvo netikėti: selektyvumą lėmė ne vien tik pačios cheminės grupės, bet ir jų struktūra bei išsidėstymas nanoceliuliozės paviršiuje.
„Protingas“ celiuliozės pagrindo filtras
„Kiek man žinoma, tai yra pirmasis celiuliozės pagrindo adsorbentas, galintis selektyviai filtruoti sunkiuosius ir lengvuosius retųjų žemių elementus“, – sakė A. Sheikhi. – „Be to, mūsų procesas yra labai paprastas ir efektyvus: tiesiog pridedame nanoceliuliozės į tirpalą ir atskiriame metalus.“
Tokio tipo medžiaga veikia tarsi „protingas filtras“: tam tikromis sąlygomis ji labiau „mėgsta“ disprozio jonus, todėl juos suriša stipriau ir greičiau nei kitus mišinyje esančius retųjų žemių metalus.
Švaresnis retųjų žemių išgavimas
Tradicinės retųjų žemių elementų atskyrimo ir išgryninimo gamyklos paprastai reikalauja didelių pramoninių įrenginių ir intensyvaus cheminio apdorojimo. Tyrėjų teigimu, jų metodas sumažina cheminių medžiagų poreikį ir, pritaikius didesniu mastu, galėtų ženkliai sumažinti poveikį aplinkai.
Komanda planuoja toliau tobulinti sukurtą medžiagą ir išbandyti jos gebėjimą selektyviai išskirti kitus retųjų žemių elementus. Būsimi darbai bus skirti proceso pritaikymui pramoniniu mastu ir metalo atgavimo efektyvumo didinimui.
Jeigu tyrėjams pavyks sėkmingai išplėsti šį metodą, jis galėtų sustiprinti retųjų žemių elementų perdirbimą iš elektronikos atliekų ir sumažinti priklausomybę nuo importuojamų žaliavų, ypač augant elektromobilių ir atsinaujinančiosios energetikos technologijų paklausai.
