由宾夕法尼亚州立大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家领导的新研究表明，从细菌中分离出的蛋白质如何提供一种更环保的方式，从非常规来源(如尾矿和电子垃圾)中提取稀土元素并分离它们来自其他金属以及彼此之间。关于这项工作的开放获取论文发表在ACS Central Science 杂志上。
低品位的稀土元素 (REE) 来源，例如来自工业废物的，通常包含许多混合在一起的稀土元素和其他金属。新方法依赖于一种称为兰莫蛋白 (LanM) 的蛋白质，该蛋白质首先与源中的所有稀土元素结合。然后排出并去除其他金属。通过改变样品的条件，例如通过改变酸度或添加称为螯合剂的成分，个别类型的稀土元素不受约束并可以被收集。即使样品中的稀土元素含量非常低，这种新程序也能成功提取和分离高纯度的重稀土元素。信用：董等人。2021，ACS中央科学
为了满足新兴清洁能源技术对稀土元素日益增长的需求，我们需要解决供应链中的几个挑战。这包括提高效率并减轻这些金属的提取和分离过程的环境负担。在这项研究中，我们展示了一种使用天然蛋白质的有前途的新方法，该方法可以扩大规模以从低品位来源(包括工业废物)中提取和分离稀土元素。
——Joseph Cotruvo Jr.，宾夕法尼亚州立大学化学助理教授和路易斯·马尔塔拉诺职业发展教授，共同通讯作者
由于美国目前需要进口大部分稀土元素，因此新的重点是建立非常规来源的国内供应，包括燃烧煤炭和开采其他金属产生的工业废物以及手机和许多其他方面的电子废物。材料。这些来源广泛但被认为是低品位的，因为稀土与许多其他金属混合，而且稀土的含量太低，传统工艺无法正常运作。此外，目前的提取和分离方法依赖于刺激性化学品，劳动强度大，有时涉及数百个步骤，产生大量废物，并且成本高。
这种新方法利用了研究小组先前发现的一种叫做兰莫德林的细菌蛋白质，它与稀土元素的结合比与其他金属的结合要好近 10 亿倍。
从含 REE 原料中提取和随后分离单个稀土元素 (REE) 是可再生能源技术的增长和可持续性的一项具有挑战性但必不可少的任务。作为克服当前 REE 处理方法的技术和环境限制的重要一步，我们展示了一种使用 REE 选择性羊毛调节蛋白的生物基全水 REE 提取和分离方案。
Lanmodulin 使用硫醇-马来酰亚胺化学偶联到多孔载体材料上，以在流通条件下实现串联 REE 纯化和分离。固定化羊毛调节蛋白保持了可溶性蛋白质的吸引人的特性，包括显着的 REE 选择性、在低 pH 下结合 REE 的能力以及在许多低 pH 吸附/解吸循环中的高稳定性。
我们进一步证明了固定化羊毛调节蛋白能够实现清洁能源临界稀土对 Nd/Dy 的高纯度分离，并将低品位浸出液(0.043 mol% REE)转化为分离的重稀土和轻稀土馏分(88 mol % 纯度的总 REE)在单次色谱柱运行中使用约 90% 的色谱柱容量。这种在不需要有机溶剂的情况下首次从非常复杂的水性原料溶液中串联提取和分组分离 REE 的能力使这种基于羊毛脂蛋白的方法成为可持续湿法冶金的重要进步。
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蛋白质首先固定在柱子(工业过程中常用的垂直管)内的微小珠子上，向其中添加液体源材料。然后蛋白质与样品中的稀土元素结合，这使得只有稀土被保留在色谱柱中，而剩余的液体被排出。然后，通过改变条件，例如通过改变酸度或添加额外的成分，金属与蛋白质脱离并可以被排出和收集。通过仔细地依次改变条件，可以分离单个稀土元素。
研究团队将钇 (Y) 与钕 (Nd) 分离，钕 (Nd) 均富含原生稀土矿床和煤炭副产品，纯度超过 99%。他们还将钕与镝 (Dy) 分离——这是电子废物中常见的一种关键配对——根据初始金属成分，只需一两个循环即可获得超过 99.9% 的纯度。
回收的钕和镝的高纯度可与其他分离方法相媲美，并且在不使用刺激性有机溶剂的情况下以尽可能多或更少的步骤完成。由于该蛋白质能够用于多次循环，因此它为目前使用的方法提供了一种有吸引力的环保替代方案。
——董子业，LLNL博士后研究员，第一作者
研究人员认为，他们的方法不一定会取代目前通常用于从高品位来源大批量生产较轻稀土元素的液-液萃取工艺。相反，它将允许有效利用低品位资源，特别是用于提取和分离更稀有且通常价值更高的重稀土。
最近的其他方法能够从低品位来源中提取稀土元素，但它们通常停留在将所有稀土集中在一起的“总”产品，其价值相对较小，然后需要汇集到更传统的方案中用于进一步提纯个别稀土元素。真正的价值在于生产单个稀土，尤其是较重的元素。
——丹·帕克，LLNL 研究员，共同通讯作者
研究人员计划优化该方法，以便获得最高纯度的产品所需的循环更少，从而可以扩大规模以用于工业用途。
如果我们能够设计出对特定元素具有更高选择性的羊毛调节蛋白衍生物，我们就可以在相对较少的步骤中回收和分离所有 17 种稀土元素，即使是从最复杂的混合物中，而且无需任何有机溶剂或有毒化学品，这将是一件大事。我们的工作表明，这个目标应该是可以实现的。
— 小约瑟夫·科特鲁沃
这项工作得到了关键材料研究所、美国能源部资助的能源创新中心和美国能源部科学办公室的支持。
