稀土（Rare earth element, REE）是镧系元素和钪、钇共17种金属元素的总称。作为不可再生的稀缺性战略资源，有着“工业维生素”“新材料之母”之称，广泛应用于尖端科技领域和军工领域。除此之外，稀土元素更是在新能源领域扮演着不可替代的作用。例如，电动汽车马达所必须的永久磁铁中，稀土元素占其重量达到1/3。随着新能源技术的飞速发展，对稀土元素的需求也呈现了爆发性的增长。然而，提纯并分离这17种化学性质相似的元素非常困难。目前工业上主要依赖于使用有机溶剂反复萃取，但其过程能耗大且污染重，与发展新能源技术的初衷背道而驰。

为攻克这一难题，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）与宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）的科学家展开合作，成功制备了一种基于细菌蛋白质（lanmodulin，LanM）的稀土吸附材料。该材料填充的吸附柱能够从废水溶液（pH3）中高效地提取低浓度的稀土元素，例如煤灰沥滤液，废旧电子垃圾溶解液等。通过改变淋洗液的pH值，该团队成功将钕Nd、镝Dy（永久磁铁主要成分）混合溶液分离为纯度超过99.9%的单一稀土溶液。并且全过程不需要使用有机溶剂。该研究以题为“Bridging Hydrometallurgy and Biochemistry: A Protein-Based Process for Recovery and Separation of Rare Earth Elements”的论文发表在《 ACS Central Science》上（doi.org/10.1021/acscentsci.1c00724）。

该团队首先在LanM蛋白上引入巯基并通过与马来酰亚胺反应将其接枝到琼脂糖微球表面。该微球填充的吸附柱依然保留了LanM蛋白极高的稀土金属离子吸附选择性。在弱酸条件下（pH3）,LanM修饰的微球能够从含有高浓度的其它常见金属离子溶液中选择性地提取并浓缩稀土元素（图1）。通过降低pH值（pH1.5），提取的稀土元素可以完全脱附并再生吸附柱供反复使用。

图1.选择性稀土元素吸附、脱附。

除此之外，该团队发现不同稀土元素在不同pH值下有着不同的脱附选择性。从而提出使用两步脱附法（pH2.1、pH1.7），成功地将50%Nd、50%Dy的混合溶液在一个吸附、脱附过程中分离成纯度达99.9%的单一稀土元素溶液。随后，该团队提出用两个吸附、脱附循环，完全分离了成分更接近于废旧电子垃圾的目标溶液（图2，Nd：Dy=95:5）。

图2.两步法高纯度分离钕Nd、镝Dy。

最后，该团队成功从仅含有极低浓度稀土元素的煤灰淋洗液中提取稀土元素。仅用一个吸附步骤就将原液中0.04 mol%稀土含量提高到88 mol%的纯度，并且产率超过99.9%（图3）。同时，通过使用两步脱附法可将稀土混合物分离成重、轻稀土两个部分。

图3. 从煤灰淋洗液中高效提取浓度极低的稀土元素。并同时将稀土元素分离成重稀土以及轻稀土组分。

相比传统方法，该稀土分离过程有诸多优势。第一，LanM蛋白可以从低浓度的废料中高效提取稀土元素，从而避免了矿石开采中的重污染、高能耗问题。达到垃圾回收利用的同时避免了放射性废料的产生。另外，蛋白的生产可以依赖成熟的细菌发酵技术，不需要依赖化石能源。最后，该稀土提纯、分离过程完全不需使用有机溶剂，减少污染物排放。目前该团队表示正在研发更多的脱附方法，从而达到“绿色”分离17种稀土元素的目标。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00724

来源：高分子科学前沿

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