Продвижение инноваций в области применения и технологий редких металлов

Это содержание взято из стипендии колледжа Stanford Advanced Materials 2025 года, предоставленной Jahsean Meikle.

Аннотация

Почти каждая технология, необходимая для современной промышленности, основана на редких металлах. Постоянные магниты, лежащие в основе ветряных турбин и электромобилей, питаются неодимом и диспрозием, аэрокосмические компоненты укрепляются вольфрамом, а тантал гарантирует надежность сложной электроники и медицинских имплантатов. Однако неустойчивое воздействие на окружающую среду традиционной добычи и переработки, а также цепочки поставок, которые в значительной степени сосредоточены в небольшом количестве стран, представляют собой две одновременные проблемы для этих незаменимых материалов.

Этот проект, посвященный извлечению редкоземельных элементов (РЗЭ), в частности неодима, из использованных жестких дисков компьютеров, предлагает устойчивый путь через "городскую добычу". Процесс восстановления высокочистых оксидов РЗЭ со значительно меньшими выбросами, чем при традиционной добыче, сочетает термическое размагничивание, селективную механическую сепарацию и химическую экстракцию, вдохновленную биологическими факторами.

Эта идея решает две насущные мировые проблемы: стремительное увеличение количества электронных отходов и растущая потребность в редких металлах в высокотехнологичных отраслях промышленности. Такие отрасли, как возобновляемая энергетика, аэрокосмическая, электронная и оборонная промышленность, получают более надежную и устойчивую материальную базу, поскольку восстановленные РЗЭ вновь включаются в производственные цепочки.

Превращая электронные отходы в надежное сырье для новых технологий, эта инновация позиционирует городскую добычу как стратегию использования промышленных ресурсов, а также как стратегию утилизации. Эта стратегия обеспечит получение редких металлов, необходимых для инноваций в следующем веке, одновременно укрепляя передовое производство и минимизируя экологический ущерб для США и их союзников по всему миру.

1. Введение

Редкие металлы - невоспетые герои современной экономики. Они необходимы для жизненно важных технологий в бытовой электронике, здравоохранении, возобновляемой энергетике и аэрокосмической отрасли благодаря своим особым электрическим, тепловым и магнитным характеристикам. Постоянные магниты в двигателях и турбинах изготавливаются из неодима, диспрозия и празеодима.Благодаря высокой плотности и температуре плавления вольфрам необходим для радиационной защиты, режущих инструментов и реактивных двигателей. Тантал - важный компонент высокопроизводительных конденсаторов и медицинских имплантатов благодаря своей устойчивости к коррозии.

Несмотря на свою значимость, редкие металлы становится все труднее добывать. Значительную уязвимость создает геополитическая концентрация, например то, что одна страна обрабатывает более 90 % мирового объема РЗЭ. Традиционная добыча также имеет серьезные проблемы с устойчивостью, такие как радиоактивные хвосты и вырубка лесов. В то же время в мире растет количество электронных отходов; по данным ООН, ежегодно производится более 60 миллионов метрических тонн.

Растущий спрос и ограниченное предложение - два фактора, которые создают как возможности, так и проблемы. Общество не может продолжать нести экологические издержки, но и промышленность не может позволить себе испытывать дефицит. Восстановление РЗЭ из выброшенных жестких дисков - это устойчивое решение, которое я предлагаю. Эта процедура "городской добычи" служит примером того, как циркулярность, инновации и промышленная масштабируемость должны сосуществовать с будущими тенденциями развития редких металлов.

2. Современный ландшафт редких металлов

Редкие металлы имеют широкий спектр взаимосвязанных промышленных применений:

• Аэрокосмическая промышленность: Титан придает каркасам самолетов легкую прочность, гафний стабилизирует суперсплавы, а сплавы вольфрама укрепляют лопатки турбин.
• Возобновляемая энергетика: Магниты на основе неодима используются в ветряных турбинах, германий и индий - в солнечных батареях, а литий и кобальт приобретают все большее значение для хранения энергии.
• Медицинские технологии: Примерами того, как редкие металлы поддерживают глобальное здравоохранение, являются бериллий в устройствах для визуализации, танталовые имплантаты и магниты МРТ, в которых используются редкие земли.
• Электроника и вычислительная техника: Стабильность циркония в керамике и конденсаторах, роль ниобия в сверхпроводниках и редкоземельные магниты в системах хранения данных подчеркивают их ключевую роль.

Однако добыча этих материалов по-прежнему затруднена. На каждый килограмм оксидов редкоземельных металлов в традиционных рудах РЗЭ обычно приходится тонна пустой породы или всего 0,05% полезных минералов. Кислоты и растворители, необходимые для переработки, обычно загрязняют близлежащие источники воды. Цепочки поставок таких металлов, как тантал и вольфрам, сосредоточены в районах, подверженных торговым ограничениям или конфликтам.

В то же время концентрация металлов в электронных отходах значительно выше, чем в природных рудах. Из одной метрической тонны смартфонов можно извлечь больше золота, кобальта и редкоземельных элементов (РЗЭ), чем из многих шахт. Однако уровень переработки во всем мире по-прежнему составляет менее 20 % в целом и менее 1 % для редкоземельных элементов. Это несоответствие демонстрирует, что основными причинами неэффективности ресурсов являются инфраструктура и инновации, а не дефицит.

3. Предлагаемая инновация: Городская добыча жестких дисков

Хотя основополагающая схема имеет более широкое применение среди редких металлов, инновация, представленная здесь, сосредоточена на извлечении неодима.

Уже существуют системы сбора и разборки ИТ-активов, управляющие компьютерами, вышедшими из эксплуатации на предприятиях и в научных учреждениях. Неодимовые магниты могут быть эффективно извлечены из жестких дисков как отдельные, узнаваемые компоненты.

Механическая обработка и размагничивание

Для обеспечения безопасного обращения магниты нагревают в контролируемых условиях, чтобы устранить их магнитные свойства, а для оптимизации площади поверхности для химических реакций их затем измельчают.

Селективная экстракция и растворение

Этот подход предусматривает использование гибридных протоколов - мягких минеральных кислот в сочетании с органическими хелаторами, смоделированными по образцу природных белковых структур, вместо сильно едких кислот. Они оставляют примеси, такие как железо или никель, и в то же время нацелены на редкоземельные ионы. Селективное разделение с меньшим количеством вторичных отходов - вот результат.

Очистка и повторное использование

Высокочистый оксид неодима производится путем прокаливания восстановленных растворов после их осаждения в оксалаты. Эти оксиды позволяют преодолеть разрыв между промышленными приложениями нового поколения и отслужившей свой срок электроникой, будучи вновь включенными в процесс производства магнитов.

Таким же образом можно перерабатывать и другие редкие металлы, например, литий из аккумуляторов, вольфрамовые нити или танталовые конденсаторы. Таким образом, городская добыча предлагает универсальный способ решения проблемы критичности крупных металлов.

4. Промышленное применение и будущие тенденции

Извлеченные редкие металлы и другие РЗЭ немедленно интегрируются в промышленные системы:

• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: высокотемпературные сплавы, компоненты спутников и реактивные двигательные установки зависят от надежности поставок вольфрама, тантала и редкоземельных магнитов. Для этих жизненно важных отраслей городская добыча повышает надежность поставок.
• Зеленая энергетика: ожидается, что к 2030 году спрос на неодим в электромобилях вырастет в три раза; надежная добыча позволяет сбалансировать интенсивность добычи и геополитическую зависимость.
• Медицинские системы: Имплантируемые устройства, радиационное оборудование и технология МРТ - все это поддерживается стабильными поставками тантала и бериллия.
• Электроника: Восстановленные цирконий и ниобий поддерживают интегральные схемы и конденсаторы, способствуя развитию полупроводниковых технологий.

По прогнозам, глобальное потребление металлов перейдет от линейных к круговым тенденциям. Нормативные акты способствуют устойчивому снабжению, промышленные игроки все чаще применяют процедуры переработки, а конструкторские разработки способствуют созданию модульной электроники, облегчающей восстановление компонентов. Таким образом, городская добыча влияет на конкурентоспособность промышленности XXI века, а также на достижение целей устойчивого развития.

5. Заключение

Несмотря на то что редкие металлы необходимы для современных технологий, их будущее неопределенно, если промышленность не перейдет на новые методы поиска источников. Городской майнинг - это жизнеспособный, масштабируемый и экологически безопасный способ извлечения ценных металлов из электронных отходов.

Это изобретение прокладывает путь к устойчивым цепочкам поставок в области электроники, энергетики, здравоохранения и аэрокосмической промышленности, концентрируясь на неодимовых магнитах в жестких дисках и переходя к другим жизненно важным металлам. Таким образом, отходы превращаются в промышленный ресурс, а не в обузу.

Общество может гарантировать, что металлы, необходимые для прогресса, будут и дальше в изобилии, безопасны и устойчивы, если новое поколение ученых, инженеров и новаторов продолжит создавать эти рамки. Городская добыча - это будущее промышленной устойчивости и применения редких металлов; это больше, чем просто переработка.