2022年，美国莱斯大学James M. Tour教授等人在《Science Advances》上发表了题为“Rare earth elements from waste”的论文，提出了一种基于闪蒸焦耳加热（FJH）的超快电热过程（~3000℃，~1s），用于激活废物以提高稀土元素的可提取性。

【总结】

（1）高效能的提取过程：本研究采用的FJH方法能在极短的时间内（约1秒钟）将处理材料加热至约3000℃，迅速分解难以溶解的稀土磷酸盐和其他矿物相，转化为更易溶解的形态，从而显著提高了稀土元素的可提取率。

（2）低能耗和成本效益：该方法相较于传统的稀土元素提取方法，大幅降低了能源消耗，每吨材料仅需600千瓦时的电能，相比之下成本更低，经济效益更高。

（3）环境友好：通过提高废物中稀土元素的提取效率，该技术有助于减少废物的环境负担和促进循环经济的发展。此外，FJH过程中使用的酸性较低（例如0.1 M HCl），相较于使用高浓度酸的传统方法，可以显著减少废水和环境污染。

（4）广泛适用性：该技术不仅可以应用于煤飞灰等传统废物，还能有效处理赤泥（铝业废弃物）和电子废物等多种废物来源，提高了其实用性和推广价值。

（5）可扩展性：研究还展示了FJH方法的可扩展性，可以适应大规模生产的需求，为未来的工业应用提供了可能。

图1. 通过超快电热活化提高煤飞灰（CFA）中稀土元素的回收率

图2. 煤飞灰（CFA）中酸可提取的稀土元素含量

【研究背景】

（1）稀土元素（REEs）在现代电子、清洁能源和汽车工业中是关键材料。这些元素在电子设备、风力发电机、电动汽车等高科技领域中有着广泛应用。

（2）当前的稀土元素提取主要依赖于浓酸浸出和两相溶剂萃取，这些方法虽然有效但资源消耗大，污染严重。

（3）随着容易开采的稀土矿物逐渐枯竭，从工业废弃物中提取稀土元素成为一种潜在的替代方案。

（4）工业废弃物如煤飞灰（CFA）、赤泥（BR）和电子废物（e-waste）中含有一定量的稀土元素。这些废弃物的再利用不仅能减少环境负担，还能有效回收其中的稀土元素。

（5）从废弃物中回收稀土元素的现有方法面临提取率低、处理过程长以及高废水排放等问题。提取效率受限于稀土元素的化学形态和分布，如难溶解的稀土磷酸盐和玻璃相。

（6）电加热技术被认为是一种快速、高温且节能的材料处理方式。研究团队开发了闪蒸焦耳加热（FJH）技术，能够将碳材料快速转化为石墨烯，并探索其在废弃物管理中的应用。

【研究方法】

（1）样品制备：使用煤飞灰（CFA）、赤泥（BR）和电子废物（e-waste）作为研究对象。将原始CFA样品与碳黑（CB）按质量比2:1混合，通过球磨机均匀混合。

（2）闪蒸焦耳加热（FJH）过程：将混合样品放入石英管中，石英管放置在两个石墨电极之间。通过调节电极之间的压力来控制样品的电阻。使用电容器组（总电容为60 mF）提供高压放电，放电时间约为1秒。放电过程中样品温度迅速上升到约3000℃，随后在约1150℃下稳定。

（3）稀土元素的提取和测量：

①酸浸出法：使用1 M HCl或15 M HNO3在85℃下浸出原始和处理后的CFA样品，浸出时间为4小时。使用0.5 M HNO3在室温下浸出BR样品，浸出时间为24小时。使用1 M HCl在85℃下浸出电子废物样品，浸出时间为4小时。

②样品消解：使用HF和HNO3混合液在95℃下消解CFA样品，确保样品完全溶解。

③ICP-MS/ICP-OES测量：使用感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）和感应耦合等离子体光谱（ICP-OES）测量各样品中稀土元素的含量。

（4）表征与分析：X射线衍射（XRD）用于分析样品的矿物组成和晶体结构。X射线光电子能谱（XPS）用于确定样品表面元素的化学状态。扫描电子显微镜（SEM）用于观察样品的形貌和微观结构。热重分析（TGA）：在空气中以每分钟10℃的速率加热至1000℃，测定样品的热稳定性和组成。使用红外温度计和超快速相机实时监测FJH过程中的样品温度变化和热分布。

（5）溶解性和热力学分析：

①溶解曲线计算：使用Visual MINTEQ 3.1软件计算稀土磷酸盐和氧化物在不同pH下的溶解曲线。

②Ellingham图分析：计算稀土氧化物的碳热还原温度，验证FJH过程中稀土元素的还原反应。

（6）扩大规模实验：建立更大规模的FJH系统，研究批量生产的可行性和成本效益。

【研究结果】

（1）稀土元素的提取效率提高：通过闪蒸焦耳加热（FJH）处理，煤飞灰（CFA）中稀土元素的酸可提取性显著提高。FJH处理后的CFA-F（类F煤飞灰）在1 M HCl（85℃）中浸出的总稀土含量达到329±14 mg/kg，相较于未经处理的CFA-F，提取率提高了约206%。FJH处理后的CFA-C（类C煤飞灰）在1 M HCl（85℃）中浸出的总稀土含量达到431±21 mg/kg，相较于未经处理的CFA-C，提取率提高了约187%。

（2）酸浸出性能的改善：通过FJH处理，稀土磷酸盐和其他难溶解的稀土化合物被热分解为易溶解的稀土氧化物和金属。FJH处理后的CFA在低浓度酸（如0.1 M HCl）中的提取效率显著提高，降低了废水处理的负担。

（3）能源消耗和成本效益：FJH处理过程中电能消耗较低，每吨材料约为600千瓦时，成本约为12美元，显示出较高的经济效益。相较于传统的稀土提取方法，FJH技术的能源消耗和环境负担更低。

（4）适用性和扩展性：FJH技术对各种废弃物（包括CFA、BR、电子废物）均有效。FJH技术有望扩展至大规模生产，具有可行的商业应用前景。

（5）稀土元素的提取结果：

①煤飞灰（CFA）：FJH处理后，CFA-F和CFA-C中各个稀土元素的提取率分别提高到原来的170%至230%和170%至210%。稀土磷酸盐如YPO4和LaPO4在FJH处理后被热分解为Y2O3和La2O3，进一步提高了溶解性。

②赤泥（BR）：BR中的稀土含量从原始的428±9 mg/kg提高到FJH处理后的757±30 mg/kg，提取率提高了约177%。

③电子废物（e-waste）：FJH处理后，电子废物中稀土元素的提取率从原始的61±4 mg/kg提高到94.6±0.2 mg/kg，提取率提高了约156%。

（6）热力学和溶解性分析：计算和实验结果表明，FJH过程中的高温（约3000℃）能够有效热分解稀土磷酸盐和还原稀土氧化物。溶解曲线显示，稀土氧化物在较低酸度下具有更高的溶解性，这解释了FJH处理后稀土元素在低浓度酸中提取效率的提高。

（7）其他发现：FJH处理过程中样品的快速加热和冷却（>104 K/s）导致了玻璃相的热应力和裂纹，有助于提高稀土元素的可提取性。FJH技术对不同稀土元素具有一致的激活效果，显示出无选择性的提取性能。

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）扩大FJH技术的应用范围：进一步研究FJH技术在其他类型的工业废弃物（如矿山尾矿、冶金渣等）中的应用。探讨FJH技术对不同地理来源和成分的煤飞灰（CFA）、赤泥（BR）和电子废物（e-waste）的适用性和效果。

（2）优化FJH工艺参数：研究不同电压、放电时间和样品配比对FJH处理效果的影响，寻找最佳工艺参数。探讨FJH处理过程中温度分布的均匀性和控制方法，确保大规模处理时的一致性和稳定性。

（3）提高稀土元素的提取效率和纯度：结合FJH技术与其他前处理方法（如化学预处理或机械预处理），进一步提高稀土元素的提取效率。研究从FJH处理后的浸出液中分离和纯化稀土元素的方法，减少杂质，提高产品纯度。

（4）环境影响评估和废水处理：评估FJH技术在实际应用中的环境影响，包括能耗、废气排放和废水处理等方面。研究FJH处理过程中产生的废水处理方法，确保废水排放符合环保标准。

（5）商业化和大规模生产：设计和建造更大规模的FJH设备，研究其在工业规模上的可行性和经济性。探讨将FJH技术集成到现有的稀土元素回收和处理工艺中的方法，实现工业化应用。

（6）基础研究：进一步研究FJH过程中的物理和化学机制，特别是高温条件下稀土化合物的分解和还原反应。探讨FJH过程中不同稀土元素和其他杂质元素的行为和相互作用。

（7）循环经济和资源管理：研究将FJH技术应用于更多的废物资源回收项目，推动循环经济的发展。探索FJH技术在其他稀有金属（如钪、镓、铟等）回收中的应用潜力，扩大资源利用范围。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3132