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学术
2024-11-04 08:18
广东
铷（Rb）作为一种稀有碱金属，因其独特的化学性质和广泛的应用价值，在现代科技中扮演着越来越重要的角色。随着科技的迅猛发展，对铷的需求不断攀升。然而，铷的自然分布极为稀有，开采和提取的成本也相对高昂。地球上约80%的铷资源分布在盐湖和海洋中，其浓度普遍较低，约为20 ppm，难以直接提取利用。剩余20%的铷分布在含铷矿物中，如锂云母、花岗岩中，但由于铷在这些矿物中的分布较少，提取工艺复杂且成本高昂。在农业领域作为肥料的氯化钾（KCl）中也含有少量铷，因此利用KCl提取铷前景广阔。然而，目前从KCl中提取铷的传统方法主要是液相提取，但该方法面临铷/钾分离效率低、能源和水资源消耗高、化学品使用量大等问题。这些缺点不仅影响了铷的回收率，也对环境带来了巨大压力，限制了铷资源开发的可持续性。基于此，天津大学胡文平团队提出了一种创新的“晶体熟化微萃取（CRME）”策略，利用晶体熟化过程中的离子扩散特性，实现了从固体 KCl中高效提取铷。在该过程中，铷离子从小晶体向大晶体迁移，形成“配体空穴”，从而实现了铷的高选择性分离。通过这一策略，使铷的回收率高达92.37%，显著降低了能耗。与传统液相提取方法相比，CRME技术的能耗减少了97.57%，回收效率提高了22.24%，铷/钾分离系数提升了13.46倍。该研究以“Direct and efficient in situ rubidium extraction from potassium chloride salts”为题，发表在《Nature Sustainability》期刊上，这一技术突破为稀有金属的绿色回收带来了新的希望。1. 创新电荷补偿机制：首次提出在KCl中利用配体空穴实现铷的电荷补偿，打破了传统的铷提取方法，提高了回收效率。2. 显著的环境与经济效益：CRME策略减少了化学试剂和水资源的消耗，同时降低了损耗，实现了绿色提取和显著的经济效益。3. 广泛的应用潜力：不仅适用于铷，还适用于锂、钙、镁等金属的回收，展示了普适性，为多种战略金属的绿色回收提供了新方案。图1展示了铷资源在不同自然界环境中的分布情况，比较了从盐湖与固体KCl盐中回收铷的难度和提取工艺的差异。铷主要分布于盐湖、海洋等水体中，但含量极低，直接提取难度大。而铷在固体KCl盐中浓度相对较高，成为潜在的铷资源来源。传统液相提取法依赖于复杂的化学反应，能耗高、环境负担大，而CRME策略通过诱导奥斯特瓦尔德熟化过程，实现铷离子的选择性转移和分离，显著提高了提取效率，并减少了化学品使用。这一策略提供了铷资源高效利用的新思路，有望缓解铷资源的供应压力。图 2 采用CRME策略从固体KCl盐中回收铷的理论分析与实验研究图2分析了固体KCl和液相提取剂的质量比对铷离子传输效率的影响。研究显示，在晶体熟化过程中，小颗粒的溶解及向大颗粒的转移加速了铷离子的扩散，这一过程依赖于固体-液体质量比的优化。通过改变固体颗粒的初始粒径和液相提取剂的体积比，实验表明在适当条件下，铷离子的传输速率得到最大化提升，实现更高的分离效率。该图为进一步理解晶体熟化微萃取过程中的微观机理提供了实验依据，也揭示了优化反应条件对于提升铷回收效率的重要性。图3展示了在不同实验条件下，利用CRME策略实现铷/钾分离的优化结果。铷/钾分离是该方法的面临的核心挑战，因为这两种元素的物理和化学性质十分相似，传统液相提取法难以高效分离。通过调节CRME过程中的固体-液体质量比、反应温度、提取剂浓度以及反应时间等变量，实验获得了极高的铷/钾分离系数，最高达到281.35，与传统液相提取相比提高了13.46倍。这一显著提升得益于CRME策略中独特的晶体熟化机制，小晶体中的铷离子选择性向大晶体迁移并浓缩，显著降低了铷/钾的混合程度。在不同提取剂浓度条件下，铷/钾分离系数在特定浓度下达到峰值。当提取剂浓度较低时，铷的分离效率较低；随着浓度的增加，铷/钾分离系数明显提升，这是因为提取剂分子对铷离子的亲和力增强，导致铷从固体中更易被分离出来。同时，在较高的提取剂浓度下，铷的选择性转移率提高，进一步优化了分离效果。然而，当浓度超过一定范围后，分离系数趋于平稳，表明达到最佳分离浓度。此外，图3还反映了温度对分离效果的影响。实验中发现，适当提高反应温度可以加速铷离子的扩散，提高CRME策略的分离效率。这是因为温度的升高有助于离子在液相中的溶解和迁移，但过高的温度可能导致过量溶解，反而不利于铷的有效富集。因此，通过优化温度和其他反应条件，可以使CRME策略更高效、精确地分离铷和钾，为工业化提取稀有金属提供了科学依据和实验支持。图4 CRME策略的通用性、可扩展性、环境影响及经济效益评估图4从水资源消耗、能耗、化学品使用量、母材损耗和经济效益等多个维度对CRME策略和传统液相提取方法进行了对比评估。结果显示，CRME策略在能耗和水资源使用上显著减少，与液相提取相比能耗降低97.57%，化学品使用减少了20.48%，母材损耗减少27.63%。在经济方面，CRME策略每千克铷的回收成本较低，具有明显的经济效益提升。这表明CRME策略不仅在环境友好性方面具有优势，同时也带来了可观的经济回报，为工业化推广提供了有力支持。本文提出的CRME策略为从固体KCl盐中提取稀有金属铷提供了一种环保、高效的方案。与传统液相提取方法相比，CRME策略通过在晶体熟化过程中引导铷离子选择性迁移，显著提高了铷的回收效率，同时大幅减少了能源和水资源的消耗。在实验验证中，铷的回收率高达92.37%，并实现了13.46倍的铷/钾分离系数，表明了该方法的高效性和可行性。此外，CRME策略具有广泛的应用潜力，研究表明该方法在回收锂、钙、镁等金属方面也具有明显的优势，展示了良好的普适性。Direct and efficient in situ rubidium extraction from potassium chloride salts. nature sustainability, https://doi.org/10.1038/s41893-024-01449-w🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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