Технология быстрого джоулева нагрева открывает возможность эффективного извлечения редкоземельных элементов из электронных отходов

Группа исследователей, в которую входят Джеймс Тур из Университета Райса и Шичен Сюй, разработала сверхбыстрый одноэтапный метод извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из выброшенных магнитов, используя инновационный подход, который обеспечивает значительные экологические и экономические преимущества по сравнению с традиционными методами переработки. Результаты их исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 29 сентября 2025 года.

Традиционная переработка редкоземельных элементов энергоёмка и создаёт токсичные отходы. Метод исследовательской группы использует мгновенный джоулев нагрев (FJH), который быстро повышает температуру материала до тысяч градусов за миллисекунды, и газообразный хлор для извлечения РЗЭ из отходов магнитов за считанные секунды без использования воды или кислот. Этот прорыв способствует усилиям США по увеличению поставок минеральных ресурсов.

«Мы продемонстрировали, что можем извлекать редкоземельные элементы из электронных отходов за считанные секунды, оказывая минимальное воздействие на окружающую среду», — сказал Тур, профессор химии, профессор материаловедения и наноинженерии, а также автор-корреспондент исследования. «Это именно тот шаг вперёд, который нам необходим для обеспечения устойчивой и цикличной цепочки поставок».

Гипотеза, основанная на термодинамической селективности

Исследователи предположили, что FJH в сочетании с газообразным хлором может использовать разницу в свободной энергии Гиббса, мере реакционной способности материала, и различные температуры кипения для выборочного удаления нередкоземельных элементов из отходов магнитов.

В присутствии газообразного хлора такие элементы, как железо или кобальт, хлорируются и испаряются первыми, оставляя оксиды редкоземельных элементов. Исследовательская группа протестировала этот процесс на отходах магнитов из неодима, железа, бора и самария-кобальта, используя сверхбыстрый метод быстрого ионообменного хроматографа в атмосфере хлора. Благодаря точному контролю температуры и нагреванию материалов в течение нескольких секунд элементы, не относящиеся к редкоземельным элементам, были преобразованы в летучие хлориды, которые затем отделились от твёрдых редкоземельных элементов.

Ученые отметили, что нередкоземельные элементы удалялись практически мгновенно, что позволило получить более чистый остаток редкоземельных элементов.

«Благодаря термодинамическому преимуществу процесс стал эффективным и чистым», — сказал Сюй, первый автор исследования и научный сотрудник Райса. «Этот метод не только работает гораздо быстрее традиционных методов, но и позволяет избежать использования воды или кислоты, что до сих пор считалось невозможным».

Помимо лабораторных экспериментов, исследователи провели комплексную оценку жизненного цикла (LCA) и технико-экономический анализ (TEA) для оценки эффективности своего процесса. Им удалось достичь чистоты и выхода РЗЭ более 90% за одну стадию. LCA и TEA показали снижение энергопотребления на 87%, выбросов парниковых газов на 84% и снижение эксплуатационных расходов на 54% по сравнению с гидрометаллургией. 

Согласно исследованию, этот процесс полностью исключает необходимость использования воды и кислоты.

На пути к масштабируемой циклической экономике редкоземельных металлов

Новый метод позволяет создавать небольшие и крупные, простые в использовании установки для переработки, которые можно размещать рядом с местами сбора электронных отходов. Эти локальные системы позволяют быстро и чисто перерабатывать использованные магниты, сокращая расходы на транспортировку и заботясь об окружающей среде.

«Результаты показывают, что это больше, чем академическое упражнение — это жизнеспособный промышленный путь», — сказал Тур. 

Данная интеллектуальная собственность компании Rice была лицензирована для Flash Metals USA — стартапа из округа Чемберс в Техасе, который к первому кварталу 2026 года выйдет на производственный режим, чтобы извлечь выгоду из этого процесса.  

Соавторами исследования являются Джастин Шарп из Райс, Бинг Дэн, Цимин Лю, Лукас Эдди, Вэйцян Чен, Джэхо Шин, Шихуэй Чен, Хаосинь Е, Халил Джебейли, Боуэн Ли, Тенгда Си и Кай Гонг.

Это исследование было поддержано Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, Управлением научных исследований ВВС США и Инженерным корпусом армии США.

Источник: https://news.rice.edu/news/2025/rapid-flash-joule-heating-technique-unlocks-efficient-rare-earth-element-recovery