新型连续超声波辅助浸提工艺用于稀土元素提取：环境与经济评估

摘要

稀土元素是个人电子设备、医疗仪器和现代能源技术中不可或缺的组成部分。使用有机酸浸出稀土元素是一种环境友好的传统提取方法替代方案。我们前期的研究表明，与传统生物浸出相比，分批式超声波辅助有机酸浸出稀土元素可显著降低环境影响。然而，分批式方法处理量小，不适合工业应用。本研究提出了一种新方法，采用连续式超声波辅助有机酸浸出工艺来增加反应体积。实验室实验表明，与我们前期报道的分批式方法相比，连续式超声波辅助浸出使浸出速率（微克/小时）提高了11.3至24.5倍。技术经济分析估计，使用商业购买的有机酸，采用葡萄糖酸和柠檬酸的连续工艺成本分别为9465美元/公斤（提取的稀土元素）和4325美元/公斤（提取的稀土元素）。敏感性分析表明，用微生物产生的生物浸出剂替代商业购买的有机酸，可将工艺成本降低约99%，同时仅使能耗略有增加。环境评估显示，大部分排放源于为超声波反应器供电所需的能源。我们得出结论，采用连续式超声波辅助方法提高浸出能力是可行的，但需要改进工艺以降低环境影响。

Keywords: ultrasound-assisted leaching; rare earth elements; critical materials; citric acid; gluconic acid

关键词： 超声波辅助浸提；稀土元素；关键材料；柠檬酸；葡萄糖酸

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2.2. Continuous Ultrasound-Assisted Organic Acid Leaching
A novel continuous ultrasound reactor was designed to improve the leaching efficiency of REEs from Diamond Creek surface soil. The soil sample contained an average of approximately 11.6 mg/g (1.16%) of mixed REEs. The mixed REE concentration of the soil was calculated using the sum of cerium (Ce), dysprosium (Dy), erbium (Er), europium (Eu), gadolinium (Gd), holmium (Ho), lanthanum (La), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), scandium (Sc), samarium (Sm), terbium (Tb), yttrium (Y), and ytterbium (Yb). Ultrasound treatment was performed using a custom-built rig using a modified LSP-500 horn sonicator (Industrial Sonomechanics, Miami, FL, USA). The sample is held in a 4000 mL reservoir and is stirred by a magnetic stir bar. The sample was pumped from the reservoir to the sonicator and back to the reservoir via a peristaltic pump (Figure 2). Samples were taken using an inline sample valve and the pressure generated during the sonication process was monitored with a pressure gauge.

2.2. 连续式超声波辅助有机酸浸提

为提高Diamond Creek表层土壤中稀土元素的浸出效率，设计了一种新型连续式超声波反应器。该土壤样品中混合稀土元素的平均含量约为11.6毫克/克（1.16%）。土壤中混合稀土元素的浓度通过铈（Ce）、镝（Dy）、铒（Er）、铕（Eu）、钆（Gd）、钬（Ho）、镧（La）、钕（Nd）、镨（Pr）、钪（Sc）、钐（Sm）、铽（Tb）、钇（Y）和镱（Yb）的总和来计算。超声波处理采用定制设备进行，使用改装后的LSP-500型探头式超声处理器（Industrial Sonomechanics, Miami, FL, USA）。样品置于4000毫升的储液瓶中，通过磁力搅拌棒进行搅拌。样品经蠕动泵从储液瓶泵送至超声处理器，再循环回储液瓶（图2）。通过在线取样阀采集样品，超声波处理过程中产生的压力由压力表监测。