尽管稀土元素名副其实，但实际上并不那么稀有。这17 种金属元素在自然界中无处不在，并且在技术中变得越来越普遍，作为微芯片等的重要组成部分。“稀有”描述与将它们提取成可用形式的难度有关。从复合矿物中提取稀土的常规技术通常是能源密集型的，会产生大量的碳排放，并且大部分稀土元素会在其他工业过程的废物中流失。
为了开发可以从磷石膏(肥料生产的副产品)中回收稀土元素的更可持续的工艺，宾夕法尼亚州立大学的研究人员获得了为期四年、价值 571,658 美元的国家科学基金会赠款，作为与凯斯西储大学和克莱姆森大学合作的一部分170 万美元的资金。每所大学都获得独立资助，以追求该项目的特定方面，但该项目由凯斯西储的研究人员集中协调。化学工程副教授 Lauren Greenlee 与化学工程助理教授 Rui Shi 共同领导宾夕法尼亚州立大学的工作。
“今天，仅在佛罗里达州，估计就有 200,000 吨稀土元素被困在未加工的磷石膏废物中，”格林利说，并解释说磷石膏被输送到沟渠和池塘中进行无限期储存。“由于与放射性物种相关的挑战和分离单个元素的困难，这种稀土元素的来源目前尚未开发。该项目的愿景是发现新的分离机制、材料和工艺，以从化肥行业的废物流中回收有价值的资源，包括稀土元素、肥料和清洁水，为国内稀土元素的可持续供应铺平道路和可持续的农业部门。”
格林利还指出，美国的稀土元素供应在很大程度上依赖于国际来源，而 COVID-19 大流行已导致供应链出现长期延误。
“这是一个重大问题，国际上获取和使用稀土元素的经济、环境和安全复杂性使问题更加复杂，”格林利说。
磷石膏是将磷矿石加工成肥料时形成的，并含有少量天然存在的放射性元素，如铀和钍。由于这种放射性，副产品会被无限期储存，储存不当会污染土壤、水和大气。为了收集磷石膏中捕获的稀土元素，研究人员提出了一种使用工程肽的多阶段工艺，能够通过专门的膜精确识别和分离稀土元素。
“个别稀土元素具有相似的尺寸和相同的形式电荷，因此传统的膜分离机制是不够的，”格林利说。“这项研究的一个关键技术目标是发现支持肽离子选择性的机制，并利用这些机制设计一类新的高选择性膜。”
凯斯西储大学化学工程首席研究员兼助理教授 Christine Duval 和化学和生物分子工程联合首席研究员兼助理教授 Julie Renner 将开发分子以锁定特定的稀土元素。他们的设计将由克莱姆森大学化学和生物分子工程首席研究员兼副教授雷切尔·格曼 (Rachel Getman) 的计算建模工作指导。肽开发完成后，Greenlee 将研究它们在水溶液中的作用，而 Shi 将使用系统分析工具，包括技术经济分析和生命周期评估，来评估拟议的稀土元素回收的环境影响和经济可行性系统在各种设计和运行条件下。
“这个过程对可持续性的总体影响是什么?”石问。“我们希望摆脱当前的环境影响，使其更具可持续性，我们可以通过将基础研究和实验室规模的结果转化为系统级环境和经济影响来实现这一目标。然后，我们可以将可持续性结果重新整合到设计中，以指导未来的研究目标，同时推进稀土元素回收和磷石膏加工。”
拟议的项目还将补充宾夕法尼亚州立大学的其他研究，包括使用天然蛋白质分子从其他工业废物来源中提取稀土元素的工作。
“对于我们的项目，假设是与与稀土元素结合的肽相关的水分子重组，我们可以根据单个稀土元素精确控制重组，使其更有效，”格林利说，并指出她的团队将通过使用 X 射线吸收光谱来验证分子在结合时如何交换原子，从而在原子水平上检查相互作用。“通过建模和实验，我们将继续迭代以确保我们了解分子如何协同工作。”
