稀土元素（REE）是一組17種金屬元素，幾乎存在于每一項技術中，包括手機，電視，計算機和車輛的幾乎每個部件。對這些元素的需求每年都在增加，但供應在地緣政治上是有限的，并且采用環境不可持續的做法進行開采。
聖路易斯華盛頓大學麥凱維工程學院能源、環境和化學工程教授Young-Shin Jun和她的團隊建立了一個概念驗證解決方案：從粉煤灰中提取稀土元素，粉煤灰是一種來自煤炭燃燒的細粉狀廢物。
“我們希望使用比傳統上更有害的工藝更環保的工藝來提取稀土元素，”Jun說。“由于煤炭已經被使用，這個過程最終是減少和修複廢物的途徑。
Jun和她以前的博士生，現任普林斯頓大學的博士後學者Yaguang Zhu開發了這種新穎的提取工藝，使用超臨界流體（通常用于脫咖啡因咖啡）從原本會被丢棄在垃圾填埋場的材料中回收這些急需的稀土元素。超臨界流體是溫度和壓力高于其臨界點的物質，其性質介于液體和氣體之間。Jun的團隊報告說，美國每年産生超過79萬噸的粉煤灰，可以從美國粉煤灰中提取的稀土元素的潛在價值估計每年超過4億美元。
他們的工作出現在RSC Sustainability上，首次表明普通和可接近的超臨界流體，包括二氧化碳，氮氣和空氣，能夠非常有效地提取稀土元素和分離雜質。此外，通過使用煤粉煤灰的實驗，他們發現超臨界二氧化碳降低了最終稀土産品中雜質的濃度。最終，他們的最終産品含有高達6.47%的稀土元素，而最初的粉煤灰源中則含有0.0234%。
“我們工作的獨特性不僅在于使用超臨界一氧化碳2，但也表明超臨界空氣和氮氣，溫度和壓力比CO所需的溫度和壓力低得多2，可以有效地提取稀土，“環境納米化學實驗室負責人Jun說。
“我們可以使用較低的溫度和壓力與氮氣或空氣從煤灰中提取稀土元素，這意味着更低的能源成本。當然，超臨界一氧化碳2效果最好，但與傳統的用酸和有機溶劑進行稀土萃取的高溫沸騰相比，超臨界空氣或氮氣可以做得更好。
Jun團隊的提取過程包括兩個步驟：首先，煤粉煤灰中的金屬離子，包括稀土元素和雜質，從煤灰中浸出并與硝酸反應形成金屬硝酸鹽;其次，金屬硝酸鹽與磷酸三丁酯（TBP）反應。他們發現，通過超臨界二氧化碳，氮氣或空氣，稀土元素形成可以從煤粉煤灰中提取的複合物。
提取後，他們的多級剝離過程收集稀土并降低雜質濃度。該工藝中使用的硝酸和TBP可以在不犧牲效率的情況下多次完全回收，進而最大限度地減少了它們的處置問題。
Jun的方法還消除了在極高溫度或大于500°C下焙燒原料的需要，也無需用強酸和大量有毒有機溶劑提取稀土元素，這些溶劑在傳統提取工藝中也成為廢物。
“超臨界流體被認為是一種更環保的溶劑，對環境的侵入性較小，使我們能夠直接從固體廢物中提取稀土元素，而無需浸出和焙燒原料，是以我們的新工藝所需的能源更少，這也産生了更少的廢物，”Jun說。“我們正在尋求一種更環保的工藝，用于關鍵元素的回收和從以前被認為是廢物的材料中回收。