【化學應用】萃取稀土元素的環保新方法:利用鮭魚精囊

■日本的化學家發現了一種萃取稀土元素的環保新材料:利用鮭魚的精囊。

photo credit: Alexander Raths, via Shutterstock.
photo credit: Alexander Raths, via Shutterstock.

撰文|陳勁豪

在目前的資訊社會中,利用稀土元素(rare earth element, REE)所製成的材料已經的應用於我們生活的各個領域中,例如光電元件,半導體,太陽能電池等。因此世界各國對稀土元素都有相當大的需求量。

稀土元素顧名思義是指在地球上罕見的金屬元素,但是這其實只說對了一半。稀土元素一共有十七種(鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥、鈧、釔),在地球上的總量其實不算特別少,以鈽而言,它在地殼的含量為0.0068%,在總量排名為25,跟銅差不多。但是稀土元素的卻是散佈在地球各處,很少有含量夠高的礦藏。這使得開發稀土元素變得相當困難。近年來在太平洋的海底有發現大量的稀土元素,但是海底開採的技術難度過高,至少在現階段並不符合經濟利益。

在陸地上開採稀土元素主要的方法是在礦區中大量挖掘泥土後接著進行過濾,並利用化學方法來協助萃取。這些方法不但會對環境造成大量破壞,提煉過程所用到的大量化學物質也會傷害週邊生態。根據估計,獲得一噸的稀土元素大概會產生75立方公尺(75噸)的酸性廢水,還有約一噸的放射性廢棄物。因此在環保意識逐漸高漲的現在,稀土金屬工業其實面臨相當大的挑戰。

日本廣島大學的高橋嘉夫教授跟他的研究團隊找到了一種純天然的材料來提昇萃取稀土元素的效率。他們所使用的是鮭魚的精囊(或稱魚白)。鮭魚是餐桌上常見的食物,同時也被人類大量養殖,所以價格便宜。對大量養殖鮭魚的歐美國家來說,他們不吃鮭魚魚白,所以幾乎等於是沒有經濟價值的廢棄物。所以利用幾乎不要錢的鮭魚魚白來提煉具有高經濟價值的稀土元素看起來幾乎等於是廢物利用,但是這個想法是怎麼出現的呢?

他們過去的研究讓他們注意到細菌細胞表面上的磷酸根可以有效的捕捉稀土元素。而DNA的骨架中變含有大量的磷酸根,因此他們便開始考慮利用DNA來捕捉稀土元素的可能性。但是DNA溶於水,因此他們需要有個基板來讓DNA附著在上面。所以他們就找到了鮭魚的魚白做為現成的DNA基板。鮭魚精囊的好處是體積大,不溶於水,而且價格低廉。以日本為例,他們拋棄的鮭魚精囊至少有上千噸。

他們把鮭魚精囊乾燥後製成粉末狀,然後加入含有釹,鏑還有三價鐵的溶液中。這三種元素是釹鐵硼磁鐵(Neodymium magnet)的主要材料。在經過加酸跟離心之後,他們可以成功的萃取出溶液中的稀土元素。

這個方法是否能夠提昇到具有經濟的工業化規模還有待驗證,但是這已經為更環保的開採稀土元素提出了一個新的可能方向。

原始論文
Recovery and Separation of Rare Earth Elements Using Salmon Milt
Y Takahashi et al, PLoS One, 2014
DOI: 10.1371/journal.pone.0114858

參考資料:
Chemstry World 2015/01/13: Fism sperm spawns rare earch metal recycling idea
IFLSCIENCE 2015/01/16: Salmon Sperm Could Help Us Recycle Rare Earth Elements 
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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