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研究背景

銣（Rb）作為一種稀有堿金屬，因其獨特的化學性質和廣泛的應用價值，在現代科技中扮演著越來越重要的角色。隨著科技的迅猛發展，對銣的需求不斷攀升。然而，銣的自然分布極為稀有，開采和提取的成本也相對高昂。地球上約80%的銣資源分布在鹽湖和海洋中，其濃度普遍較低，約為20 ppm，難以直接提取利用。剩余20%的銣分布在含銣礦物中，如鋰云母、花崗巖中，但由于銣在這些礦物中的分布較少，提取工藝復雜且成本高昂。在農業領域作為肥料的氯化鉀（KCl）中也含有少量銣，因此利用KCl提取銣前景廣闊。然而，目前從KCl中提取銣的傳統方法主要是液相提取，但該方法面臨銣/鉀分離效率低、能源和水資源消耗高、化學品使用量大等問題。這些缺點不僅影響了銣的回收率，也對環境帶來了巨大壓力，限制了銣資源開發的可持續性。

成果簡介

基于此，天津大學胡文平團隊提出了一種創新的“晶體熟化微萃取（CRME）”策略，利用晶體熟化過程中的離子擴散特性，實現了從固體 KCl中高效提取銣。在該過程中，銣離子從小晶體向大晶體遷移，形成“配體空穴”，從而實現了銣的高選擇性分離。通過這一策略，使銣的回收率高達92.37%，顯著降低了能耗。與傳統液相提取方法相比，CRME技術的能耗減少了97.57%，回收效率提高了22.24%，銣/鉀分離系數提升了13.46倍。該研究以“Direct and efficient in situ rubidium extraction from potassium chloride salts”為題，發表在《Nature Sustainability》期刊上，這一技術突破為稀有金屬的綠色回收帶來了新的希望。

研究亮點

1. 創新電荷補償機制：首次提出在KCl中利用配體空穴實現銣的電荷補償，打破了傳統的銣提取方法，提高了回收效率。

2. 顯著的環境與經濟效益：CRME策略減少了化學試劑和水資源的消耗，同時降低了損耗，實現了綠色提取和顯著的經濟效益。

3. 廣泛的應用潛力：不僅適用于銣，還適用于鋰、鈣、鎂等金屬的回收，展示了普適性，為多種戰略金屬的綠色回收提供了新方案。

圖文導讀

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圖1 ?銣資源的分布及CRME策略的設計

圖1展示了銣資源在不同自然界環境中的分布情況，比較了從鹽湖與固體KCl鹽中回收銣的難度和提取工藝的差異。銣主要分布于鹽湖、海洋等水體中，但含量極低，直接提取難度大。而銣在固體KCl鹽中濃度相對較高，成為潛在的銣資源來源。傳統液相提取法依賴于復雜的化學反應，能耗高、環境負擔大，而CRME策略通過誘導奧斯特瓦爾德熟化過程，實現銣離子的選擇性轉移和分離，顯著提高了提取效率，并減少了化學品使用。這一策略提供了銣資源高效利用的新思路，有望緩解銣資源的供應壓力。

圖 2 采用CRME策略從固體KCl鹽中回收銣的理論分析與實驗研究

圖2分析了固體KCl和液相提取劑的質量比對銣離子傳輸效率的影響。研究顯示，在晶體熟化過程中，小顆粒的溶解及向大顆粒的轉移加速了銣離子的擴散，這一過程依賴于固體-液體質量比的優化。通過改變固體顆粒的初始粒徑和液相提取劑的體積比，實驗表明在適當條件下，銣離子的傳輸速率得到最大化提升，實現更高的分離效率。該圖為進一步理解晶體熟化微萃取過程中的微觀機理提供了實驗依據，也揭示了優化反應條件對于提升銣回收效率的重要性。

圖3 ?CRME策略的優化、性能評估與機制研究

圖3展示了在不同實驗條件下，利用CRME策略實現銣/鉀分離的優化結果。銣/鉀分離是該方法的面臨的核心挑戰，因為這兩種元素的物理和化學性質十分相似，傳統液相提取法難以高效分離。通過調節CRME過程中的固體-液體質量比、反應溫度、提取劑濃度以及反應時間等變量，實驗獲得了極高的銣/鉀分離系數，最高達到281.35，與傳統液相提取相比提高了13.46倍。

這一顯著提升得益于CRME策略中獨特的晶體熟化機制，小晶體中的銣離子選擇性向大晶體遷移并濃縮，顯著降低了銣/鉀的混合程度。在不同提取劑濃度條件下，銣/鉀分離系數在特定濃度下達到峰值。當提取劑濃度較低時，銣的分離效率較低；隨著濃度的增加，銣/鉀分離系數明顯提升，這是因為提取劑分子對銣離子的親和力增強，導致銣從固體中更易被分離出來。同時，在較高的提取劑濃度下，銣的選擇性轉移率提高，進一步優化了分離效果。然而，當濃度超過一定范圍后，分離系數趨于平穩，表明達到最佳分離濃度。

此外，圖3還反映了溫度對分離效果的影響。實驗中發現，適當提高反應溫度可以加速銣離子的擴散，提高CRME策略的分離效率。這是因為溫度的升高有助于離子在液相中的溶解和遷移，但過高的溫度可能導致過量溶解，反而不利于銣的有效富集。因此，通過優化溫度和其他反應條件，可以使CRME策略更高效、精確地分離銣和鉀，為工業化提取稀有金屬提供了科學依據和實驗支持。

圖4 ?CRME策略的通用性、可擴展性、環境影響及經濟效益評估

圖4從水資源消耗、能耗、化學品使用量、母材損耗和經濟效益等多個維度對CRME策略和傳統液相提取方法進行了對比評估。結果顯示，CRME策略在能耗和水資源使用上顯著減少，與液相提取相比能耗降低97.57%，化學品使用減少了20.48%，母材損耗減少27.63%。在經濟方面，CRME策略每千克銣的回收成本較低，具有明顯的經濟效益提升。這表明CRME策略不僅在環境友好性方面具有優勢，同時也帶來了可觀的經濟回報，為工業化推廣提供了有力支持。

結論展望

本文提出的CRME策略為從固體KCl鹽中提取稀有金屬銣提供了一種環保、高效的方案。與傳統液相提取方法相比，CRME策略通過在晶體熟化過程中引導銣離子選擇性遷移，顯著提高了銣的回收效率，同時大幅減少了能源和水資源的消耗。在實驗驗證中，銣的回收率高達92.37%，并實現了13.46倍的銣/鉀分離系數，表明了該方法的高效性和可行性。此外，CRME策略具有廣泛的應用潛力，研究表明該方法在回收鋰、鈣、鎂等金屬方面也具有明顯的優勢，展示了良好的普適性。

文獻信息

Direct and efficient in situ rubidium extraction from potassium chloride salts. nature sustainability.

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