儘管名字叫稀土，但稀土元素實際上並不那麼稀少。 這17種金屬元素在自然界中無處不在，而且在技術上變得更加普遍，它們特是微晶元等的重要組成部分。 對「稀有」的描述主要涉及它們被提取為可用形式的難度。 從複合礦物中提取它們的正常技術通常是能源密集型的，併產生大量的碳排放，而且很大一部分稀土元素在其他工業過程的廢物中流失。

為了開發一種更可持續的工藝，從化肥生產的副產品磷石膏中提取稀土元素，賓夕法尼亞州立大學的研究人員獲得了一項為期四年、價值571658美元的國家科學基金會資助，作為與凱斯西儲大學和克萊姆森大學合作的一部分，總資金為170萬美元。 每所大學都被獨立資助以進行專案的一個特定方面，但該專案由凱斯西儲大學的研究人員集中協調。 化學工程系副教授Lauren Greenlee與化學工程系助理教授Rui Shi共同領導賓州大學的工作。

“今天，僅在佛羅里達州，估計就有20萬噸稀土元素被困在未加工的磷石膏廢料中，”Greenlee說，她解釋說，磷石膏被管道輸送到溝渠和池塘中無限期地儲存。 “由於與放射性物種有關的挑戰和分離個別元素的困難，這種稀土元素的來源目前尚未被開發。 這個專案的願景是發現新的分離機制、材料和工藝，從化肥工業的廢液中回收有價值的資源，包括稀土元素、肥料和清潔水，為國內稀土元素的可持續供應和可持續農業部門鋪平道路。 “

Greenlee還指出，美國的稀土元素供應主要依靠國際間進口，而COVID-19大流行病已造成供應鏈的長時間延誤。 由於在國際上獲得和使用稀土元素的經濟、環境和安全方面的複雜性，這個問題變得更加複雜。

磷石膏是在磷酸鹽岩石被加工成肥料時形成的，它含有少量的天然放射性元素，如鈾和釷。 由於這種放射性，這種副產品被無限期地儲存起來，而不當的儲存會污染土壤、水和大氣。 為了收穫被困在磷石膏中的稀土元素，研究人員提出了一個多階段的過程，使用能夠精確識別並通過專門的膜分離出稀土元素的工程肽。

“單個稀土元素具有相似的尺寸和相同的形式電荷，因此傳統的膜分離機制是不夠的。 這項研究的一個關鍵技術目標是發現支撐肽離子選擇性的機制，並利用這些機制來設計一類新的高選擇性膜。 “

凱斯西方儲備大學的研究人員，首席調查員和化學工程助理教授Christine Duval，以及聯合首席調查員和化學與生物分子工程助理教授Julie Renner，預計將開發出與特定稀土元素相連接的分子。 他們的設計將由克萊姆森大學化學和生物分子工程專業的首席研究員和副教授Rachel Getman指導計算建模工作。 一旦肽被開發出來，Greenlee將調查它們在水溶液中的作用，而Shi將使用系統分析工具，包括技術經濟分析和生命周期評估，以評估擬議的稀土元素回收系統在各種設計和操作條件下的環境影響和經濟可行性。 希望擺脫目前的環境影響，使之更具有可持續性，我們可以通過將基礎研究和實驗室規模的結果轉化為系統級的環境和經濟影響來實現。 然後，我們可以將可持續發展的結果重新整合到設計中，以指導未來的研究目標，同時推進稀土元素回收和磷石膏加工。

擬議的專案還將補充賓夕法尼亞州立大學的其他研究，包括利用自然發生的蛋白質分子從其他工業廢物來源中提取分組稀土元素的工作。

“對於我們的專案，假設是與結合到稀土元素的肽相關的水分子會重組，我們可以精確地控制這種重組，以便根據單個稀土元素更有效率。” Greenlee的團隊將通過使用X射線吸收光譜檢查原子水準上的相互作用，以驗證分子在結合時如何交換原子。 “通過建模和實驗，我們將繼續反覆運算，以確保我們了解這些分子是如何一起工作的。”