树脂固载18元大环螯合剂实现稀土元素的高效选择性提取与分离

为解决稀土元素(REEs)化学性质相似导致的分离难题，康奈尔大学Justin J. Wilson团队开发了BZmacropa-XAD树脂，通过固载反向尺寸选择性大环螯合剂NH2 -BZmacropa，实现了轻稀土(La3+ -Nd3+ )在生物浸出液中的高效富集（提取率>80%）及La3+ /Lu3+ 二元体系分离纯度>99%，为绿色回收稀土提供了新策略。

　　

稀土元素（REEs）是现代科技不可或缺的“工业维生素”，从永磁体到光学器件都依赖其独特性质。然而，稀土家族成员因相似的+3价态和高配位数导致分离困难，传统液-液萃取需多级流程且使用易燃溶剂，而沉淀法又受限于配体复杂性和有机溶剂毒性。更严峻的是，全球可开采稀土储量仅能维持60-100年，从电子废弃物中回收稀土成为迫切需求，但现有技术难以兼顾选择性与环境友好性。

针对这一挑战，康奈尔大学Justin J. Wilson团队在《Communications Chemistry》发表研究，设计了一种新型BZmacropa-XAD树脂。该研究通过将反向尺寸选择性大环螯合剂NH₂
-BZmacropa共价固载于XAD-4树脂，结合pH电位滴定、X射线光电子能谱（XPS）和柱色谱技术，系统评估了树脂对16种稀土离子的吸附偏好性。关键发现包括：在pH 5条件下，树脂对轻稀土的吸附容量（La³⁺
达121.1 μmol/g）显著高于重稀土（Lu^{3+>仅41.2 μmol/g），且能从含Al3+
、Ca2+
等干扰离子的生物浸出液中优先富集稀土，经草酸盐沉淀后纯度提升至81.2 wt%。}

研究方法上，团队首先通过多步合成获得NH₂
-BZmacropa，经X射线单晶衍射证实其La³⁺
配合物保持11配位结构。随后将螯合剂通过硫脲键固定于硝化还原得到的NCS-XAD树脂（负载量182±13 μmol/g），利用ICP-MS/OES分析吸附动力学和柱分离效率，并采用0.1 M HCl实现树脂再生循环。

研究结果部分，“溶液热力学”数据显示BZmacropa对La³⁺
的稳定常数（log K_ML
=13.45）比Lu³⁺
高6.76个数量级，证实其反向尺寸选择特性。“柱分离实验”中，La³⁺
/Lu³⁺
混合液经树脂处理后，流出液Lu³⁺
纯度>99%，而两步酸洗可分别回收85% Lu³⁺
和91.9% La³⁺
。“生物浸出液应用”环节显示，树脂能从含15.7 mM Al³⁺
的复杂基质中选择性吸附89% Ce³⁺
，使稀土总摩尔分数从5.2%提升至23.3%。

结论指出，该树脂通过大环螯合剂的刚性苯并结构增强对轻稀土的选择性，其性能优于传统阳离子交换树脂和蛋白质修饰材料。尽管酸性条件下吸附容量受限，但该工作为开发固体吸附剂替代溶剂萃取提供了范式，未来可通过优化载体材料（如增加比表面积）进一步推动稀土回收的工业化应用。