Fortschrittliche Chelatoren bieten effiziente und umweltfreundliche Rückgewinnung von Seltenen Erden
Neue Methode ist um eine Größenordnung effizienter als der Industriestandard
Nach Ansicht des Chemieprofessors Justin Wilson von der UC Santa Barbara wird die Welt in den kommenden Jahren eine Menge seltsamer Metalle benötigen. Aber er spricht nicht von Lithium, Kobalt oder gar Beryllium. Wilson interessiert sich für Dysprosium, das im Periodensystem so versteckt ist, dass man meinen könnte, er hätte es erfunden.
Seltene Erden (REEs) wie Dysprosium haben viele Nischenanwendungen in der modernen Elektronik. So sehr, dass sie vom US-Energieministerium als "kritische Mineralien" eingestuft werden. Und obwohl sie nicht ganz so selten sind wie Edelmetalle wie Platin oder Gold, sind sie aus natürlichen Vorkommen nur schwer zu gewinnen. Außerdem weisen sie extrem ähnliche chemische Eigenschaften auf, so dass es schwierig ist, sie voneinander zu isolieren.
Ein Team unter der Leitung von Wilson und dem Postdoktoranden Yangyang Gao hat nun eine Technik entwickelt, mit der bestimmte REEs bei Raumtemperatur gereinigt werden können, ohne die giftigen und ätzenden Verbindungen zu verwenden, die derzeit für diese Aufgabe eingesetzt werden. Die Ergebnisse versprechen einen sichereren und effektiveren Weg zur Aufbereitung dieser Metalle aus dem Bergbau und zur Rückgewinnung aus Elektronikschrott.
Nützliche Elemente aus dem Blickfeld der Öffentlichkeit
Zu den Seltenen Erden gehören Scandium, Yttrium und die Lanthanoide - die erste der beiden Reihen, die die Verleger aus dem Periodensystem herausschneiden, damit es auf eine einzige Seite passt. Die Lanthaniden (und die Actiniden darunter) befinden sich direkt rechts neben der zweiten Spalte. Sie kennen das REE Neodym vielleicht als das Metall, aus dem wahnsinnig starke Magnete hergestellt werden. Wilson interessiert sich auch für Neodym.
Diese Elemente haben viele gemeinsame chemische Eigenschaften, die es schwierig machen, sie voneinander zu trennen. Sie alle bilden Ionen mit einer Ladung von +3 und gehen bevorzugt Bindungen mit Nichtmetallen in der zweiten Reihe des Periodensystems ein (wie Sauerstoff und Stickstoff). Glücklicherweise unterscheiden sie sich geringfügig in ihrem Ionenradius, also ihrer Größe. Ihre Größe ist jedoch immer noch recht ähnlich, da sich der Radius innerhalb der Reihe nur um 16 % ändert.
Trotz ihrer ähnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften haben die REEs ihre eigenen Merkmale. Die Unterschiede in der Anzahl und Anordnung der Valenzelektronen verleihen jedem dieser Elemente unterschiedliche magnetische und optische Eigenschaften. Nur wenn wir sie in reinen Proben isolieren, können wir uns diese einzigartigen Eigenschaften zunutze machen.
Abstimmung der Technik
Der derzeitige Industriestandard für die Trennung von REEs voneinander ist die so genannte Flüssig-Flüssig-Extraktion, bei der ein organisches Lösungsmittel (wie Kerosin oder Benzol) und ein Lösungsmittel auf Wasserbasis kombiniert werden. "An diesem Punkt ist es wie bei einer Salatsoße: Man hat zwei Phasen, die sich nicht vermischen", so Wilson. Daher fügen die Chemiker dem organischen Lösungsmittel Moleküle, so genannte Chelatoren, hinzu, die an die REEs binden sollen.
Der Schlüssel liegt darin, dass diese Chelatoren eine leichte Vorliebe für kleinere Atome haben, was es ihnen ermöglicht, eine Art von Seltenen Erden aufgrund ihrer Größe von einer anderen zu trennen. Dennoch ist das Verfahren ziemlich ineffizient: nur ein paar Prozent Anreicherung für jeden Extraktionszyklus. Um eine ausreichend reine Probe eines bestimmten Elements für die industrielle Nutzung zu erhalten, sind viele Flüssig-Flüssig-Extraktionszyklen erforderlich, bei denen eine Menge chemischer Abfall anfällt.
Wilson und seine Co-Autoren von der Cornell University und der University of Nevada, Reno, entwickelten optimierte Chelatoren und ein Verfahren, das ohne organische Lösungsmittel auskommt. Dadurch entfallen die oft brennbaren, krebserregenden und giftigen Substanzen.
Die Autoren testeten ihre Methode in einer Lösung von Dysprosium (Dy) und Neodym (Nd). Sie verwendeten einen speziellen Chelator namens G-Macropa, um die größeren Nd-Atome zu binden, und fügten dann Natriumbicarbonat (auch bekannt als Backpulver) hinzu, um das kleinere Dy als Carbonatsalz auszufällen. Dieses kann einfach herausgefiltert und verarbeitet werden, um das reine Metall zu gewinnen. Durch Verringerung des Säuregehalts der verbleibenden Lösung konnten sie das Nd vom Chelator trennen, der dann wiederverwendet werden kann.
Mit einem einzigen Zyklus dieses neuen Verfahrens kann Dysprosium um einen Faktor von über 800 konzentriert werden, verglichen mit weniger als 10 bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion.
"Ich war sehr überrascht, als mein Postdoc Yangyang mir die Daten der Elementaranalyse zeigte", so Wilson. Nachdem das Team den Test wiederholt hatte, um die Ergebnisse zu bestätigen, erkannte es, wie gut sein Chelator für diesen Trennungsprozess abgestimmt war.
Durch die Zusammenarbeit mit David Cantu, Professor an der UN Reno, konnten sie die Wirksamkeit von G-Macropa im Vergleich zu anderen Chelatoren auf molekularer Ebene verstehen und vergleichen. Diese theoretischen Studien werden den Wissenschaftlern helfen, Analoga der zweiten Generation zu entwickeln.
Große Anwendungen und kleine Anpassungen
Diese Effizienz ist für die Skalierung des Prozesses wichtig, da der G-Macropa-Chelator komplexer und damit teurer ist als die üblicherweise verwendeten Chelatoren. Das Team erforscht auch Chelatoren, die in der Herstellung weniger teuer sein könnten.
Wilson und seine Mitautoren konzentrierten sich auf die Trennung von Nd und Dy, da beide Elemente in Elektroschrott, insbesondere in Neodym-Magneten, reichlich vorhanden sind. Sie führten ihre Experimente mit Elektroschrott durch, um dessen Potenzial hervorzuheben, das Recycling zu einer wirtschaftlich tragfähigen Quelle für REEs zu machen.
Sie arbeiten daran, diese Technik auf andere Zusammensetzungen von Seltenerdelementen zuzuschneiden und sicherzustellen, dass sie auch mit hohen Konzentrationen von Seltenerdelementen funktioniert, die industriellen Quellen ähnlicher sind.
Fortschritte bei der Trennung von Seltenen Erden könnten die Lieferkette für diese Metalle massiv beeinflussen. Die Vereinigten Staaten verfügen über große REE-Vorkommen, aber wichtige Umwelt- und Gesundheitsvorschriften haben die amerikanische Industrie daran gehindert, mit China zu konkurrieren, wo diese Sicherheitsvorkehrungen viel laxer sind.
"Eine sauberere und effizientere Abtrennung dieser Elemente könnte die heimische Versorgung mit Seltenen Erden ermöglichen", so Wilson. Dies wäre eine Win-Win-Situation für die nationale Sicherheit und die amerikanische Wirtschaft, da diese seltenen Metalle immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
"Chelator-Assisted Precipitation-Based Separation of the Rare Earth Elements Neodymium and Dysprosium from Aqueous Solutions"; Angewandte Chemie 2024.
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