Een nieuwe methode verbetert de extractie en scheiding van zeldzame aardelementen - een groep van 17 elementen die cruciaal zijn voor technologieën zoals smartphones en batterijen van elektrische auto's - uit onconventionele bronnen. Nieuw onderzoek onder leiding van wetenschappers van Penn State en het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) laat zien hoe een uit bacteriën geïsoleerd eiwit een milieuvriendelijkere manier kan bieden om deze metalen te extraheren en ze van andere metalen en van elkaar te scheiden. De methode kan uiteindelijk worden opgeschaald om te helpen bij de ontwikkeling van een binnenlandse voorraad zeldzame aardmetalen uit industrieel afval en elektronica die moet worden gerecycled.

"Om te voldoen aan de toenemende vraag naar zeldzame aardelementen voor gebruik in opkomende technologieën voor schone energie, we moeten verschillende uitdagingen in de toeleveringsketen aanpakken, " zei Joseph Cotruvo Jr., assistent-professor en Louis Martarano Professor in loopbaanontwikkeling in de chemie aan Penn State, een lid van Penn State's Center for Critical Minerals, en co-corresponderende auteurs van de studie. "Dit omvat het verbeteren van de efficiëntie en het verlichten van de milieubelasting van de extractie- en scheidingsprocessen voor deze metalen. In deze studie, we demonstreren een veelbelovende nieuwe methode met behulp van een natuurlijk eiwit dat kan worden opgeschaald om zeldzame aardelementen uit laagwaardige bronnen te extraheren en te scheiden, inclusief industrieel afval."

Omdat de VS momenteel de meeste zeldzame aardelementen importeert die het nodig heeft, een nieuwe focus is gelegd op het opzetten van een binnenlands aanbod uit onconventionele bronnen, inclusief industrieel afval van de verbranding van kolen en mijnbouw van andere metalen, evenals elektronisch afval van mobiele telefoons en vele andere materialen. Deze bronnen zijn enorm, maar worden beschouwd als "laagwaardige, " omdat de zeldzame aarden worden gemengd met veel andere metalen en de hoeveelheid zeldzame aarden die aanwezig is te laag is om traditionele processen goed te laten werken. huidige methoden voor extractie en scheiding zijn gebaseerd op agressieve chemicaliën, zijn arbeidsintensief, soms honderden stappen, produceren een grote hoeveelheid afval, en zijn hoge kosten.

De nieuwe methode maakt gebruik van een bacterieel eiwit genaamd lanmoduline, eerder ontdekt door het onderzoeksteam, dat bindt zich bijna een miljard keer beter aan zeldzame aardelementen dan aan andere metalen. Een paper waarin het proces wordt beschreven, verschijnt online op 8 oktober in het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap.

Het eiwit wordt eerst geïmmobiliseerd op kleine bolletjes in een kolom - een verticale buis die vaak wordt gebruikt in industriële processen - waaraan het vloeibare bronmateriaal wordt toegevoegd. Het eiwit bindt zich vervolgens aan de zeldzame aardelementen in het monster, waardoor alleen de zeldzame aardmetalen in de kolom kunnen worden vastgehouden en de resterende vloeistof kan worden afgevoerd. Vervolgens, door de voorwaarden te wijzigen, bijvoorbeeld door de zuurgraad te wijzigen of extra ingrediënten toe te voegen, de metalen binden zich los van het eiwit en kunnen worden afgevoerd en opgevangen. Door de omstandigheden zorgvuldig in volgorde te veranderen, afzonderlijke zeldzame aardelementen kunnen worden gescheiden.

"We hebben eerst aangetoond dat de methode uitzonderlijk goed is in het scheiden van de zeldzame aardelementen van andere metalen, wat essentieel is bij het omgaan met laagwaardige bronnen die om te beginnen een mengelmoes van metalen zijn, "zei Cotruvo. "Zelfs in een zeer complexe oplossing waarbij minder dan 0,1% van de metalen zeldzame aardmetalen zijn - een buitengewoon lage hoeveelheid - hebben we met succes een groep lichtere zeldzame aarden geëxtraheerd en vervolgens gescheiden van een groep zwaardere zeldzame aarden in een stap. Deze scheiding is een essentiële vereenvoudigende stap omdat de zeldzame aarden moeten worden gescheiden in afzonderlijke elementen om in technologieën te worden opgenomen."

Het onderzoeksteam scheidde yttrium (Y) van neodymium (Nd) - beide overvloedig aanwezig in primaire zeldzame aardafzettingen en steenkoolbijproducten - met een zuiverheid van meer dan 99%. Ze scheidden ook neodymium van dysprosium (Dy) - een cruciale koppeling die veel voorkomt in elektronisch afval - met een zuiverheid van meer dan 99,9% in slechts één of twee cycli, afhankelijk van de oorspronkelijke metaalsamenstelling.

"De hoge zuiverheid van het teruggewonnen neodymium en dysprosium is vergelijkbaar met andere scheidingsmethoden en werd bereikt in evenveel of minder stappen zonder gebruik te maken van agressieve organische oplosmiddelen, " zei Ziye Dong, een postdoctoraal onderzoeker bij LLNL en eerste auteur van de studie. "Omdat het eiwit voor vele cycli kan worden gebruikt, het biedt een aantrekkelijk milieuvriendelijk alternatief voor de huidige methoden."

De onderzoekers denken niet dat hun methode noodzakelijkerwijs het huidige vloeistof-vloeistofextractieproces zal verdringen dat gewoonlijk wordt gebruikt voor de productie in grote hoeveelheden van lichtere zeldzame aardelementen uit hoogwaardige bronnen. In plaats daarvan, het zal een efficiënt gebruik van laagwaardige bronnen mogelijk maken en vooral voor de winning en scheiding van de zeldzamere en in het algemeen veel waardevollere zware zeldzame aardmetalen.

"Andere recente methoden zijn in staat zeldzame aardelementen te extraheren uit laagwaardige bronnen, maar ze stoppen meestal bij een 'totaal' product dat alle zeldzame aarden op één hoop heeft gegooid, die relatief weinig waarde heeft en vervolgens moet worden doorgesluisd naar meer conventionele schema's voor verdere zuivering van individuele zeldzame aardelementen, " zei Dan Park, stafwetenschapper bij LLNL en co-corresponderende auteur van de studie. "De waarde zit echt in de productie van individuele zeldzame aardmetalen en vooral de zwaardere elementen."

"Ons proces is bijzonder handig omdat deze hoogwaardige metalen eerst van de kolom kunnen worden gezuiverd, ", voegde Cotruvo eraan toe.

De onderzoekers zijn van plan de methode te optimaliseren, zodat er minder cycli nodig zijn om de meest zuivere producten te verkrijgen en deze kan worden opgeschaald voor industrieel gebruik.

"Als we derivaten van het lanmoduline-eiwit kunnen ontwikkelen met een grotere selectiviteit voor specifieke elementen, we zouden alle 17 zeldzame aardelementen kunnen herstellen en scheiden in een relatief klein aantal stappen, zelfs van de meest complexe mengsels, en zonder organische oplosmiddelen of giftige chemicaliën, wat erg zou zijn, "zei Cotruvo. "Ons werk toont aan dat dit doel haalbaar moet zijn."