Nieuwe efficiënte en goedkope technologieën die aan de Purdue University worden ontwikkeld, kunnen de winning van zeldzame aardelementen mogelijk maken, kritische componenten van veel elektronica en groene producten, uit afvalkoolas.

Deze innovatie zou de VS in staat kunnen stellen de markt voor de productie van zeldzame aardelementen ter waarde van $ 4 miljard te betreden en tegelijkertijd steenkoolas op een milieuvriendelijke manier te recyclen. De waarde van de producten die zeldzame aardmetalen nodig hebben, wordt geschat op meer dan $ 4 biljoen per jaar. Zeldzame aardelementen (REE) bestaan ​​grotendeels uit lanthaniden (Lns), een reeks van 15 metalen elementen.

"REE's hebben veel belangrijke toepassingen in zaken als permanente magneten in stroomopwekking en elektrische auto's, batterijen, katalysatoren voor aardolieraffinage, fosforen in kleurentelevisies, en veel elektronica, waaronder mobiele telefoons. De vraag naar REE's zal naar verwachting de komende decennia dramatisch groeien, " zei Linda Wang, uitvinder van de technologie en Purdue's Maxine Spencer Nichols Professor of Chemical Engineering.

"REE's die in de VS worden gebruikt, worden voornamelijk geïmporteerd uit China, die meer dan 90 procent van het aanbod controleert, met grote gevolgen voor de Amerikaanse economie en de nationale veiligheid.

"Bijvoorbeeld, nadat China de exportquota in 2010 had verlaagd, de kosten van zeldzame-aardmagneten voor één windturbine zijn gestegen van $ 80, 000 tot $500, 000. Nadat China 18 maanden later de exportbeperkingen had versoepeld, de prijzen daalden naar een lager niveau dan in 2010, "zei ze. "Het is zeer wenselijk om de capaciteit te ontwikkelen om REE's in de VS te produceren en onafhankelijk te worden van buitenlandse leveranciers."

Het scheiden van zeldzame aardelementen is buitengewoon moeilijk omdat de elementen dezelfde ionische lading hebben en qua grootte vergelijkbaar zijn. zei Wang.

"Zeldzame aardelementen komen in zeer kleine concentraties voor in ertsen, een paar duizend delen per miljoen. Uitgebreide processen van mijnbouw, slijpen, extractie, en zuivering zijn nodig om de ertsen om te zetten in zeldzame aardmetalen met een zeer hoge zuiverheid (minimaal ongeveer 99,9 procent) die nodig zijn voor commerciële toepassingen, "zei ze. "Typisch, Voor scheiding en zuivering wordt gebruik gemaakt van oude technieken uit de jaren 50. Ze hebben meestal 1 800 verschillende extractietrappen in serie en parallel voor zuivering. Dergelijke processen kunnen gevaarlijk zijn, duur en inefficiënt." Wang zei dat conventionele scheidingsmethoden ook ernstige gevolgen hebben voor het milieu.

"De huidige scheidingstechnologieën produceren grote hoeveelheden chemisch afval, die economisch niet kunnen worden gerecycled, "zei ze. "Een van de 10 meest vervuilde locaties ter wereld is een door mensen gemaakt meer in China, waar de afvalstromen van REE-extracties worden opgeslagen."

Wang heeft nieuwe chromatografische scheidingstechnieken ontwikkeld die zeldzame aardelementen eerst van andere onzuiverheden en vervolgens van elkaar kunnen scheiden door slechts een paar chromatografie-eenheden te gebruiken. De processen omvatten ligand-geassisteerde elutie- of verdringingschromatografiemethoden met behulp van robuuste, goedkoop, anorganische sorptiemiddelen titania of polymere sorptiemiddelen. Liganden in de mobiele fasen

"Deze nieuwe processen kunnen REE's effectief scheiden met zuiverheden en opbrengsten van meer dan 95 procent, Wang zei. "Het gebruik van titania-sorptiemiddelen is wat deze innovatie uniek maakt. Ze zijn robuust en goedkoop, waardoor de processen efficiënt en betaalbaar worden. Wij zijn de eerste groep ter wereld die deze technologie hebben ontwikkeld. Aanvullend, de bijproducten van ons proces zijn silicagel, aluminiumoxide, en andere metaaloxiden van handelswaarde, waardoor het totale proces winstgevend en economisch is."

Wang zei dat de VS 1,5 miljard ton steenkoolas heeft verzameld, die tientallen jaren kunnen worden gebruikt om REE's te produceren.

"Koolas is rijk aan zeldzame aardelementen, zo rijk als sommige van de ertsafzettingen. De Verenigde Staten produceren elk jaar ongeveer 129 miljoen ton steenkoolas. Minder dan de helft ervan wordt gerecycled tot producten met een lage waarde, "zei ze. "In een voorbeeld, een opslagdijk voor kolenas brak en de as vervuilde nabijgelegen rivieren. Het kostte zeven jaar en $ 1,1 miljard om op te ruimen."

Wang zegt dat de nieuwe technologie manieren kan bieden om kolenas te gebruiken die niet alleen voldoen aan de behoeften van REE in de VS, maar is gunstig voor het milieu en kan hoogtechnologische banen creëren.

"We hebben de haalbaarheid van deze technologie op laboratoriumschaal aangetoond en denken dat het een veel eenvoudiger, efficiënter, en lagere kapitaalkostenoptie voor REE-productie, " zei Wang. "We kunnen het proces voor productie ontwerpen en opschalen; er is nog werk aan de winkel om deze nieuwe technologieën op grotere schaal te demonstreren. We hebben succes gehad met veel uitdagende chromatografische scheidingen, inclusief de zuivering van medische isotopen, suikers, aminozuren, chirale medicijnen, insuline, polymeren, en vele anderen. Dus, we zijn ervan overtuigd dat we REE's met een hoge zuiverheid uit steenkoolas kunnen produceren."