Zeldzame aardelementen zijn de "geheime saus" van talrijke geavanceerde materialen voor energie, vervoer, defensie- en communicatietoepassingen. Hun grootste gebruik voor schone energie is in permanente magneten, die magnetische eigenschappen behouden, zelfs in de afwezigheid van een inducerend veld of stroom.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een proces uitgevonden om zeldzame aardelementen te extraheren uit de afgedankte magneten van gebruikte harde schijven en andere bronnen. Ze hebben het proces gepatenteerd en opgeschaald in laboratoriumdemonstraties en werken samen met ORNL's licentiehouder Momentum Technologies uit Dallas om het proces verder op te schalen om commerciële batches zeldzame aardoxiden te produceren.

"We hebben een energiezuinige, kostenefficiënt, milieuvriendelijk proces om hoogwaardige kritische materialen terug te winnen, " zei mede-uitvinder Ramesh Bhave van DOE's Oak Ridge National Laboratory, die het team membraantechnologieën leidt in ORNL's Chemical Sciences Division. "Het is een verbetering ten opzichte van traditionele processen, die faciliteiten vereisen met een grote footprint, hoge kapitaal- en bedrijfskosten en een grote hoeveelheid geproduceerd afval."

Permanente magneten helpen harde schijven van computers bij het lezen en schrijven van gegevens, aandrijfmotoren die hybride en elektrische auto's voortbewegen, koppel windturbines aan generatoren om elektriciteit te maken, en helpen smartphones elektrische signalen om te zetten in geluid.

Door het gepatenteerde proces, magneten worden opgelost in salpeterzuur, en de oplossing wordt continu door een module gevoerd die polymeermembranen ondersteunt. De membranen bevatten poreuze holle vezels met een extractiemiddel dat dient als een soort chemische "verkeersagent"; het creëert een selectieve barrière en laat alleen zeldzame aardelementen door. De zeldzame-aarde-rijke oplossing die aan de andere kant is verzameld, wordt verder verwerkt om zeldzame-aarde-oxiden op te leveren met een zuiverheid van meer dan 99,5%.

Dat is opmerkelijk gezien het feit dat typisch, 70% van een permanente magneet is ijzer, wat geen zeldzaam aarde-element is. "We zijn in wezen in staat om ijzer volledig te elimineren en alleen zeldzame aardmetalen terug te winnen, "Bhave zei. Door gewenste elementen te extraheren zonder ongewenste mee te extraheren, wordt er minder afval gecreëerd dat stroomafwaarts moet worden behandeld en verwijderd.

Aanhangers van het werk zijn onder meer DOE's Critical Materials Institute, of CMI, voor onderzoek naar scheidingen en DOE's Office of Technology Transitions, of OTT, voor procesopschaling. ORNL is een van de oprichters van het CMI, een DOE Energy Innovation Hub onder leiding van DOE's Ames Laboratory en beheerd door het Advanced Manufacturing Office. Bhave's "winning" van een zure oplossing met selectieve membranen voegt zich bij andere veelbelovende CMI-technologieën voor het terugwinnen van zeldzame aardmetalen, inclusief een eenvoudig proces dat magneten verplettert en behandelt en een zuurvrij alternatief.

De industrie is afhankelijk van kritische materialen, en de wetenschappelijke gemeenschap ontwikkelt processen om ze te recyclen. Echter, geen enkel commercieel proces recycleert pure zeldzame-aarde-elementen uit elektronisch afvalmagneten. Dat is een enorme gemiste kans gezien de 2,2 miljard pc's, tablets en mobiele telefoons zullen naar verwachting wereldwijd worden verzonden in 2019, volgens Gartner. "Al deze apparaten bevatten zeldzame-aardmagneten, " merkte ik op.

Bhaves project, die in 2013 begon is een teamprestatie. John Klaehn en Eric Peterson van DOE's Idaho National Laboratory werkten samen in een vroege fase van het onderzoek gericht op chemie, en Ananth Iyer, een professor aan de Purdue University, beoordeelde later de technische en economische haalbaarheid van opschaling. Bij ORNL, voormalig postdoctoraal fellows Daejin Kim en Vishwanath Deshmane bestudeerden de ontwikkeling en opschaling van scheidingsprocessen, respectievelijk. Bhave's huidige ORNL-team, bestaande uit Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell en Priyesh Wagh, richt zich op het opschalen van het proces en het werken met industriepartners die de technologie commercialiseren.

Om ervoor te zorgen dat zeldzame aardmetalen kunnen worden teruggewonnen in een breed spectrum van grondstoffen, onderzoekers onderwierpen magneten van verschillende samenstelling - van bronnen zoals harde schijven, magnetische resonantie weergavemachines, mobiele telefoons en hybride auto's - naar het proces.

De meeste zeldzame aardelementen zijn lanthaniden, elementen met atoomnummers tussen 57 en 71 in het periodiek systeem. "ORNL's enorme expertise op het gebied van lanthanidechemie gaf ons een enorme vliegende start, " Bhave zei. "We begonnen te kijken naar lanthanidechemie en manieren waarop lanthaniden selectief worden geëxtraheerd."

Ruim twee jaar, de onderzoekers hebben de membraanchemie op maat gemaakt om de winning van zeldzame aardmetalen te optimaliseren. Nutsvoorzieningen, hun proces herstelt meer dan 97% van de zeldzame aardelementen.

Tot op heden heeft Bhave's recyclingproject geresulteerd in een patent en twee publicaties (hier en hier) die de terugwinning van drie zeldzame aardelementen documenteren:neodymium, praseodymium en dysprosium - als een mengsel van oxiden.

De tweede fase van scheidingen begon in juli 2018 met een poging om dysprosium te scheiden van neodymium en praseodymium. Een mengsel van de drie oxiden wordt verkocht voor $ 50 per kilogram. Als dysprosium uit het mengsel zou kunnen worden gescheiden, zijn oxide zou voor vijf keer zoveel kunnen worden verkocht.

De tweede fase van het programma zal ook onderzoeken of ORNL's onderliggende proces voor het scheiden van zeldzame aardmetalen kan worden ontwikkeld voor het scheiden van andere veelgevraagde elementen uit lithium-ionbatterijen. "De verwachte sterke groei van elektrische voertuigen zal een enorme hoeveelheid lithium en kobalt vergen, ' zei Baf.

Industriële inspanningen nodig om het ORNL-proces op de markt te brengen, meer dan twee jaar gefinancierd door DOE's OTT Technology Commercialization Fund, begon in februari 2019.

Het doel is om elke maand honderden kilo's zeldzame aardoxiden terug te winnen en te valideren, verifiëren en certificeren dat fabrikanten de gerecyclede materialen kunnen gebruiken om magneten te maken die gelijkwaardig zijn aan die gemaakt met nieuwe materialen.