Een nieuwe studie beschrijft een nieuwe benadering voor het zuiveren van zeldzame aardmetalen, cruciale componenten van technologie die milieubelastende mijnbouwprocedures vereisen. Door te vertrouwen op de magnetische velden van het metaal tijdens het kristallisatieproces, onderzoekers waren in staat om efficiënt en selectief mengsels van zeldzame aardmetalen te scheiden.

Vijfenzeventig van de 118 elementen van het periodiek systeem worden elke dag in de zakken en portemonnees van meer dan 100 miljoen Amerikaanse iPhone-gebruikers gedragen. Sommige van deze elementen zijn overvloedig, zoals silicium in computerchips of aluminium voor behuizingen, maar bepaalde metalen die nodig zijn voor heldere weergaven en heldere geluiden zijn moeilijk te verkrijgen. Zeventien elementen die bekend staan ​​als zeldzame aardmetalen zijn cruciale componenten van veel technologieën, maar worden niet gevonden in geconcentreerde afzettingen, en, omdat ze meer verspreid zijn, vereisen giftige en milieubelastende procedures om te extraheren.

Met het doel om betere manieren te ontwikkelen om deze metalen te recyclen, nieuw onderzoek van het lab van Eric Schelter beschrijft een nieuwe aanpak voor het scheiden van mengsels van zeldzame aardmetalen met behulp van een magnetisch veld. De aanpak, gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie , zag een verdubbeling van de scheidingsprestaties en is een startpunt voor een schonere en meer circulaire economie van zeldzame aardmetalen.

De standaardbenadering voor het scheiden van mengsels van elementen is het uitvoeren van een chemische reactie die ervoor zorgt dat een van de elementen van fase verandert, zoals van vloeibaar naar vast gaan, waardoor elementen kunnen worden gescheiden met behulp van fysieke methoden zoals filtratie. Dit type benadering wordt gebruikt om zeldzame aardmetalen te scheiden; mengsels worden in een oplossing van een zuur geplaatst, en een organische verbinding en individuele metaalionen bewegen langzaam uit de zure fase en in de organische fase met variërende snelheden op basis van de chemische eigenschappen van het metaal.

Wat moeilijk is, is dat veel chemische eigenschappen, zoals oplosbaarheid of hoe ze reageren met andere elementen, zijn zeer vergelijkbaar tussen zeldzame aardmetalen. Door het ontbreken van een sterk chemisch verschil is het scheiden van zeldzame aardmetalen een tijdrovend en energieverslindend proces waarbij ook een aanzienlijke hoeveelheid zuur afval ontstaat. "Het werkt goed als je het 10, 000 keer, maar elke afzonderlijke stap is slecht efficiënt, ’ zegt Schelde.

Waar individuele zeldzame aardmetalen wel verschillen, is hun paramagnetisme, of hoe aangetrokken ze zijn tot magnetische velden. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het vinden van manieren om paramagnetisme te gebruiken om verschillende zeldzame aardelementen te isoleren, maar eerdere pogingen hadden geen manieren gevonden om paramagnetisme te koppelen aan een chemische reactie of faseverschuiving.

De belangrijkste ontdekking was dat het combineren van een magnetisch veld met een temperatuurdaling ervoor zorgde dat metaalionen met verschillende snelheden kristalliseren. Het kristalliseren van elementen door de temperatuur te verlagen is een veelgebruikte aanpak in het laboratorium, maar de omvang van de impact was onverwacht. "We gebruiken lagere temperaturen om veel van onze materialen te kristalliseren, " legt postdoctoraal onderzoeker Robert Higgins uit, die de studie leidde. "Het was een van de dingen die ik mogelijk zou kunnen gebruiken, maar realiseerde zich in het begin niet hoe belangrijk dat eigenlijk zou zijn."

Met behulp van deze aanpak, onderzoekers kunnen zware zeldzame aarden zoals terbium en ytterbium efficiënt en selectief scheiden van lichtere metalen zoals lanthaan en neodymium. Het meest opvallende resultaat was het nemen van een 50/50-mengsel van lanthaan en dysprosium en 99,7% dysprosium in één stap terugkrijgen - een "100% boost" vergeleken met dezelfde methode, maar zonder een magneet te gebruiken.

Omdat de chemische mechanismen van bestaande scheidingsbenaderingen niet goed worden begrepen, onderzoekers hopen dat hun systematische aanpak metaalscheidingstechnologieën van "magie" naar iets meer controleerbaars kan brengen, competitief, en kosteneffectief. "Als je rationeel manieren zou kunnen bedenken om de scheiding van metalen te verbeteren, dat zou een enorm voordeel zijn ", zegt Schelter. "Onze positie is om nichetoepassingen met betrekking tot chemische scheidingen aan te pakken met behulp van een benadering die kan worden toegepast op nieuwe scheidingssystemen als aanvulling op bestaande technologie."

Higgins is nu op zoek naar manieren om de efficiëntie van de reactie te verbeteren terwijl hij bestudeert hoe magnetische velden interageren met deze chemische oplossingen. Hij ziet dit onderzoek en andere fundamentele scheikundige bevindingen als een belangrijke eerste stap om de recycling van zeldzame aardmetalen efficiënter en duurzamer te maken. "Hoe sneller we nieuwe manieren kunnen vinden om scheidingen efficiënter uit te voeren, hoe sneller we enkele van de geopolitieke en klimaatproblemen kunnen verbeteren die verband houden met de winning en recycling van zeldzame aardmetalen, ' zegt Higgins.