Het is niet ongebruikelijk in de wetenschappelijke wereld dat een proces veel unieke toepassingen heeft. Onderzoekers van het Idaho National Laboratory hebben bijvoorbeeld een waterbehandelingstechnologie gebruikt en deze aangepast voor een andere voor het milieu belangrijke functie:het selectief scheiden van zeldzame aardelementen en overgangsmetalen. Dit chemische proces, onlangs beschreven in een Nature Communications artikel, vermindert aanzienlijk zowel het energie- als het productverbruik dat gepaard gaat met het terugwinnen van zeldzame aardelementen.

Zeldzame aardmetalen zijn een verzameling chemisch vergelijkbare metalen elementen die in de natuur in lage concentraties voorkomen en moeilijk van elkaar te scheiden zijn. Ze zijn waardevol voor hun gebruik in motoren van elektrische auto's, harde schijven van computers en windturbines. Overgangsmetalen zijn een klasse metalen die uitstekende geleiders van warmte en elektriciteit zijn, vaak met hoge smeltpunten en unieke structurele eigenschappen, waardoor ze essentieel zijn voor de productie van gewone legeringen zoals staal en koper, evenals kathoden voor lithium-ionbatterijen.

Momenteel worden de meeste componenten die deze metalen bevatten gewoon weggegooid. De nieuwe methode van INL om deze waardevolle metalen te extraheren, omvat dimethylether, een gasvormige verbinding die als een van de eerste commerciële koelmiddelen diende. Het stimuleert fractionele kristallisatie - een proces dat chemische stoffen verdeelt op basis van hun oplosbaarheid - om zeldzame aardelementen en overgangsmetalen te scheiden van magneetafval.

"Dit proces begint met een magneet die niet langer bruikbaar is, die wordt gesneden en vermalen tot spaanders", zegt Caleb Stetson, de experimentele leider van het project. "De magneetspaanders worden vervolgens in een oplossing gebracht met lixivants, een vloeistof die wordt gebruikt om selectief metalen uit het materiaal te extraheren. Zodra de gewenste metalen uit het materiaal in de vloeistof zijn uitgeloogd, kunnen we een behandelingsproces toepassen."

Het door dimethylether aangedreven proces gebruikt veel minder energie en druk dan traditionele methoden, die doorgaans worden uitgevoerd bij honderden graden Celsius. Fractionele kristallisatie kan worden uitgevoerd bij omgevingstemperaturen en vereist slechts licht verhoogde drukken van ongeveer vijf atmosfeer. Ter vergelijking:de druk in een ongeopend blikje frisdrank van 12 ounce is 3,5 atmosfeer. De lagere energie- en drukbehoeften besparen ook geld.

Concurrerende technologieën gebruiken ook toegevoegde chemische "reagentia" om neerslag en andere scheidingen aan te sturen, die onvermijdelijk extra afvalproducten worden met financiële en ecologische gevolgen. Dit is niet het geval bij fractionele kristallisatie op basis van dimethylether.

Aaron Wilson, de hoofdonderzoeker van het project, koos voor dimethylether vanwege het gemak waarmee het kan worden teruggewonnen, waardoor een tekortkoming van eerdere pogingen om oplosmiddelen te gebruiken om kritische materiaalscheidingen te bewerkstelligen, werd overwonnen. Door de druk te verlagen en het gas aan het einde van het experiment opnieuw te comprimeren, kan het team het oplosmiddel terugwinnen en hergebruiken in toekomstige cycli.

Het proces heeft ook andere voordelen. "Het kan moeilijk zijn om de temperatuur aan te passen voor verdampingskristallisatie, maar dit fractionele kristallisatieproces elimineert al die uitdagingen," zei Stetson. "Voor het proces om verschillende fracties te scheiden van een metaalhoudende oplossing, hoeven we de temperatuur slechts 10 graden aan te passen."

Bij de ontwikkeling van dit op oplosmiddelen gebaseerde proces voor afvalvrije metaalterugwinning, werkte het team nauw samen met enkele van de elektrochemische terugwinningsprocessen voor zeldzame aardmetalen die al bij INL bestaan. Dit omvat de E-RECOV-inspanning, die een elektrochemische cel gebruikt om metalen efficiënt terug te winnen uit afgedankte elektronica. Het verminderen van de energie-intensiteit en het afvalprofiel van de terugwinning van kritieke materialen heeft ook belangrijke implicaties voor milieurechtvaardigheid. In de afgelopen decennia is primaire winning, zoals mijnbouw en het vergroten van de economische waarde van het product door strategische ertswinning, mijnbouw en verrijking) verschoven naar onderontwikkelde landen zoals Congo, terwijl energie-intensieve stroomafwaartse verwerking naar Azië is verplaatst. Veel van deze offshoring is ingegeven door publieke afkeer van "vuile" winningsprocessen van mineralen die plaatsvinden in hun achtertuin. Het creëren van een schonere methode zal het terugwinnen van kritieke materialen in binnen- en buitenland vergemakkelijken zonder achtergestelde gemeenschappen bloot te stellen aan gevaarlijke omstandigheden.

Daarnaast werken Wilson en zijn onderzoeksteam om afval in verband met de productie van synthetisch gips aan te pakken via een project voor de National Alliance for Water Innovation. Synthetisch gips, de bron van bijna 30% van de droge muur in de VS, wordt geproduceerd bij het wassen van zwaveloxiden uit rookgas om zure regen te voorkomen. Hun team isoleert het afval van het productieproces met behulp van dimethylether. Deze behandeling heeft het potentieel om nog meer producten te creëren van wat oorspronkelijk slechts een milieuprobleem was.

Het herstel van zeldzame aardelementen en overgangsmetalen "zou niet mogelijk zijn geweest zonder de samenwerking van INL binnen het Critical Materials Institute van het Ames National Laboratory", zei Stetson. "Dit heeft ons toegang gegeven tot materialen uit de echte wereld en om uitgebreid onderzoek op laboratoriumschaal uit te voeren." + Verder verkennen

Nieuw zuurvrij magneetrecyclingproces