Pierwiastki ziem rzadkich są „tajnym sosem” wielu zaawansowanych materiałów do zastosowań energetycznych, transportowych, obronnych i komunikacyjnych.Największe zastosowanie czystej energii to magnesy trwałe, które zachowują właściwości magnetyczne nawet przy braku pola indukcyjnego lub prądu.

Ramesh Bhave z Oak Ridge National Laboratory wspólnie wynalazł proces odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich o wysokiej czystości ze złomowanych magnesów dysków twardych komputerów (pokazanych tutaj) i innych odpadów poużytkowych.Źródło: Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, Departament Energii Stanów Zjednoczonych

Teraz naukowcy z Departamentu Energii USA wynaleźli proces ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich ze złomowanych magnesówużywane dyski twardei inne źródła.Oni mająpatentowanyi rozwinął proces w demonstracjach laboratoryjnych i współpracuje z licencjobiorcą ORNLMomentum Technologies z Dallasdalsze skalowanie procesu w celu wytworzenia komercyjnych partii tlenków metali ziem rzadkich.

„Opracowaliśmy energooszczędny, opłacalny, przyjazny dla środowiska proces odzyskiwania materiałów krytycznych o wysokiej wartości”, powiedział współtwórca, Ramesh Bhave z Oak Ridge National Laboratory w DOE, który kieruje zespołem ds. technologii membranowych w dziale nauk chemicznych ORNL.„To ulepszenie w stosunku do tradycyjnych procesów, które wymagają obiektów o dużej powierzchni, wysokich kosztach kapitałowych i operacyjnych oraz dużej ilości generowanych odpadów”.

Magnesy trwałe pomagają dyskom twardym komputerów odczytywać i zapisywać dane, napędzać silniki napędzające samochody hybrydowe i elektryczne, łączyć turbiny wiatrowe z generatorami w celu wytwarzania energii elektrycznej oraz wspomagać smartfony w przekształcaniu sygnałów elektrycznych na dźwięk.

Dzięki opatentowanemu procesowi magnesy są rozpuszczane w kwasie azotowym, a roztwór jest w sposób ciągły podawany przez moduł podtrzymujący membrany polimerowe.Membrany zawierają porowate, puste w środku włókna z ekstrahentem, który służy jako rodzaj chemicznego „policjanta ruchu”;tworzy selektywną barierę i przepuszcza tylko pierwiastki ziem rzadkich.Zebrany po drugiej stronie roztwór bogaty w pierwiastki ziem rzadkich jest dalej przetwarzany w celu uzyskania tlenków pierwiastków ziem rzadkich o czystości przekraczającej 99,5%.

To niezwykłe, biorąc pod uwagę, że zazwyczaj 70% magnesu trwałego to żelazo, które nie jest pierwiastkiem ziem rzadkich.„Zasadniczo jesteśmy w stanie całkowicie wyeliminować żelazo i odzyskać tylko pierwiastki ziem rzadkich” – powiedział Bhave.Ekstrakcja pożądanych pierwiastków bez współwydobycia niepożądanych oznacza mniej odpadów, które będą wymagały dalszej obróbki i utylizacji.

Zwolennikami tej pracy są DOE'sInstytut Materiałów Krytycznych, lub CMI, dla badań nad rozdziałami i Biuro Przemian Technologii DOE, lub OTT, dla zwiększenia skali procesu.ORNL jest członkiem zespołu założycielskiego CMI, Centrum Innowacji Energetycznych DOE kierowanego przez Laboratorium Amesa DOE i zarządzanego przez Biuro Zaawansowanej Produkcji.„Wydobycie” przez Bhave kwaśnego roztworu za pomocą selektywnych membran łączy inne obiecujące technologie CMI do odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich, w tymprosty proces, który miażdży i traktuje magnesyorazbezkwasowa alternatywa.

Przemysł jest uzależniony od krytycznych materiałów, a społeczność naukowa opracowuje procesy ich recyklingu.Jednak żaden skomercjalizowany proces nie przetwarza czystych pierwiastków ziem rzadkich z magnesów na odpady elektroniczne.To ogromna stracona szansa, biorąc pod uwagę, że w 2019 roku na całym świecie ma pojawić się 2,2 miliarda komputerów osobistych, tabletów i telefonów komórkowych.według Gartnera.„Wszystkie te urządzenia mają w sobie magnesy ziem rzadkich” — zauważył Bhave.

Projekt Bhave, który rozpoczął się w 2013 roku, jest dziełem zespołowym.John Klaehn i Eric Peterson z Idaho National Laboratory DOE współpracowali we wczesnej fazie badań skoncentrowanych na chemii, a Ananth Iyer, profesor na Purdue University, ocenił później techniczną i ekonomiczną wykonalność zwiększenia skali.W ORNL byli stypendyści podoktorancki Daejin Kim i Vishwanath Deshmane badali odpowiednio rozwój procesu separacji i zwiększanie skali.Obecny zespół ORNL Bhave, w skład którego wchodzą Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell i Priyesh Wagh, koncentruje się na zwiększaniu skali procesu i współpracy z partnerami branżowymi, którzy będą komercjalizować technologię.

Aby zapewnić odzyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich z szerokiego spektrum surowców, naukowcy poddali procesowi magnesy o różnym składzie — pochodzące ze źródeł, w tym dysków twardych, maszyn do rezonansu magnetycznego, telefonów komórkowych i samochodów hybrydowych.

Większość pierwiastków ziem rzadkich to lantanowce, pierwiastki o liczbie atomowej od 57 do 71 w układzie okresowym.„Ogromne doświadczenie ORNL w zakresie chemii lantanowców dało nam ogromny skok” – powiedział Bhave.„Zaczęliśmy przyglądać się chemii lantanowców i sposobom ich selektywnej ekstrakcji”.

W ciągu dwóch lat naukowcy dostosowali chemię błon, aby zoptymalizować odzyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich.Teraz ich proces odzyskuje ponad 97% pierwiastków ziem rzadkich.

Do tej pory projekt recyklingu Bhave zaowocował patentem i dwiema publikacjami (tutajoraztutaj) dokumentujące odzyskiwanie trzech pierwiastków ziem rzadkich – neodymu, prazeodymu i dysprozu – w postaci mieszaniny tlenków.

Druga faza separacji rozpoczęła się w lipcu 2018 roku od próby oddzielenia dysprozu od neodymu i prazeodymu.Mieszanka trzech tlenków kosztuje 50 dolarów za kilogram.Gdyby można było oddzielić dysproz z mieszanki, jego tlenek mógłby być sprzedawany pięć razy więcej.

Druga faza programu będzie również badać, czy podstawowy proces ORNL do oddzielania pierwiastków ziem rzadkich można opracować do oddzielania innych pożądanych pierwiastków z akumulatorów litowo-jonowych.„Oczekiwany wysoki wzrost pojazdów elektrycznych będzie wymagał ogromnej ilości litu i kobaltu” – powiedział Bhave.

Wysiłki przemysłowe potrzebne do wdrożenia procesu ORNL na rynek, finansowane przez dwa lata przez DOE Fundusz Komercjalizacji Technologii OTT, rozpoczęły się w lutym 2019 r.

Celem jest odzyskiwanie setek kilogramów tlenków metali ziem rzadkich każdego miesiąca oraz walidacja, weryfikacja i poświadczenie, że producenci mogą wykorzystać materiały pochodzące z recyklingu, aby stworzyć magnesy równoważne z tymi wykonanymi z materiałów pierwotnych.

Biuro Zaawansowanej Produkcji DOE, będące częścią Biura ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej, sfinansowało te badania za pośrednictwem CMI, która została powołana w celu dywersyfikacji dostaw, opracowywania substytutów, poprawy ponownego wykorzystania i recyklingu oraz prowadzenia przekrojowych badań materiałów krytycznych.ORNL wyznacza kierunek strategiczny dla tych obszarów od czasu rozpoczęcia CMI w 2013 roku. Obejmuje to zapewnienie liderów w obszarach tematycznych i projektów, które doprowadziły do ​​nowych innowacji w zakresie stopów aluminium i ceru oraz recyklingu magnesów.

Źródło:ORNL