HOUSTON, TX – Zeldzame aardelementen zijn moeilijk te verkrijgen en moeilijk te recyclen, maar een flits van intuïtie leidde wetenschappers van Rice University naar een mogelijke oplossing.

Het Rice Laboratory van de chemicus James Tour doet er verslag van is succesvol geëxtraheerd waardevolle zeldzame aardelementen (REE) uit afval met een opbrengst die hoog genoeg is om problemen voor producenten op te lossen en tegelijkertijd hun winst te vergroten.

Het Joule-flashlab-verwarmingsproces, dat enkele jaren geleden werd geïntroduceerd om grafeen te produceren uit vaste koolstofbronnen, is nu toegepast op drie bronnen van zeldzame aardelementen – steenkoolvliegas, bauxietresidu en e-waste – om zeldzame aardmetalen terug te winnen, die hebben de volgende eigenschappen: Magnetisch en elektronica zijn essentieel voor moderne elektronica en groene technologie.

De onderzoekers zeggen dat hun proces milieuvriendelijker is door veel minder energie te gebruiken en de zuurstroom die vaak wordt gebruikt om elementen terug te winnen in druppeltjes.

De studie verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang.

Zeldzame aardelementen zijn eigenlijk niet zeldzaam. Een ervan, cerium, is overvloediger dan koper, en ze zijn allemaal overvloediger dan goud. Maar deze 15 lanthanide-elementen, samen met yttrium en scandium, zijn wijdverbreid en moeilijk te extraheren uit mineralen.

“Vroeger ontgonnen de VS zeldzame aardmetalen, maar je krijgt ook veel radioactieve elementen”, zei Tour. “Je mag het water niet opnieuw injecteren en het moet worden afgevoerd, wat duur en problematisch is. Op de dag dat de VS alle mijnbouw van zeldzame aarden afschafte, verhoogden buitenlandse bronnen de prijs vertienvoudigd.”

Er is dus veel reden om te recyclen wat al is gewonnen, zei hij. Veel ervan is opgestapeld of begraven in vliegas, een bijproduct van kolengestookte elektriciteitscentrales. ‘We hebben die bergen,’ zei hij. “Het residu van de verbranding van steenkool zijn silicium-, aluminium-, ijzer- en calciumoxiden die een glas vormen rond de elementen, waardoor ze erg moeilijk te extraheren zijn.” Bauxietresidu, ook wel rode modder genoemd, is een giftig bijproduct van de aluminiumproductie, terwijl e-waste afkomstig is van verouderde apparaten zoals computers en smartphones.

Terwijl industriële extractie van dit afval doorgaans gepaard gaat met wassen met sterke zuren, een tijdrovend en milieuonvriendelijk proces, verwarmt Rice’s laboratorium vliegas en andere materialen (gecombineerd met roet om de geleidbaarheid te verhogen) tot ongeveer 3.000 graden Celsius (5.432 graden Fahrenheit). ) in één seconde. Dit proces zet het afval om in goed oplosbare “geactiveerde REE-soorten”.

Tour zegt dat het behandelen van vliegas met Joule-flitsverwarming “het glas breekt dat deze elementen omhult en REE-fosfaat omzet in meer oplosbare metaaloxiden.” Het industriële proces gebruikt een 15-molaire concentratie salpeterzuur om het materiaal te extraheren; Het rijstproces gebruikt een veel lichtere concentratie van 0,1 molair zoutzuur, wat nog steeds meer product oplevert.

In een experiment onder leiding van postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur Bing Deng, ontdekten de onderzoekers dat een Joule flash-heating vliegas (CFA) de opbrengst van de meeste zeldzame aardelementen meer dan verdubbelde met behulp van een zeer mild zuur in vergelijking met uitloging van onbehandeld CFA in zuur. .

“De strategie is gemeenschappelijk voor verschillende soorten afval”, zegt Bing. “We hebben bewezen dat de REE-recuperatie werd verbeterd uit kolenvliegas, bauxietresidu en e-waste met hetzelfde activeringsproces.”

Het algemene proces maakt het veelbelovend, zei Bing, omdat er ook jaarlijks miljoenen tonnen bauxietresidu en e-waste worden geproduceerd.

“Het ministerie van Energie heeft vastgesteld dat dit een kritieke behoefte is die moet worden aangepakt”, zei Tour. “Ons proces vertelt het land dat we niet langer afhankelijk zijn van milieubelastende mijnbouw of buitenlandse bronnen voor zeldzame aardelementen.”

De Lab Tour introduceerde Joule-flitsverwarming in 2020 om steenkool, petroleumcokes en afval om te zetten in grafeen, een één atoom dikke vorm van koolstof, een proces dat nu wordt gecommercialiseerd. Het laboratorium heeft processen aangepast om plastic afval om te zetten in grafeen en edelmetalen te extraheren uit elektronisch afval.

De co-auteurs van de studie zijn afgestudeerde studenten Xin Wang en Zhe Wang, alumnus Duy Xuan Luong, geleerde Robert Carter en Mason Tomson, een professor in civiele en milieutechniek. Tour is de Chao TT- en WF-leerstoel in de chemie en hoogleraar informatica en materiaalkunde en nano-engineering.

– Dit persbericht is oorspronkelijk gepubliceerd op Website van Rice University