Two zone ligand-assisted displacement chromato­graphy biedt een milieuvriendelijk alternatief voor het (terug)winnen van zeldzame aarden.

Zeldzame aardmetalen zoals neodymium zijn onlosmakelijk verbonden met permanente magneten, die op hun beurt niet meer weg te denken zijn uit onze mobiele telefoons, elektrische auto’s en fietsen, en windmolens. Hoewel deze elementen niet per definitie schaars zijn, stijgt de vraag gestaag en heeft China bijna een monopolie in handen op (her)winning; een situatie die wereldwijd voor stijgende prijzen en onrust zorgt.

Buiten China wagen producenten zich namelijk liever niet aan de milieu­onvriendelijke vloeistof-vloeistofextractie-methode die nu de norm is. Onderzoekers van Amerikaanse Purdue University ontwikkelden daarom een nieuwe, duurzamere methode genaamd two zone ligand-assisted displacement chromatography (two zone LAD).

Gemixte banden

Met two zone LAD wisten Yi Ding en collega’s neodymium (Nd), praseodymium (Pr) en dysprosium (Dy) met een hoge zuiverheid en opbrengst (beiden > 99 %) terug te winnen uit afgedankte magneten, schreven zij eind maart in Green Chemistry. Recycling van zeldzame aardmetalen uit afvalstromen kan een interessante bron vormen, zo is de gedachte.

Drie chromatografiekolommen, een veilig extractiemiddel, ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA) en nog een paar milieuvriendelijke chemicaliën is alles wat je er voor nodig hebt. Als sample gebruikten de onderzoekers een synthetische mix, die qua verhouding lijkt op een zeldzame aarden-crude afkomstig van afvalmagneten (gewichtspercentage voor Nd, Pr en Dy respectievelijk 27, 4 en 1,5).

De drie kolommen uit de opsomming verwijzen naar de zone I, zone II a en zone II b van het systeem. Het scheidingsproces gaat als volgt: je injecteert een waterige oplossing met daarin opgelost de zeldzame aarden-ionen in zone I (een met Cu²⁺-ionen geladen kolom). De betreffende ionen verzamelen zich bij de kolominlaat en de scheidingsproces start na het injecteren van de ligandoplossing (EDTA). Daarbij geldt dat hoe hoger de pH van de EDTA-oplossing, des te meer carboxylgroepen – door verlies van een proton – in staat zijn om met zeldzame aarden-ionen te binden, en dus des te meer van deze ionen elueren.

Dit proces levert drie fracties op: naast een pure Nd-band (het beoogde product met 78 % opbrengst), twee gemixte banden met enerzijds Dy/Nd met EDTA en anderzijds Nd/Pr met EDTA. Deze gemixte banden injecteer je vervolgens in respectievelijk zone II a en zone II b. In die twee kolommen begint de scheiding al bij het injecteren, omdat deze afhangt van de verschillende affiniteiten van EDTA voor Nd, Pr en Dy. Na deze tweede fase kregen de onderzoekers 95 % puur Nd in handen. Achteraf kunnen zowel EDTA als Cu grotendeels herwonnen worden en hergebruikt.

Om daadwerkelijk 99 % opbrengst te krijgen voor alle drie de componenten, moet je de gemixte banden die je overhoudt na zone II opnieuw injecteren, zo schrijven de onderzoekers in hun paper. Omdat de experimentele demonstratie van deze recycling ‘tedious’ kan zijn, hielden de Amerikanen het bij VERSE-simulaties. Daaruit bleek dat er in totaal drie cycli nodig zijn om voor elk element tot een opbrengst en zuiverhuid van minimaal 99 % te komen.

Mijnen

Het in handen krijgen van de pure, individuele zeldzame aarden is niet eens per se nodig voor de productie van permanente magneten, aangezien Nd, Pr en Dy daarin gezamenlijk gebruikt worden – al kan dat in verschillende samenstellingen zijn. Het is wel direct een uitkomst voor de productie van bepaalde metaallegeringen.

Daarnaast is de technologie goed opschaalbaar en geschikt voor verschillende crude-samenstellingen, aldus Ding en collega’s. En met een algehele productiviteit van 111,5 kg/m³ per dag ligt deze een factor honderd hoger dan die van conventionele vloeistof-vloeistof­extractie. Wellicht dat deze nieuwe technologie dus wel het verschil aan de basis gaat maken, in de mijn dus.

Ding, Y. et al. (2020), Green Chemistry