Ny effektiv och billig teknik som utvecklas vid Purdue University kan möjliggöra utvinning av sällsynta jordartsmetaller, kritiska komponenter i många elektronik och gröna produkter, från avfallskolaska.

Denna innovation kan göra det möjligt för USA att ta sig in på marknaden för produktion av sällsynta jordartsmetaller på 4 miljarder dollar samtidigt som kolaska återvinns på ett miljövänligt sätt. Värdet på de produkter som kräver sällsynta jordartsmetaller värderas till mer än 4 biljoner dollar per år. Sällsynta jordartselement (REE) består till stor del av lantanider (Lns), en serie av 15 metalliska element.

"REE har många viktiga tillämpningar i saker som permanentmagneter i kraftgenerering och elbilar, batterier, petroleumraffineringskatalysatorer, fosforer i färg-tv, och mycket elektronik inklusive mobiltelefoner. Efterfrågan på REE förutspås växa dramatiskt under de kommande decennierna, sa Linda Wang, uppfinnare av tekniken och Purdues Maxine Spencer Nichols professor i kemiteknik.

"REE som används i USA importeras främst från Kina, som kontrollerar över 90 procent av utbudet, med omfattande konsekvenser för USA:s ekonomi och nationell säkerhet.

"Till exempel, efter att Kina minskade exportkvoterna 2010, kostnaderna för magneter för sällsynta jordartsmetaller för ett vindkraftverk ökade från $80, 000 till $500, 000. Efter att Kina lättade på exportrestriktionerna 18 månader senare, priserna återgick till lägre nivåer än 2010, ", sa hon. "Det är mycket önskvärt att utveckla kapaciteten att producera REEs i USA och att bli oberoende av utländska leverantörer."

Att separera sällsynta jordartsmetaller är extremt svårt eftersom elementen har samma jonladdning och är lika stora, sa Wang.

"Sällsynta jordartsmetaller förekommer i malmer i mycket små koncentrationer, några tusen delar per miljon. Omfattande processer för gruvdrift, slipning, extraktion, och rening behövs för att omvandla malmerna till mycket hög renhet (ungefär 99,9 procent minimum) sällsynta jordartsmetaller som krävs för kommersiella tillämpningar, " sa hon. "Typiskt, gammal teknik från 1950-talet används för separation och rening. De kräver vanligtvis 1, 800 olika extraktionssteg i serie och parallellt för rening. Sådana processer kan vara farliga, dyrt och ineffektivt." Wang sa att konventionella separationsmetoder också har allvarliga miljömässiga återverkningar.

"Nuvarande separeringsteknik producerar stora mängder kemiskt avfall, som inte kan återvinnas ekonomiskt, " sa hon. "En av de 10 mest förorenade platserna i världen är en konstgjord sjö i Kina, där avfallsvatten från REE-utvinningar lagras."

Wang har utvecklat nya kromatografiseparationstekniker som kan separera sällsynta jordartsmetaller först från andra föroreningar och sedan från varandra genom att använda endast ett fåtal kromatografienheter. Processerna involverar ligandassisterad eluerings- eller undanträngningskromatografimetoder med robusta, låg kostnad, oorganiskt sorberande titanoxid eller polymera sorbenter. Ligander i de mobila faserna

"Dessa nya processer kan effektivt separera REEs med renhet och avkastning som är större än 95 procent, "Wang sa. "Att använda titanoxidsorbenter är det som gör denna innovation unik. De är robusta och billiga, gör processerna effektiva och prisvärda. Vi är den första gruppen i världen som utvecklat denna teknik. Dessutom, biprodukterna av vår process inkluderar silikagel, aluminiumoxid, och andra metalloxider av kommersiellt värde, gör den övergripande processen lönsam och ekonomisk."

Wang sa att USA har samlat 1,5 miljarder ton kolaska, som skulle kunna användas för att producera REEs i årtionden.

"Kolaska är rik på sällsynta jordartsmetaller, lika rik som en del av malmfyndigheterna. USA producerar cirka 129 miljoner ton kolaska varje år. Mindre än hälften av det återvinns till lågvärdiga produkter, " sa hon. "I ett exempel, en kolaskalagringsvall gick sönder och askan förorenade närliggande floder. Det tog sju år och 1,1 miljarder dollar att städa upp."

Wang säger att den nya tekniken kan ge sätt att använda kolaska som inte bara tillfredsställer behoven hos REE i USA, men är fördelaktigt för miljön och skulle kunna skapa högteknologiska jobb.

"Vi har visat genomförbarheten av denna teknik i laboratorieskala och tror att det kommer att bli mycket enklare, mer effektiv, och lägre kapitalkostnadsalternativ för REE-produktion, " Wang sa. "Vi kan designa och skala upp processen för produktion; Det återstår fortfarande arbete att slutföra för att demonstrera dessa nya teknologier i större skala. Vi har haft framgång i många utmanande kromatografiska separationer, inklusive rening av medicinska isotoper, sockerarter, aminosyror, kirala läkemedel, insulin, polymerer, och många andra. Således, vi är övertygade om att vi kan producera REEs med hög renhet från kolaska."