Sällsynta jordartsmetaller är den "hemliga såsen" av många avancerade material för energi, transport, försvars- och kommunikationstillämpningar. Deras största användning för ren energi är i permanentmagneter, som bibehåller magnetiska egenskaper även i frånvaro av ett inducerande fält eller ström.

Nu, Forskare från det amerikanska energidepartementet har uppfunnit en process för att extrahera sällsynta jordartsmetaller från de skrotade magneterna på använda hårddiskar och andra källor. De har patenterat och skalat upp processen i laboratoriedemonstrationer och arbetar med ORNL:s licenstagare Momentum Technologies i Dallas för att skala processen ytterligare för att producera kommersiella partier av sällsynta jordartsmetaller.

"Vi har utvecklat en energieffektiv, kostnadseffektiv, miljövänlig process för att återvinna värdefulla kritiska material, " sa meduppfinnaren Ramesh Bhave från DOE:s Oak Ridge National Laboratory, som leder membranteknikteamet i ORNL:s Chemical Sciences Division. "Det är en förbättring jämfört med traditionella processer, som kräver anläggningar med stort fotavtryck, höga kapital- och driftskostnader och en stor mängd avfall som genereras."

Permanenta magneter hjälper datorns hårddiskar att läsa och skriva data, drivmotorer som flyttar hybrid- och elbilar, koppla ihop vindkraftverk med generatorer för att göra el, och hjälpa smartphones att översätta elektriska signaler till ljud.

Genom den patenterade processen, magneter är lösta i salpetersyra, och lösningen matas kontinuerligt genom en modul som bär polymermembran. Membranen innehåller porösa ihåliga fibrer med ett extraktionsmedel som fungerar som en slags kemisk "trafikpolis"; det skapar en selektiv barriär och låter bara sällsynta jordartsmetaller passera igenom. Den sällsynta jordartsmetallhaltiga lösningen som samlas upp på andra sidan bearbetas vidare för att ge oxider av sällsynta jordartsmetaller med en renhet som överstiger 99,5 %.

Det är anmärkningsvärt med tanke på att vanligtvis, 70% av en permanentmagnet är järn, som inte är ett sällsynt jordartselement. "Vi kan i princip eliminera järn fullständigt och återvinna endast sällsynta jordartsmetaller, "Bhave sagt. Att utvinna önskvärda element utan att samutvinna oönskade innebär att mindre avfall skapas som kommer att behöva behandling och bortskaffande nedströms.

Anhängare av arbetet inkluderar DOE:s Critical Materials Institute, eller CMI, för separationsforskning och DOE:s Office of Technology Transitions, eller OTT, för processuppskalning. ORNL är en av grundarna av CMI, en DOE Energy Innovation Hub som leds av DOE:s Ames Laboratory och förvaltas av Advanced Manufacturing Office. Bhaves "brytning" av en sur lösning med selektiva membran ansluter sig till andra lovande CMI-tekniker för att återvinna sällsynta jordartsmetaller, inklusive en enkel process som krossar och behandlar magneter och ett syrafritt alternativ.

Industrin är beroende av kritiska material, och forskarsamhället utvecklar processer för att återvinna dem. Dock, ingen kommersialiserad process återvinner rena sällsynta jordartsmetaller från elektroniska avfallsmagneter. Det är en enorm missad möjlighet med tanke på 2,2 miljarder persondatorer, surfplattor och mobiltelefoner förväntas levereras över hela världen under 2019, enligt Gartner. "Alla dessa enheter har magneter för sällsynta jordartsmetaller, "Bhave noterat.

Bhaves projekt, som började 2013, är en laginsats. John Klaehn och Eric Peterson från DOE:s Idaho National Laboratory samarbetade i en tidig fas av forskningen fokuserad på kemi, och Ananth Iyer, professor vid Purdue University, senare utvärderade den tekniska och ekonomiska genomförbarheten av uppskalning. På ORNL, tidigare postdoktorer Daejin Kim och Vishwanath Deshmane studerade separationsprocessutveckling och uppskalning, respektive. Bhaves nuvarande ORNL-lag, bestående av Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell och Priyesh Wagh, fokuserar på att skala upp processen och arbeta med industripartners som kommer att kommersialisera tekniken.

För att säkerställa att sällsynta jordartsmetaller skulle kunna återvinnas över ett brett spektrum av råvaror, forskare utsatte magneter av varierande sammansättning – från källor inklusive hårddiskar, magnetiska resonansavbildningsmaskiner, mobiltelefoner och hybridbilar – till processen.

De flesta sällsynta jordartsmetaller är lantanider, grundämnen med atomnummer mellan 57 och 71 i det periodiska systemet. "ORNLs enorma expertis inom lantanidkemi gav oss en enorm tjuvstart, "Bhave sa. "Vi började titta på lantanidkemi och sätt genom vilka lantanider extraheras selektivt."

Över två år, forskarna skräddarsydda membrankemi för att optimera återvinningen av sällsynta jordartsmetaller. Nu, deras process återvinner mer än 97 % av de sällsynta jordartsmetallerna.

Hittills har Bhaves återvinningsprojekt resulterat i ett patent och två publikationer (här och här) som dokumenterar återvinning av tre sällsynta jordartsmetaller - neodym, praseodym och dysprosium - som en blandning av oxider.

Den andra fasen av separationer började i juli 2018 med ett försök att separera dysprosium från neodym och praseodym. En blandning av de tre oxiderna säljs för 50 dollar per kilogram. Om dysprosium kunde separeras från blandningen, dess oxid kunde säljas för fem gånger så mycket.

Programmets andra fas kommer också att undersöka om ORNL:s underliggande process för att separera sällsynta jordartsmetaller kan utvecklas för att separera andra efterfrågade element från litiumjonbatterier. "Den förväntade höga tillväxten av elfordon kommer att kräva en enorm mängd litium och kobolt, " sa Bhave.

Industriella ansträngningar som krävs för att distribuera ORNL-processen på marknaden, finansierat över två år av DOE:s OTT Technology Commercialization Fund, började i februari 2019.

Målet är att återvinna hundratals kilo oxider av sällsynta jordartsmetaller varje månad och validera, verifiera och intyga att tillverkare kan använda de återvunna materialen för att tillverka magneter som är likvärdiga med de som är gjorda av jungfruliga material.