Stetson och Wilson på jobbet i labbet. Kredit:Idaho National Laboratory
Det är inte ovanligt i den vetenskapliga världen att en process har många unika tillämpningar. Till exempel har forskare från Idaho National Laboratory tagit en vattenbehandlingsteknik och anpassat den för en annan miljömässigt viktig funktion - selektivt separering av sällsynta jordartsmetaller och övergångsmetaller. Denna kemiska process, som nyligen beskrivs i en Nature Communications artikeln, minskar avsevärt både energi- och produktförbrukningen vid återvinning av sällsynta jordartsmetaller.
Sällsynta jordartsmetaller är en samling av kemiskt likartade metalliska grundämnen som tenderar att förekomma i låga koncentrationer i naturen och kan vara svåra att separera från varandra. De är värdefulla för användning i elbilsmotorer, datorhårddiskar och vindturbiner. Övergångsmetaller är en klass av metaller som är utmärkta ledare av värme och elektricitet, ofta med höga smältpunkter och unika strukturella egenskaper, vilket gör dem nödvändiga för att producera vanliga legeringar som stål och koppar, såväl som litiumjonbatterikatoder.
För närvarande kasseras de flesta komponenter som bär dessa metaller helt enkelt. INL:s nya metod för att extrahera dessa värdefulla metaller involverar dimetyleter, en gasformig förening som fungerade som ett av de första kommersiella köldmedierna. Det driver fraktionerad kristallisation – en process som delar upp kemiska ämnen baserat på deras löslighet – för att separera sällsynta jordartsmetaller och övergångsmetaller från magnetavfall.
"Denna process börjar med en magnet som inte längre är användbar, som skärs och mals till spån", säger Caleb Stetson, experimentledaren för projektet. "Magnetspånen läggs sedan i en lösning med lixiviants, en vätska som används för att selektivt extrahera metaller från materialet. När de önskade metallerna väl har lakats ut från materialet till vätskan kan vi sedan tillämpa en behandlingsprocess."
Den dimetyleterdrivna processen använder mycket mindre energi och tryck än traditionella metoder, vanligtvis utförda vid hundratals grader Celsius. Fraktionerad kristallisation kan utföras vid rumstemperatur och kräver endast något förhöjda tryck på cirka fem atmosfärer. I jämförelse är trycket i en oöppnad 12-ounce burk läsk 3,5 atmosfärer. Det lägre energi- och tryckbehovet sparar också pengar.
Enheten som används för att filtrera bort olika kemiska komponenter i dessa förbrukade magneter. Kredit:Idaho National Laboratory
Konkurrerande tekniker använder också tillsatta kemiska "reagenser" för att driva utfällning och andra separationer, som oundvikligen blir ytterligare avfallsprodukter med ekonomiska och miljömässiga konsekvenser. Detta är inte fallet med dimetyleterbaserad fraktionerad kristallisation.
Aaron Wilson, projektets huvudutredare, valde dimetyleter för dess lätthet att återvinna, och övervann en brist i tidigare försök att använda lösningsmedel för att driva kritiska materialseparationer. Genom att sänka trycket och sedan komprimera gasen i slutet av experimentet kan teamet återvinna lösningsmedlet och återanvända det i framtida cykler.
Processen har också andra fördelar. "Det kan vara svårt att justera temperaturer för evaporativ kristallisation, men denna fraktionerade kristalliseringsprocess eliminerar alla dessa utmaningar," sa Stetson. "För att processen ska separera distinkta fraktioner från en metallhaltig lösning behöver vi bara justera temperaturen med 10 grader."
När teamet utvecklade denna lösningsmedelsbaserade process för metallåtervinning med noll avfall, arbetade teamet nära med några av de elektrokemiska processer för återvinning av sällsynta jordartsmetaller som redan fanns på INL. Detta inkluderar E-RECOV-satsningen, som använder en elektrokemisk cell för att effektivt återvinna metaller från kasserad elektronik. Att minska energiintensiteten och avfallsprofilen för kritisk materialåtervinning har också betydande miljömässiga rättvisa konsekvenser. Under de senaste decennierna har primär utvinning, som gruvdrift och höjning av det ekonomiska värdet av produkten genom strategisk malmutvinning, gruvdrift och förädling) flyttats till underutvecklade länder som Kongo, medan energiintensiv nedströmsförädling har offshores till Asien. Mycket av denna offshoring har drivits av allmänhetens motvilja mot "smutsiga" mineralutvinningsprocesser som äger rum i deras bakgård. Att skapa en renare metod kommer att underlätta återvinning av kritiska material inrikes och utomlands utan att utsätta underbetjänade samhällen för farliga förhållanden.
Dessutom arbetar Wilson och hans forskargrupp för att ta itu med avfall i samband med produktion av syntetisk gips via ett projekt för National Alliance for Water Innovation. Syntetgips, källan till nästan 30 % av torrväggarna i USA, produceras när svaveloxider skrubbas från rökgaser för att förhindra surt regn. Deras team isolerar avfallet från tillverkningsprocessen med hjälp av dimetyleter. Denna behandling har potential att skapa ännu fler produkter från vad som ursprungligen bara var ett miljöproblem.
Återvinningsarbetet med sällsynta jordartsmetaller och övergångsmetaller "skulle inte ha varit möjligt utan INL:s samarbete inom Critical Materials Institute vid Ames National Laboratory," sa Stetson. "Detta har gett oss tillgång till material i verkligheten och att utföra omfattande forskning i labbskala." + Utforska vidare
