Tillverkare förlitar sig på sällsynta jordartsmetaller, som neodym, för att skapa starka magneter som används i motorer för elektronik inklusive hybridbilar, flygplansgeneratorer, högtalare, hårddiskar och in-ear-hörlurar. Men mineralfyndigheter som innehåller neodym är svåra att nå och finns på bara några få platser på jorden.

Med ett ökat behov av neodym från flera industrier har uppmärksamheten vänts mot att återvinna de element som finns i gamla datorer och kretskort, även kallat elektroniskt avfall, för att möta efterfrågan. Men att separera de värdefulla elementen från andra mineraler och komponenter som finns i e-avfall visar sig vara en utmaning.

I en ny artikel i Chemical Engineering Journal , Amir Sheikhi, biträdande professor i kemiteknik och biomedicinsk teknik, vid Penn State, beskriver en ny nanoteknik för att separera neodym med hjälp av växtcellulosa, som finns i papper, bomull och massa. Patrictia Wamea, en före detta medlem i Sheikhis labb som tog examen i maj med en magisterexamen, var medförfattare till uppsatsen och fick Penn State Department of Chemical Engineerings årliga pris för bästa papper hösten 2021 för sina bidrag.

I processen binder håriga nanokristaller av cellulosa, nanopartiklar som härrör från cellulosafibriller, selektivt till neodymjoner, och separerar dem från andra joner, såsom järn, kalcium och natrium, enligt Sheikhi. Nanopartiklarna är kända som "håriga" på grund av cellulosakedjor fästa vid sina två ändar, som utför kritiska kemiska funktioner.

För att göra detta laddade forskarna de håriga skikten av nanopartiklarna negativt för att attrahera och binda med de positivt laddade neodymjonerna, vilket resulterade i partikelaggregation till större bitar som sedan effektivt kan återvinnas och återanvändas.

"Processen är effektiv i sin borttagningskapacitet, selektivitet och i dess hastighet," sa Sheikhi. "Den kan separera neodym på några sekunder genom att selektivt ta bort elementet från några av de testade föroreningarna."

Nuvarande återvinningsprocesser för sällsynta jordartsmetaller är miljöskadliga, enligt Sheikhi. De använder ofta mycket sura förhållanden för att extrahera grundämnena i kemiska reaktioner. Sheikhis process är miljövänlig på grund av dess användning av cellulosa, som är en billig förnybar resurs. Den traditionella gruvprocessen är farlig och dyr, med skadlig miljöpåverkan från dagbrottsbrytning.

"Att använda cellulosa som huvudmedlet är en hållbar, kostnadseffektiv, ren lösning," sa Sheikhi. "Med den här processen kommer USA att kunna konkurrera med andra jättar som Kina för att återvinna sällsynta jordartsmetaller och självständigt producera dem."

Kina är den ledande exportören av neodym, enligt Sheikhi, och exporterar mer än 70 % av världens utbud av materialet.

Förutom e-avfall kan sällsynta jordartsmetaller som neodym utvinnas från industriellt avloppsvatten, gruvsvansar och permanentmagneter som inte längre används. I framtiden sa Sheikhi att han hoppas att den cellulosabaserade adsorptionsprocessen kan tillämpas på dessa källor också.

"Detta bidrag till återvinning av sällsynta jordartsmetaller kommer att ha en strategisk och ekonomiskt lönsam inverkan på flera industrier," sa Sheikhi. "Ju mer neodym vi återvinner, desto mer kan vi tillverka el- och hybridfordon och vindturbiner, vilket leder till mindre belastning på miljön." + Utforska vidare

Enkel separationsprocess för neodym och dysprosium