Innovation kan give billige, ren måde for USA at komme ind på markedet for $4 milliarder for at genvinde sjældne jordarters elementer

Nye effektive og billige teknologier, der udvikles på Purdue University, kunne tillade udvinding af sjældne jordarters grundstoffer, kritiske komponenter i mange elektronik og grønne produkter, fra affald af kulaske.

Denne innovation kunne gøre USA i stand til at gå ind på produktionsmarkedet for sjældne jordartselementer på 4 milliarder dollar, mens de genanvender kulaske på en miljøvenlig måde. Værdien af ​​de produkter, der kræver sjældne jordarters metaller, er vurderet til mere end 4 billioner dollars om året. Sjældne jordarters grundstoffer (REE) består stort set af lanthanider (Lns), en serie på 15 metalliske elementer.

"REE'er har mange vigtige anvendelser inden for ting som permanente magneter i elproduktion og elbiler, batterier, katalysatorer til olieraffinering, fosfor i farvefjernsyn, og meget elektronik inklusive mobiltelefoner. Efterspørgslen efter REEs forventes at vokse dramatisk i løbet af de næste årtier, " sagde Linda Wang, opfinder af teknologien og Purdues Maxine Spencer Nichols professor i kemiteknik.

"REE'er, der bruges i USA, importeres primært fra Kina, som kontrollerer over 90 procent af udbuddet, med vidtrækkende konsekvenser for den amerikanske økonomi og den nationale sikkerhed.

"For eksempel, efter Kina reducerede eksportkvoterne i 2010, omkostningerne ved sjældne jordarters magneter til en vindmølle steg fra $80, 000 til $500, 000. Efter Kina lempede eksportrestriktionerne 18 måneder senere, priserne vendte tilbage til lavere niveauer end i 2010, " sagde hun. "Det er yderst ønskeligt at udvikle kapaciteten til at producere REE'er i USA og at blive uafhængig af udenlandske leverandører."

Det er ekstremt vanskeligt at adskille sjældne jordarters grundstoffer, fordi grundstofferne har den samme ioniske ladning og er ens i størrelse, sagde Wang.

"Sjældne jordarters grundstoffer forekommer i malme i meget små koncentrationer, et par tusinde dele pr. million. Omfattende minedriftsprocesser, slibning, udvinding, og rensning er nødvendig for at omdanne malmene til meget høj renhed (ca. 99,9 procent minimum) sjældne jordarters metaller, der kræves til kommercielle anvendelser, sagde hun. Typisk, gamle teknologier fra 1950'erne bruges til adskillelse og oprensning. De kræver normalt 1, 800 forskellige ekstraktionstrin i serie og parallelt til rensning. Sådanne processer kan være farlige, dyrt og ineffektivt. "Wang sagde, at konventionelle separationsmetoder også har alvorlige miljømæssige konsekvenser.

"Nuværende separationsteknologier producerer store mængder kemisk affald, som ikke kan genbruges økonomisk, " sagde hun. "Et af de 10 mest forurenede steder i verden er en menneskeskabt sø i Kina, hvor spildevandet fra REE-udvindinger opbevares."

Wang har udviklet nye kromatografiseparationsteknikker, der kunne adskille sjældne jordarters grundstoffer først fra andre urenheder og derefter fra hinanden ved kun at bruge nogle få kromatografienheder. Processerne involverer ligand-assisteret eluerings- eller forskydningskromatografimetoder ved brug af robuste, lavpris, uorganisk sorberende titanoxid eller polymere sorbenter. Ligander i de mobile faser

"Disse nye processer kan effektivt adskille REE'er med renhed og udbytte på mere end 95 procent, " sagde Wang. "Brugen af ​​titaniumdioxid-sorbenter er det, der gør denne innovation unik. De er robuste og billige, gør processerne effektive og overkommelige. Vi er den første gruppe i verden, der udviklede denne teknologi. Derudover biprodukterne af vores proces inkluderer silicagel, aluminiumoxid, og andre metaloxider af kommerciel værdi, gør den overordnede proces rentabel og økonomisk."

Wang sagde, at USA har akkumuleret 1,5 milliarder tons kulaske, som kunne bruges til at producere REE'er i årtier.

"Kulaske er rig på sjældne jordarter, lige så rig som nogle af malmforekomsterne. USA producerer omkring 129 millioner tons kulaske hvert år. Mindre end halvdelen af ​​det genanvendes til lavværdiprodukter, " sagde hun. "I et eksempel, et kulaske lagerdige brød, og asken forurenede nærliggende floder. Det tog syv år og 1,1 milliarder dollars at rydde op."

Wang siger, at den nye teknologi kan give måder at bruge kulaske på, som ikke kun opfylder behovene hos REE i USA, men er til gavn for miljøet og kan skabe højteknologiske arbejdspladser.

"Vi har demonstreret gennemførligheden af ​​denne teknologi i laboratorieskala og tror på, at det bliver en meget enklere, mere effektivt, og lavere kapitalomkostningsmulighed for REE-produktion, " sagde Wang. "Vi kan designe og opskalere processen til produktion; der er stadig arbejde, der skal afsluttes for at demonstrere disse nye teknologier i større skala. Vi har haft succes i mange udfordrende kromatografiske adskillelser, herunder oprensning af medicinske isotoper, sukkerarter, aminosyrer, chirale lægemidler, insulin, polymerer, og mange andre. Dermed, vi er overbeviste om, at vi kan producere REE'er med høj renhed fra kulaske."