Elektronisk affald udvindes for sjældne jordarter

Sjældne jordarters elementer er "hemmelig sauce" af talrige avancerede materialer til energi, transport, forsvars- og kommunikationsapplikationer. Deres største brug for ren energi er i permanente magneter, som bevarer magnetiske egenskaber selv i fravær af et inducerende felt eller strøm.

Nu, Forskere fra det amerikanske energiministerium har opfundet en proces til at udvinde sjældne jordarters elementer fra de skrottede magneter på brugte harddiske og andre kilder. De har patenteret og opskaleret processen i laboratoriedemonstrationer og arbejder sammen med ORNL's licenstager Momentum Technologies fra Dallas for at skalere processen yderligere for at producere kommercielle partier af sjældne jordarters oxider.

"Vi har udviklet en energieffektiv, omkostningseffektiv, miljøvenlig proces til at genvinde kritiske materialer af høj værdi, "sagde medopfinder Ramesh Bhave fra DOE's Oak Ridge National Laboratory, der leder membranteknologi-teamet i ORNL's Chemical Sciences Division. "Det er en forbedring i forhold til traditionelle processer, som kræver faciliteter med et stort fodaftryk, høje kapital- og driftsomkostninger og en stor mængde affald, der genereres."

Permanente magneter hjælper computerharddiske med at læse og skrive data, drivmotorer, der flytter hybrid- og elbiler, koble vindmøller med generatorer for at lave elektricitet, og hjælpe smartphones med at omsætte elektriske signaler til lyd.

Gennem den patenterede proces, magneter er opløst i salpetersyre, og opløsningen tilføres kontinuerligt gennem et modul, der understøtter polymermembraner. Membranerne indeholder porøse hule fibre med et ekstraktionsmiddel, der fungerer som en slags kemisk "trafikbetjent"; det skaber en selektiv barriere og lader kun sjældne jordarters elementer passere igennem. Den sjældne jordart-rige opløsning opsamlet på den anden side behandles yderligere for at give sjældne jordarters oxider med en renhed på over 99,5%.

Det er bemærkelsesværdigt i betragtning af, at typisk, 70% af en permanent magnet er jern, som ikke er et sjældent jordart element. "Vi er i det væsentlige i stand til at eliminere jern fuldstændigt og kun genvinde sjældne jordarter, "Bhave sagde. Udtrækning af ønskelige elementer uden co-ekstraktion af uønskede betyder, at der skabes mindre affald, der skal behandles og bortskaffes nedstrøms.

Tilhængere af arbejdet inkluderer DOE's Critical Materials Institute, eller CMI, for separationsforskning og DOE's Office of Technology Transitions, eller OTT, til procesopskalering. ORNL er et stiftende teammedlem af CMI, en DOE Energy Innovation Hub ledet af DOE's Ames Laboratory og administreret af Advanced Manufacturing Office. Bhaves "minedrift" af en sur opløsning med selektive membraner slutter sig til andre lovende CMI-teknologier til genvinding af sjældne jordarter, herunder en simpel proces, der knuser og behandler magneter og et syrefrit alternativ.

Industrien afhænger af kritiske materialer, og det videnskabelige samfund udvikler processer til at genbruge dem. Imidlertid, ingen kommercialiseret proces genbruger rene sjældne jordarters elementer fra elektroniske affaldsmagneter. Det er en kæmpe forpasset mulighed i betragtning af 2,2 milliarder personlige computere, tablets og mobiltelefoner forventes at blive sendt til hele verden i 2019, ifølge Gartner. "Alle disse enheder har sjældne jordarters magneter i dem, "Bhave noteret.

Bhaves projekt, som begyndte i 2013, er en holdindsats. John Klaehn og Eric Peterson fra DOE's Idaho National Laboratory samarbejdede i en tidlig fase af forskningen med fokus på kemi, og Ananth Iyer, professor ved Purdue University, senere vurderet den tekniske og økonomiske gennemførlighed af opskalering. Hos ORNL, tidligere postdoc-stipendiater Daejin Kim og Vishwanath Deshmane studerede separationsprocesudvikling og opskalering, henholdsvis. Bhaves nuværende ORNL-hold, bestående af Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell og Priyesh Wagh, fokuserer på at skalere processen og arbejde med branchepartnere, der kommercialiserer teknologien.

For at sikre, at sjældne jordarter kan genvindes på tværs af et bredt spektrum af råmaterialer, forskere udsatte magneter af varierende sammensætning - fra kilder, herunder harddiske, magnetiske resonans billedbehandlingsmaskiner, mobiltelefoner og hybridbiler - til processen.

De fleste sjældne jordartselementer er lanthanider, grundstoffer med atomnumre mellem 57 og 71 i det periodiske system. "ORNL's enorme ekspertise inden for lanthanidkemi gav os et kæmpe springstart, "Bhave sagde." Vi begyndte at se på lanthanidkemikalier og måder, hvorpå lanthanider selektivt ekstraheres. "

Over to år, forskerne skræddersyede membrankemi for at optimere genvinding af sjældne jordarter. Nu, deres proces genvinder mere end 97% af de sjældne jordartselementer.

Til dato har Bhaves genbrugsprojekt resulteret i et patent og to publikationer (her og her), der dokumenterer genvinding af tre sjældne jordarters grundstoffer - neodym, praseodym og dysprosium - som en blanding af oxider.

Den anden fase af separationer begyndte i juli 2018 med et forsøg på at adskille dysprosium fra neodym og praseodym. En blanding af de tre oxider sælger for $ 50 kg. Hvis dysprosium kunne skilles fra blandingen, dens oxid kunne sælges for fem gange så meget.

Programmets anden fase vil også undersøge, om ORNLs underliggende proces til adskillelse af sjældne jordarter kan udvikles til at adskille andre efterspurgte elementer fra lithium-ion-batterier. "Den forventede høje vækst af elektriske køretøjer kommer til at kræve en enorm mængde lithium og kobolt, " sagde Bhave.

Industriel indsats, der er nødvendig for at implementere ORNL-processen på markedet, finansieret over to år af DOE's OTT Technology Commercialization Fund, begyndte i februar 2019.

Målet er at genvinde hundredvis af kilogram af sjældne jordarters oxider hver måned og validere, verificere og attestere, at producenterne kan bruge de genbrugsmaterialer til at fremstille magneter, der svarer til dem, der er fremstillet med nye materialer.