Magneter adskiller blandinger af sjældne jordarters metaller bæredygtigt

En ny undersøgelse beskriver en ny tilgang til rensning af sjældne jordarters metaller, afgørende komponenter af teknologi, der kræver miljøskadelige minedriftsprocedurer. Ved at stole på metallets magnetiske felter under krystallisationsprocessen, forskere var i stand til effektivt og selektivt at adskille blandinger af sjældne jordarters metaller.

Femoghalvfjerds af det periodiske systems 118 elementer bæres i lommer og punge på mere end 100 millioner amerikanske iPhone-brugere hver dag. Nogle af disse elementer er rigelige, som silicium i computerchips eller aluminium til etuier, men visse metaller, der kræves til skarpe skærme og klare lyde, er svære at opnå. Sytten grundstoffer kendt som sjældne jordarters metaller er afgørende komponenter i mange teknologier, men findes ikke i koncentrerede aflejringer, og, fordi de er mere spredte, kræver giftige og miljøskadelige procedurer at udvinde.

Med det mål at udvikle bedre måder at genbruge disse metaller, ny forskning fra Eric Schelters laboratorium beskriver en ny tilgang til at adskille blandinger af sjældne jordarters metaller ved hjælp af et magnetfelt. Tilgangen, udgivet i Angewandte Chemie International Edition , oplevede en fordobling i separationsydelse og er et udgangspunkt for en renere og mere cirkulær økonomi for sjældne jordarters metaller.

Standardmetoden til at adskille blandinger af grundstoffer er at udføre en kemisk reaktion, der får et af grundstofferne til at skifte fase, som at gå fra flydende til fast, som gør det muligt at adskille elementer ved hjælp af fysiske metoder som filtrering. Denne type tilgang bruges til at adskille sjældne jordarters metaller; blandinger anbringes i en opløsning af en syre, og en organisk forbindelse og individuelle metalioner bevæger sig langsomt ud af den sure fase og ind i den organiske fase med varierende hastigheder baseret på metallets kemiske egenskaber.

Det der er svært er, at mange kemiske egenskaber, såsom opløselighed eller hvordan de reagerer med andre grundstoffer, er meget ens mellem sjældne jordarters metaller. Denne mangel på en stærk kemisk forskel betyder, at adskillelse af sjældne jordarters metaller er en tids- og energikrævende proces, der også genererer en betydelig mængde surt affald. "Det fungerer godt, når du gør det 10, 000 gange, men hvert enkelt trin er dårligt effektivt, siger Schelter.

Hvor individuelle sjældne jordarters metaller er forskellige, er deres paramagnetisme, eller hvor tiltrukket de er af magnetiske felter. Forskere har været interesseret i at finde måder at bruge paramagnetisme til at isolere forskellige sjældne jordarters grundstoffer, men tidligere bestræbelser havde ikke fundet måder at koble paramagnetisme med en kemisk reaktion eller faseskift.

Nøgleopdagelsen var, at kombinationen af ​​et magnetfelt med et fald i temperaturen fik metalioner til at krystallisere med forskellige hastigheder. Krystallisering af elementer ved faldende temperatur er en almindeligt anvendt tilgang i laboratoriet, men omfanget af dens indvirkning var uventet. "Vi bruger lavere temperaturer til at krystallisere en masse af vores materialer, " forklarer postdoc-forsker Robert Higgins, der ledede undersøgelsen. "Det var en af ​​de ting, jeg potentielt kunne bruge, men var ikke klar over i begyndelsen, hvor vigtigt det faktisk ville være."

Ved at bruge denne tilgang, forskere kan effektivt og selektivt adskille tunge sjældne jordarter som terbium og ytterbium fra lettere metaller som lanthan og neodym. Det mest slående resultat var at tage en 50/50-blanding af lanthan og dysprosium og få 99,7% dysprosium tilbage i ét trin - et "100% boost" sammenlignet med den samme metode, men uden at bruge en magnet.

Da de kemiske mekanismer i eksisterende separationsmetoder ikke er godt forstået, forskere håber, at deres systematiske tilgang kan tage metaladskillelsesteknologier fra "magi" til noget mere kontrollerbart, konkurrencedygtig, og omkostningseffektiv. "Hvis du rationelt kunne designe måder at forbedre metaladskillelsen på, det ville være en kæmpe fordel " siger Schelter. "Vores holdning er at adressere nicheapplikationer relateret til kemiske separationer ved at bruge en tilgang, der kan anvendes på nye separationssystemer for at komplementere eksisterende teknologi."

Higgins leder nu efter måder at forbedre reaktionens effektivitet, mens han studerer, hvordan magnetiske felter interagerer med disse kemiske løsninger. Han ser denne undersøgelse og andre fundamentale kemifund som et vigtigt første skridt i retning af at gøre genanvendelse af sjældne jordarters metal mere effektiv og bæredygtig. "Jo hurtigere vi kan finde nye måder at udføre separationer mere effektivt på, jo hurtigere kan vi forbedre nogle af de geopolitiske og klimamæssige problemer, der er forbundet med minedrift og genanvendelse af sjældne jordarter, " siger Higgins.