Hold sig kølig:Et almindeligt kølemiddel er lovende for metalgenbrug

Det er ikke ualmindeligt i den videnskabelige verden, at en proces har mange unikke anvendelser. For eksempel har forskere fra Idaho National Laboratory taget en vandbehandlingsteknologi og tilpasset den til en anden miljømæssigt vigtig funktion - selektiv adskillelse af sjældne jordarters elementer og overgangsmetaller. Denne kemiske proces, som for nylig er beskrevet i en Nature Communications artiklen, reducerer både energi- og produktforbruget i forbindelse med genvinding af sjældne jordarter væsentligt.

Sjældne jordarters metaller er en samling af kemisk lignende metalliske grundstoffer, der har tendens til at forekomme i lave koncentrationer i naturen og kan være svære at adskille fra hinanden. De er værdifulde for deres brug i elbilmotorer, computerharddiske og vindmøller. Overgangsmetaller er en klasse af metaller, der er fremragende ledere af varme og elektricitet, ofte med høje smeltepunkter og unikke strukturelle egenskaber, hvilket gør dem essentielle til fremstilling af almindelige legeringer som stål og kobber, såvel som lithium-ion batterikatoder.

I øjeblikket bliver de fleste af de komponenter, der bærer disse metaller, simpelthen bortskaffet. INLs nye metode til at udvinde disse værdifulde metaller involverer dimethylether, en gasformig forbindelse, der fungerede som et af de første kommercielle kølemidler. Det driver fraktioneret krystallisation - en proces, der opdeler kemiske stoffer baseret på deres opløselighed - for at adskille sjældne jordarters grundstoffer og overgangsmetaller fra magnetaffald.

"Denne proces begynder med en magnet, der ikke længere er nyttig, som skæres og males til spåner," sagde Caleb Stetson, den eksperimentelle leder for projektet. "Magnetspånerne sættes derefter i en opløsning med lixiviants, en væske, der bruges til selektivt at udvinde metaller fra materialet. Når de ønskede metaller er udvasket fra materialet til væsken, kan vi derefter anvende en behandlingsproces."

Den dimethylether-drevne proces bruger langt mindre energi og tryk end traditionelle metoder, typisk udført ved hundredvis af grader Celsius. Fraktioneret krystallisation kan udføres ved omgivende temperaturer og kræver kun let forhøjede tryk på omkring fem atmosfærer. Til sammenligning er trykket i en uåbnet 12-ounce dåse sodavand 3,5 atmosfærer. Det lavere energi- og trykbehov sparer også penge.

Konkurrerende teknologier bruger også tilsatte kemiske "reagenser" til at drive nedbør og andre separationer, som uundgåeligt bliver til yderligere affaldsprodukter med økonomiske og miljømæssige konsekvenser. Dette er ikke tilfældet med dimethylether-baseret fraktioneret krystallisation.

Aaron Wilson, projektets hovedefterforsker, valgte dimethylether for dens lette genvinding og overvinde en mangel ved tidligere forsøg på at bruge opløsningsmidler til at drive kritiske materialeseparationer. Ved at sænke trykket og derefter genkomprimere gassen i slutningen af ​​eksperimentet, kan teamet genvinde opløsningsmidlet og genbruge det i fremtidige cyklusser.

Processen har også andre fordele. "Det kan være svært at justere temperaturer til fordampningskrystallisation, men denne fraktionelle krystallisationsproces eliminerer alle disse udfordringer," sagde Stetson. "For at processen skal adskille forskellige fraktioner fra en metalbærende opløsning, behøver vi kun at justere temperaturen med 10 grader."

Da teamet udviklede denne opløsningsmiddelbaserede proces til genvinding af metal uden spild, arbejdede holdet tæt sammen med nogle af de elektrokemiske genvindingsprocesser for sjældne jordarter, der allerede var på plads hos INL. Dette inkluderer E-RECOV-indsatsen, som bruger en elektrokemisk celle til effektivt at genvinde metaller fra kasseret elektronik. Reduktion af energiintensiteten og affaldsprofilen for kritisk materialegenvinding har også betydelige miljøretlige konsekvenser. I de seneste årtier er primær udvinding, som minedrift og forbedring af produktets økonomiske værdi gennem strategisk malmudvinding, minedrift og udnyttelse) blevet flyttet til underudviklede nationer som Congo, mens energiintensiv nedstrømsbehandling er blevet offshored til Asien. Meget af denne offshoring er blevet drevet af offentlig modvilje mod "beskidte" mineraludvindingsprocesser, der finder sted i deres baghave. At skabe en renere metode vil lette kritisk materialegenvinding i ind- og udland uden at udsætte undertjente samfund for farlige forhold.

Derudover arbejder Wilson og hans forskerhold på at håndtere affald i forbindelse med produktion af syntetisk gips via et projekt for National Alliance for Water Innovation. Syntetisk gips, kilden til næsten 30% af tørvæggen i USA, produceres, når svovloxider skrubbes fra røggas for at forhindre sur regn. Deres team isolerer affaldet fra fremstillingsprocessen ved hjælp af dimethylether. Denne behandling har potentialet til at skabe endnu flere produkter ud fra, hvad der oprindeligt blot var et miljøproblem.

Arbejdet med genvinding af sjældne jordarter og overgangsmetal "ville ikke have været muligt uden INLs samarbejde inden for Critical Materials Institute ved Ames National Laboratory," sagde Stetson. "Dette har givet os adgang til materialer fra den virkelige verden og til at udføre omfattende forskning på laboratorieskalaen." + Udforsk yderligere

Ny syrefri magnetgenbrugsproces