Fortschrittliche Chelatoren ermöglichen eine effiziente und umweltfreundliche Rückgewinnung von Seltenerdelementen

Laut Chemieprofessor Justin Wilson von der UC Santa Barbara wird die Welt in den kommenden Jahren viele seltsame Metalle brauchen. Aber er spricht nicht von Lithium, Kobalt oder gar Beryllium. Wilson interessiert sich für Dysprosium, das im Periodensystem so versteckt ist, dass man meinen könnte, er hätte es erfunden.

Seltene Erden wie Dysprosium finden in der modernen Elektronik viele Nischenanwendungen. Das geht so weit, dass das US-Energieministerium sie als „kritische Mineralien“ einstuft. Und obwohl sie nicht ganz so selten sind wie Edelmetalle wie Platin oder Gold, sind sie aus natürlichen Vorkommen nur schwer zu gewinnen. Außerdem haben sie sehr ähnliche chemische Eigenschaften, was es höllisch schwierig macht, sie voneinander zu isolieren.

Doch ein Team unter der Leitung von Wilson und dem Postdoktoranden Yangyang Gao hat gerade eine Technik entwickelt, mit der sich bestimmte Seltene Erden bei Raumtemperatur reinigen lassen, ohne dass dabei die giftigen und ätzenden Verbindungen zum Einsatz kommen, die derzeit für diese Aufgabe verwendet werden. Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift Angewandte Chemie Internationale Ausgabeversprechen eine sicherere und effektivere Methode zur Verarbeitung diese Metalle aus dem Bergbau und gewinnen sie aus Elektroschrott zurück.

Nützliche Elemente abseits der Öffentlichkeit

Zu den Seltenerdelementen zählen Scandium, Yttrium und die Lanthanoide – die erste der beiden Zeilen, die Verlage aus dem Periodensystem herausschneiden, damit es auf eine Seite passt. Die Lanthanoide (und die Actinoide darunter) sind eigentlich gleich rechts in der zweiten Spalte einzuordnen. Sie kennen das Seltenerdelement Neodym vielleicht als das Metall, aus dem unglaublich starke Magnete hergestellt werden. Wilson interessiert sich ebenfalls für Neodym.

Diese Elemente haben viele gemeinsame chemische Eigenschaften, was es schwierig macht, sie voneinander zu unterscheiden. Sie alle bilden Ionen mit einer Ladung von +3 und sie alle verbinden sich bevorzugt mit Nichtmetallen in der zweiten Reihe des Periodensystems (wie Sauerstoff und Stickstoff). Glücklicherweise unterscheiden sie sich leicht in ihrem Ionenradius oder ihrer Größe. Ihre Größen sind jedoch immer noch ziemlich ähnlich, mit nur einer Änderung des Radius von 16 % über die gesamte Reihe hinweg.

Trotz ihrer ähnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften haben die Seltenen Erden ihre Besonderheiten. Unterschiede in der Anzahl und Anordnung der Valenzelektronen verleihen jedem dieser Elemente unterschiedliche magnetische und optische Eigenschaften. Nur wenn wir sie in reinen Proben isolieren, können wir diese einzigartigen Eigenschaften nutzen.

Feinabstimmung der Technik

Der derzeitige Industriestandard zur Trennung der Seltenen Erden wird Flüssig-Flüssig-Extraktion genannt. Dabei werden ein organisches Lösungsmittel (wie Kerosin oder Benzol) und ein wasserbasiertes Lösungsmittel kombiniert. „An diesem Punkt ist es wie bei einem Salatdressing, wo man zwei Phasen hat, die sich nicht vermischen“, sagte Wilson. Daher fügen Chemiker dem organischen Lösungsmittel sogenannte Chelatbildner hinzu, die die Seltenen Erden binden sollen.

Der Schlüssel liegt darin, dass diese Chelatoren eine leichte Vorliebe für kleinere Atome haben, was es ihnen ermöglicht, eine Art von Seltenen Erden anhand ihrer Größe von einer anderen zu trennen. Dennoch ist der Prozess ziemlich ineffizient: Pro Extraktionszyklus werden nur ein paar Prozent angereichert. Um eine ausreichend reine Probe eines bestimmten Elements für die industrielle Verwendung zu erhalten, sind viele Flüssig-Flüssig-Extraktionszyklen erforderlich, was eine Menge chemischer Abfälle erzeugt.

Wilson und seine Co-Autoren von der Cornell University und der University of Nevada in Reno entwickelten optimierte Chelatbildner und ein Verfahren, das ohne organische Lösungsmittel auskommt. Dadurch werden Stoffe eliminiert, die oft entzündlich, krebserregend und giftig sind.

Die Autoren testeten ihre Methode in einer Lösung aus Dysprosium (Dy) und Neodym (Nd). Sie verwendeten einen speziellen Chelatbildner namens G-Macropa, um die größeren Nd-Atome zu binden, und fügten dann Natriumbicarbonat (auch bekannt als Backpulver) hinzu, um das kleinere Dy als Karbonatsalz auszufällen. Dieses kann einfach herausgefiltert und verarbeitet werden, um das reine Metall zurückzugewinnen. Durch Verringerung des Säuregehalts der verbleibenden Lösung konnten sie das Nd vom Chelatbildner trennen, der dann wiederverwendet werden kann.

Ein einziger Zyklus dieses neuen Verfahrens kann Dysprosium um mehr als den Faktor 800 konzentrieren, verglichen mit weniger als dem 10-fachen bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion.

„[I was very surprised] als mein Postdoc Yangyang mir die Daten der Elementaranalyse zeigte“, sagte Wilson. Nachdem das Team den Test zur Bestätigung der Ergebnisse wiederholt hatte, erkannte es, wie gut ihr Chelatbildner für diesen Trennungsprozess abgestimmt war.

Durch die Zusammenarbeit mit David Cantu, einem Professor an der UN Reno, konnten sie die Wirksamkeit von G-Macropa auf molekularer Ebene mit der anderer Chelatoren verstehen und vergleichen. Diese theoretischen Studien werden Wissenschaftlern dabei helfen, Analoga der zweiten Generation zu entwickeln.

Große Anwendungen und kleine Anpassungen

Diese Effizienz ist wichtig für die Skalierung des Prozesses, da der G-Macrophe-Chelator komplexer und damit teurer ist als die üblicherweise verwendeten. Das Team erforscht auch Chelatoren, deren Herstellung möglicherweise kostengünstiger ist.

Wilson und seine Co-Autoren konzentrierten sich auf die Trennung von Nd und Dy, da die beiden Elemente in Elektroschrott, insbesondere in Neodym-Magneten, in großen Mengen vorkommen. Tatsächlich führten sie ihre Experimente mit Elektroschrott durch, um dessen Potenzial hervorzuheben, Recycling zu einer wirtschaftlich rentablen Quelle für Seltene Erden zu machen.

Sie arbeiten daran, diese Technik an andere Ansammlungen von Seltenerdelementen anzupassen und sicherzustellen, dass sie mit hohen Konzentrationen von Seltenen Erden funktioniert, die industriellen Quellen ähnlicher sind.

Fortschritte bei der Trennung von Seltenen Erden könnten die Lieferketten dieser Metalle massiv beeinflussen. Die USA verfügen über große Vorkommen an Seltenen Erden, doch wichtige Umwelt- und Gesundheitsvorschriften hindern die amerikanische Industrie daran, mit China zu konkurrieren, wo diese Schutzbestimmungen viel laxer sind.

„Eine sauberere und effizientere Trennung dieser Elemente könnte möglicherweise die heimischen Vorräte an Seltenerdmetallen erschließen“, sagte Wilson. Dies wäre eine Win-Win-Situation für die nationale Sicherheit und die amerikanische Wirtschaft, da diese seltsamen Metalle immer wichtiger werden.