Poröse Monolithe für SEE Recycling aus atypischen Quellen

Seltenerdelemente (SEE) sind eine Gruppe von 17 Elementen, die die Metallen der Lanthanreihe, sowie Scandium und Yttrium, einschließt. SEEs sind fur viele Technologien unentbehrlich, und daher für die internationale Wirtschaft bedeutend. Der Vorrat von SEEs ist allerdings aus politschen und ekonomischen Grunden potentiell gefährdet, weil mehr als 90% der weltweiten SEE-Produktion von einer einzigen Quelle (China) stammt. Es ist daher wichtig, neue SEE-Rohstoffe zu erkunden, sowie neue und verbesserte Aufreinigungsmethoden zuentwickeln. Festphasenextraktion(SPE)ist eine vielversprechende Gruppe von SEE Wiedergewinnungstechniken, die gerade entwickelt werden. SPE umfasst den Einsatz eines Feststoffes zur selektiven SEE-Adsorption. Die festen Adsorbentien haben eine hohe Affinität für SEEs im Vergleich mit anderen Metallen, wodurch diese in der festen Phase aufkonzentriert werden. Als besonders vielversprechende Adsorbentien für die SEE-Extraktion zeigen sich mesoporöse Siliziumdioxid-, Kohlenstoff- und Siliziumdioxid-Kohlenstoff Verbundwerkstoffe. Obwohl bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von großtechnischen Anwendungen gemacht wurden, vor dem praktischen Gebrauch gibt es noch einige große Hürden zu überwinden. Primär, um eine SPE anwendbar zu machen, muss das Adsorbtionsmittel schnell, großen Volumina an Ausgangslösung ausgesetzt werden, was typischerweise durch Pumpen des Einsatzmaterials durch ein mit dem Adsorbens gefülltes Volumen erreicht wird. Problematisch hierbei ist, dass die meisten mesoporösen Materialien unter kontinuierlichem Fluss Verstopfungen verursachen können. Um dieses Problem zu lösen, werden die Adsorbensmaterialien als hierarchisch poröse Monolithen synthetisiert, was Verstopfungen beseitigen kann, während sie dennoch eine große Oberfläche für die Adsorption aufweisen. Die geringe SEE- Adsorptionskapazität vieler mesoporöser Materialien im Vergleich zu anderen Adsorbentien ist ein potenzielles Problem, aber neuartige Funktionalisierungstechniken werden die Adsorptionskapazität und Selektivität für SEEs verbessern. Letztendlich wurde bisher wenig daran gearbeitet, mesoporöse Materialien mit realen SEE-Werkstoffen zu testen. Die funktionalisierten mesoporösen Monolithen werden verwendet werden, um SEEs direkt aus realen Ausgangsstoffen zu gewinnen und zu reinigen, um den nächsten Schritt in Richtung industrieller Anwendung zu machen. Die Verwendung mesoporöser Monolithe wird letztendlich die Rückgewinnung und Reinigung einzelner Seltenerdelemente aus nicht traditionellen Rohstoffen ermöglichen, was zur Milderung der mit modernen SEE-Bergbaupraktiken verknüpften wirtschaftlichen und ökologischen Probleme beitragen würde.

Die Seltenen Erden (REEs) sind eine Gruppe von 17 Elementen, die aus den Metallen der Lanthanidenreihe sowie Scandium und Yttrium bestehen. Seltene Erden sind wichtige Bestandteile vieler sich entwickelnder Technologien, insbesondere im Bereich der sauberen Energie, und daher für die internationale Wirtschaft von entscheidender Bedeutung. REEs werden jedoch weltweit nur an wenigen Standorten produziert, so dass die Versorgung mit REEs aufgrund politischer und wirtschaftlicher Probleme potenziell gefährdet ist. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, neue REE-Rohstoffe zu erforschen und neue und verbesserte Methoden für die REE-Reinigung zu entwickeln. In dieser Studie wurden zwei verwandte experimentelle Materialien, hierarchisch poröse Siliziumdioxid-Monolithen und Siliziumdioxid-Monolith-Pulver, für die REE-Rückgewinnung bewertet. Diese Materialien sind für die selektive Rückgewinnung von Seltenen Erden aus wässrigen Rohstoffen wie sauren Minenabwässern oder geothermischen Flüssigkeiten mittels einer als Festphasenextraktion (SPE) bezeichneten Technik vorgesehen, bei der ein festes Material bestimmte Metalle aus einem flüssigen Ausgangsmaterial adsorbiert und diese Metalle auf dem Feststoff konzentriert und reinigt. Diese beiden Sorbentien bieten zahlreiche Vorteile für die SPE von REEs, insbesondere ihre große Adsorptionsoberfläche (mit oder ohne aufgepfropfte Liganden auf den Silika-Oberflächen) und die Möglichkeit eines schnellen, großvolumigen Transports des Ausgangsmaterials durch das Sorptionsmittel. Unfunktionalisiertes Siliziumdioxid eignet sich besonders gut für die Extraktion von Scandium (Sc), da es von Natur aus eine hohe Affinität zu diesem Metall besitzt. Für dieses Projekt wurden Monolithe verschiedener Typen nach etablierten Methoden synthetisiert, wobei der Schwerpunkt auf größeren Monolithen lag, um die Technik dem industriellen Maßstab näher zu bringen. Zwar wurde im Laufe des Projekts eine neuartige Technik zur Anwendung größerer Monolithen für die REE-Extraktion entwickelt, doch gibt es derzeit und in Zukunft erhebliche Hindernisse für die Synthese von Monolithen, die groß genug für den praktischen industriellen Einsatz sind. Daher wurden als Alternative pulverförmige Siliziumdioxidmonolithe getestet, die für die selektive Metallgewinnung noch weitere Vorteile bieten könnten. Die Anwendung der Pulver umgeht die Herausforderungen der Herstellung sehr großer Monolithe und bietet ein flexibleres Paket, das an viele verschiedene Extraktionssysteme angepasst werden kann. Diese Monolith-Pulver wurden systematisch für die Sc-Extraktion sowohl in Batch- als auch in kontinuierlichen Säulensystemen getestet und zeigen ein ausgezeichnetes Potenzial für die Sc-Rückgewinnung bei einer Reihe von Bedingungen, sogar ohne die Oberflächenmodifikation, die üblicherweise bei den meisten fortschrittlichen, synthetischen Sorbentien angewendet wird. Auslaugungen von Rotschlamm, einer Art Abfall aus dem Aluminiumbergbau, werden demnächst als potenzielles Sc-Einsatzmaterial getestet, das mit diesem pulverförmigen Monolith-Sorptionsmittel ausgewertet werden könnte. Künftige Arbeiten werden auf der hochgradig anpassungsfähigen Grundlage hierarchisch-poröser Siliziumdioxid-Monolith-Pulver aufbauen und sie chemisch so verändern, dass sie auf andere spezifische Metalle abzielen, sowie den gesamten SPE-Prozess für ihre Anwendung entwickeln.