Het redden van zeldzame aardelementen uit elektronisch afval

Fabrikanten vertrouwen op zeldzame aardelementen, zoals neodymium, om sterke magneten te creëren die worden gebruikt in motoren voor elektronica, waaronder hybride auto’s, vliegtuiggeneratoren, luidsprekers, harde schijven en in-ear hoofdtelefoons. Maar minerale afzettingen die neodymium bevatten, zijn moeilijk te bereiken en worden op slechts enkele plaatsen op aarde gevonden.

Met de toenemende behoefte aan neodymium vanuit verschillende industrieën, is de aandacht gericht op het recyclen van de elementen die worden aangetroffen in oude computers en printplaten, ook wel bekend als elektronisch afval, om aan de vraag te voldoen. Maar het scheiden van de waardevolle elementen van andere mineralen en componenten in e-waste blijkt een uitdaging te zijn.

In een recent artikel in de Tijdschrift voor chemische technologie, Amir Sheikhi, assistent-professor chemische technologie en biomedische technologie, bij Penn State, beschrijft een nieuwe nanotechnologie om neodymium te scheiden met behulp van plantaardige cellulose, die wordt gevonden in papier, katoen en pulp. Patrictia Wamea, een voormalig lid van Sheikhi’s lab die in mei afstudeerde met een master of science-graad, was co-auteur van de paper en verdiende in het najaar van 2021 de Penn State Department of Chemical Engineering’s jaarlijkse Best Paper Award voor haar bijdragen.

Daarbij binden harige cellulose-nanokristallen, nanodeeltjes afgeleid van cellulosefibrillen, selectief aan neodymium-ionen en scheiden ze van andere ionen, zoals ijzer, calcium en natrium, volgens Sheikhi. De nanodeeltjes staan ​​bekend als “harig” vanwege de celluloseketens die aan hun twee uiteinden zijn bevestigd en die cruciale chemische functies vervullen.

Om dit te doen, hebben de onderzoekers de harige lagen van de nanodeeltjes negatief geladen om de positief geladen neodymium-ionen aan te trekken en eraan te binden, wat resulteert in deeltjesaggregatie tot grotere stukken die vervolgens effectief kunnen worden gerecycled en hergebruikt.

“Het proces is effectief in zijn verwijderingscapaciteit, selectiviteit en snelheid”, zei Sheikhi. “Het kan neodymium in seconden scheiden door het element selectief te verwijderen uit enkele van de geteste onzuiverheden.”

Volgens Sheikhi zijn de huidige recyclingprocessen voor zeldzame aardelementen schadelijk voor het milieu. Ze gebruiken vaak zeer zure omstandigheden om de elementen in chemische reacties te extraheren. Het proces van Sheikhi is milieuvriendelijk vanwege het gebruik van cellulose, een goedkope hernieuwbare hulpbron. Het traditionele mijnbouwproces is gevaarlijk en duur, met schadelijke milieueffecten van dagbouw.

“Het gebruik van cellulose als belangrijkste middel is een duurzame, kosteneffectieve en schone oplossing”, zei Sheikhi. “Door dit proces te gebruiken, zullen de Verenigde Staten in staat zijn om te concurreren met andere reuzen zoals China om zeldzame aardmaterialen terug te winnen en onafhankelijk te produceren.”

China is volgens Sheikhi de grootste exporteur van neodymium en exporteert meer dan 70% van de wereldvoorraad van het materiaal.

Naast e-waste kunnen zeldzame aardelementen zoals neodymium worden gewonnen uit industrieel afvalwater, mijnstaarten en permanente magneten die niet meer in gebruik zijn. In de toekomst zei Sheikhi dat hij hoopt dat het op cellulose gebaseerde adsorptieproces ook op die bronnen kan worden toegepast.

“Deze bijdrage aan de recycling van zeldzame aardmetalen zal een strategische en economisch haalbare impact hebben op verschillende industrieën”, zei Sheikhi. “Hoe meer neodymium we recyclen, hoe meer we elektrische en hybride voertuigen en windturbines kunnen produceren, wat leidt tot minder belasting van het milieu.”