Forscher zeigen, wie einfache Magnete zur Lösung eines komplexen Problems beitragen können
Magnetfelder helfen bei der Rückgewinnung wertvoller Metalle aus Abfällen
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Von Mobiltelefonen über Windturbinen bis hin zu Raketenabwehrsystemen - moderne Technologien sind auf wichtige Mineralien wie Seltene Erden angewiesen. Da die Nachfrage steigt, erforschen Forscher effizientere und anpassungsfähigere Methoden zur Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser Materialien. Eine neue Studie legt nahe, dass Magnete diesen Prozess effizienter machen.
Eine neue Studie von Forschern der Ole Miss und des Pacific Northwest National Laboratory hat gezeigt, dass Magnete eine Rolle bei der Gewinnung von Seltenen Erden spielen könnten, die für die moderne Technologieproduktion entscheidend sind.
Graphic by Cole Russell/University Marketing and Communications
Abfälle aus Kohlekraftwerken, Bergbaubetrieben sowie Öl- und Gasbohrungen enthalten Spuren von Seltenen Erden wie Dysprosium und Lanthan, die in Elektrofahrzeugen, wiederaufladbaren Batterien und in der Verteidigungstechnik verwendet werden.
Die derzeitigen industriellen Methoden zur Gewinnung dieser Elemente aus einheimischen Rohstoffen beruhen auf komplexen Prozessen, die energie-, kosten- und zeitaufwändig sind und erhebliche chemische Abfälle produzieren.
Ivani Jayalath, Doktorand an der University of Mississippi, arbeitete mit einem Forscherteam der Non-Equilibrium Transport Driven Separations Initiative am Pacific Northwest National Laboratory zusammen, um neue Methoden zur Gewinnung kritischer Mineralien zu entwickeln. Ihre Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Separation and Purification Technology veröffentlicht wurden, zeigen, dass Magnete diesen Prozess rationalisieren und gleichzeitig den Energie- und Chemikalienverbrauch sowie die Abfallerzeugung reduzieren.
"Es besteht ein dringender Bedarf an Seltenen Erden aufgrund der jüngsten technologischen Fortschritte und der Unterbrechung der Versorgungskette", so Giovanna Ricchiuti, Postdoktorandin am National Laboratory und Erstautorin der Studie. "Dies stellt eine Herausforderung dar, da die meisten dieser Elemente sehr ähnliche chemische und physikalische Eigenschaften haben. Aufgrund dieser Ähnlichkeiten ist es sehr schwierig, eine effiziente Methode zu finden, um sie zu trennen.
"Wir nutzen kleine Unterschiede in der magnetischen Suszeptibilität oder dem magnetischen Moment dieser Ionen aus. Auf der Grundlage dieser kleinen Unterschiede nutzen wir Magnetfeldgradienten, um einen selektiven Transport und eine Trennung zu erreichen.
Trotz der Ähnlichkeiten zwischen den Elementen reagieren sie unterschiedlich auf Magnetfeldgradienten, so dass die Forscher einen einfachen Dauermagneten verwenden können, um die gewünschten Elemente von anderen Komponenten in flüssigen Rohstoffen zu trennen, so Jayalath, ein Doktorand der Ole Miss in Chemie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden sei das Verfahren auch schneller und verursache weniger chemische Abfälle, sagte sie.
"Bei herkömmlichen Trennmethoden werden große Mengen organischer Lösungsmittel verwendet", so Jayalath. "Dies erhöht die Entsorgungskosten und kann schädliche Auswirkungen auf die Umwelt haben.
"Der Einsatz von Magneten bietet eine einfache und potenziell nachhaltigere Möglichkeit, Trennungsprozesse zu unterstützen. In unserer Studie trugen Magnetfelder dazu bei, den selektiven Ionentransport und die Konzentration aus der Lösung voranzutreiben."
Das nationale Labor hat ein Bildgebungssystem entwickelt, das mit Hilfe von Lasern die Bewegung von Ionen in Echtzeit erfasst, so Ricchiuti. Mit diesem System können die Forscher Anreicherungszonen - Bereiche, in denen Ionen als Reaktion auf den Magneten konzentriert werden - und Verarmungszonen - Bereiche, in denen Ionen vom Magneten abgestoßen werden - beobachten.
"Das Magnetfeld erzeugt dynamische 'Ionenkonzentrationswellen' und Anreicherungs- oder Verarmungszonen aufgrund des Zusammenspiels von magnetischer Drift, Diffusion und selbsterzeugten elektrischen Feldern", sagte sie.
Als die Forscher ein Fällungsmittel mit einem Magnetfeld kombinierten, beobachteten sie eine verstärkte Kristallisation der gelösten Seltenen Erden, wodurch diese leichter zu extrahieren waren.
Auch wenn es sich hierbei um eine erste Studie handelt, ist die Einführung eines magnetbasierten Ansatzes ein vielversprechender Schritt zur Verbesserung der derzeitigen Extraktionsverfahren, so das Team.
"Die Welt ist auf der Suche nach einer robusten und nachhaltigen Energie- und Versorgungskette für kritische Mineralien", sagte Jayalath. "Wir brauchen diese Elemente für Elektroautos, Batterien und andere Technologien. Sie sind also für die Zukunft unverzichtbar.
"Deshalb müssen wir uns darauf konzentrieren, wie wir diese Elemente effizient gewinnen und recyceln können."
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