Geen droge humor: scheiding van yttrium en europium efficiënter zonder water

Het is zeven uur en de wekker op je smartphone gaat af. Slaapdronken sleep je jezelf naar de keuken en drink je een kop koffie onder het licht van een spaarlamp. Haastig vertrek je vervolgens met de auto naar het werk, waar je de dag doorbrengt achter je computer. Smartphone, spaarlamp, auto en computer: allen bevatten ze zeldzame aardmetalen. Zonder het zelf te beseffen vormen deze schaarse grondstoffen een onmisbaar deel in ons leven. Het is hoog tijd om zorgzaam om te springen met deze belangrijke elementen.

Zeldzame aarden zeldzaam?

De term ‘zeldzame aarden’ is een verzamelnaam voor 17 elementen (scandium, yttrium en de lanthaniden) die chemisch en fysisch erg op elkaar gelijken en daardoor meestal samen in ertsafzettingen gevonden worden. In tegenstelling tot wat de naam doet vermoeden, zijn ze eigenlijk niet zo schaars. In de aardkorst komen de meeste zeldzame aarden even veel voor als pakweg koper of tin. Het is echter moeilijk om afzettingen te vinden die voldoende rijk zijn aan deze metalen om hun ontginning economisch of technisch mogelijk te maken.

Omdat zeldzame aarden onderling zo sterk op elkaar lijken, is de scheiding in de zuivere elementen niet vanzelfsprekend. Sommige hebben echter interessante chemische en fysische eigenschappen in hun zuivere vorm. Zo werd het bijvoorbeeld vanaf de jaren 60 belangrijk om zuiver europium en yttrium te verkrijgen voor gebruik in kleurentelevisies en buislampen. Heel wat moderne technologieën die cruciaal zijn voor de transitie naar duurzame energieopwekking bevatten eveneens zeldzame aarden. Zo vinden we in windturbines en elektrische wagens zeer krachtige magneten terug die neodymium en dysprosium bevatten.

Kritieke grondstoffen

China is de grootste producent van zeldzame aarden: het neemt zowat 90% van de wereldproductie voor zijn rekening. Ook andere landen hebben een voorraad aan zeldzame aarden, maar door de goedkopere productie verwierf China een dominante positie op de wereldmarkt. De importafhankelijkheid van Westerse landen ontging ook de Europese Commissie niet. In een driejaarlijks rapport worden zeldzame aarden gecategoriseerd als kritieke grondstoffen (Engels: critical raw materials) waarvoor dringend nieuwe bronnen gevonden moeten worden.

Hiervoor kunnen we een aantal mogelijkheden overwegen. Uiteraard kunnen nieuwe mijnen geopend worden: de Kvanefjeld-regio in Groenland, bijvoorbeeld, herbergt een gigantische voorraad aan zeldzame aarden (mogelijkerwijs de tweede grootste voorraad ter wereld). We moeten echter ook nadenken over de ecologische impact van een beslissing tot ontginning, die in dit geval navenant kan zijn. Uit milieuoverwegingen is een beter keuze wellicht recyclage, het recupereren van zeldzame aarden uit ons elektronisch afval en onze consumptiegoederen. Dit noemt men ‘urban mining’.

Fluorescentielampen, dit zijn buislampen en spaarlampen, hebben een groot potentieel in dit opzicht. De voornaamste zeldzame aarden in deze lampen zijn yttrium en europium. Het grote voordeel is dat ze reeds massaal ingezameld worden, voornamelijk omwille van het schadelijke kwik die ze bevatten. Door de groeiende populariteit van LED-technologie zal het gebruik van fluorescente lampen op langere termijn wellicht dalen. Het is dan van belang de afvalstroom goed te beheren en het yttrium en europium te recupereren. Beide elementen worden in heel wat andere toepassingen gebruikt. Yttrium kent bijvoorbeeld, naast het gebruik in fluorescentielampen, vele toepassingen in brandstofcellen en in gespecialiseerde keramische materialen. Europium kennen we van de fluorescerende markeringen op Euro-bankbiljetten en vinden we af en toe terug in LED-verlichting.

Duurzame scheiding van yttrium en europium

We hebben reeds eerder vermeld dat het niet gemakkelijk is de zeldzame aarden van elkaar te scheiden. Kenmerkend voor de processen die daarvoor ontwikkeld werden, zijn de bijzonder hoge kosten en een enorme impact op het milieu. Conventionele industriële processen maken gebruik van solventextractie, een techniek gebaseerd op twee niet-mengbare vloeistoffasen. Deze vloeistoffen zijn enerzijds water, waarin zich het oorspronkelijk metaalmengsel bevindt, en een organisch solvent met het extractant, een molecule dat een verschillende affiniteit vertoont voor de te scheiden zeldzame aarden. Dikwijls zijn tientallen tot honderden extractiestappen nodig en gaat dit gepaard met een groot verbruik van chemicaliën en water .

We onderzochten de mogelijkheid om een efficiënter extractieproces te ontwikkelen door water te vervangen door een duurzaam solvent. Hierbij hebben we bijzondere aandacht voor de procesveiligheid en de gezondheid van werknemers. Daarnaast moeten ook biogebaseerde en biologisch afbreekbare solventen bestudeerd worden. De voordelen van niet-waterige solventextractie zijn divers. Het zorgt niet alleen voor een efficiëntere scheiding met veel minder stappen, maar reduceert ook het verbruik van water en chemicaliën.

In het door ons ontwikkelde proces voor de scheiding van yttrium en europium wordt water vervangen door ethyleenglycol, beter gekend als koelvloeistof. Dit solvent is goedkoop, niet-ontvlambaar en veilig voor gebruik in industriële processen. Het kan gewonnen worden uit biomassa en commerciële processen om ethyleenglycol te halen uit cellulose of suikers bestaan al of worden onderzocht. Bij een vergelijking van het conventionele proces met het niet-waterige proces, blijkt dat met die nieuwe methode yttrium en europium veel efficiënter gescheiden worden. Het rendement van de scheidingsefficiëntie nam toe met een factor van circa 20 ten opzichte van waterige solventextractie. Verdere optimalisatie van het proces liet ons toe om yttrium en europium van elkaar te scheiden en te recupereren.

Het ontwikkelde proces toont aan dat niet-waterige solventextractie zeer efficiënt en selectief yttrium en europium kan scheiden. Dit biedt goede vooruitzichten voor de recyclage van fluorescentielampen. Omdat zeldzame aarden zo belangrijk zijn voor de duurzame ontwikkeling en de energietransitie en het tegelijk essentieel is om de grondstofvoorraden voor de toekomstige generaties niet te hypothekeren, zijn innovatieve processen zoals deze een belangrijke stap richting een duurzame, circulaire economie.