Photochemical Recovery of Europium from Rare Earth Mixtures

Zeldzame aarden: van drone tot smartphone

Het begrip zeldzame aarden (Eng.: Rare Earth Elements, REE) klinkt waarschijnlijk niet echt bekend in de oren, maar iedereen maakt dagelijks gebruik van toepassingen waarin deze chemische stoffen in zitten verwerkt. Namen als europium, yttrium, dysprosium of praseodymium klinken exotisch en doen allicht geen belletje rinkelen, maar onze huidige samenleving zou ineenstorten zonder het gebruik van deze chemische elementen in tal van toepassingen.

Wat zijn zeldzame aarden?

De zeldzame aarden zijn, zoals hun naam reeds doet vermoeden, zeer schaars. Wereldwijd zijn er tal van ertsen die deze elementen bevatten, en sommige van deze elementen komen veel vaker voor dan bijvoorbeeld goud of platina, maar er zijn amper plaatsen te vinden waar de concentratie hoog genoeg is om een rendabele mijn te openen. Anders dan goud, dat typisch geconcentreerd in rijke goudaders voorkomt, komen de zeldzame aarden slechts verspreid in gesteenten voor en bovendien komen ze vaak voor in mineralen die aanzienlijke hoeveelheden radioactieve stoffen bevatten.

Aanvankelijk maakten de eerste toepassingen van zeldzame aarden gebruik van mengsels van deze 17 scheikundige elementen en niet van zuivere elementen. De belangrijkste reden hiervoor was dat de zeldzame aarden nagenoeg identieke chemische en fysische eigenschappen bezitten, waardoor ze moeilijk van elkaar te scheiden zijn. Aangezien ze steeds in groep voorkomen in ertsafzettingen, werd er dan ook geen tijd, geld en moeite gestoken om ze te scheiden en werden ze zodoende als mengsel gebruikt.

Na verloop van tijd werd duidelijk dat deze elementen in zuivere vorm enkele interessante eigenschappen vertoonden, die een revolutie betekenden in verschillende sectoren. Het gebruik van zeldzame aarden in uitlaatkatalysatoren en aandrijvingsmagneten voor hybride en elektrische wagens zorgde voor een boost van nieuwe technologieën om wagens milieuvriendelijker te maken. De ontwikkeling van permanente magneten van zeldzame aarden, die in windturbines de kinetische energie in stroom kunnen omzetten, leidde dan weer tot een doorbraak in het opwekken van groene stroom. Daarnaast zijn de zeldzame aarden een belangrijke component in onder andere spaarlampen, militaire precisiewapens en LASERs.

De noodzaak van recyclage

De toenemende interesse in zeldzame aarden heeft echter ook een keerzijde: de reeds van nature zeldzame elementen worden door de stijgende consumptie schaarser en schaarser, en daardoor ook duurder en duurder. De prijsstijging wordt nog meer versterkt door de economische en geopolitieke context. Hoewel de natuurlijke reserves van zeldzame aarden her en der verspreid liggen, gebeurt meer dan 90% van de productie in China. Dit leidt tot een quasi-monopolie, en bijgevolg een zeer sterke en invloedrijke positie van China ten opzichte van het Westen, dat sterk afhankelijk is van Chinese export. Aangezien de groeiende Chinese economie een grote toenemende binnenlandse vraag naar zeldzame aarden teweegbrengt, voert China steeds minder zeldzame aarden uit. Om dit effect te compenseren, moeten westerse landen op zoek naar nieuwe bronnen van zeldzame aarden. Dit kan op twee manieren: het aanboren van onontgonnen natuurlijke reserves, zoals bijvoorbeeld in Groenland, of het recycleren van zeldzame aarden uit afval van consumptiegoederen, het zogenaamde ‘urban mining’.

Deze laatste optie, urban mining, is een interessante invalshoek, maar kan slechts gebeuren wanneer een aantal voorwaarden voldaan zijn. Vooreerst moet er een voldoende grote afvalstroom zijn, waarin de hoeveelheid zeldzame aarden groot genoeg is. Ten tweede moet de inzameling van deze afvalproducten op een efficiënte manier kunnen gebeuren. Ten derde moet de prijs van commerciële zeldzame aarden voldoende hoog zijn, zodat het economisch gezien rendabel is om aan recyclage te doen. Tenslotte moet er een efficiënte techniek voorhanden zijn om de zeldzame aarden uit de afvalstroom te recupereren. Zoals eerder vermeld, is de scheiding van zeldzame aarden zeer duur en tijdrovend. Het is echter  een cruciale stap aangezien zeldzame aarden in hun toepassingen in zeer zuivere vorm aangewend worden.

Innovatieve scheiding van zeldzame aarden

Conventionele scheidingsmethoden voeren de scheiding uit op basis van de zeer kleine chemische verschillen tussen de elementen. Omdat deze chemische eigenschappen echter zo gelijkaardig zijn, is de scheiding niet selectief en zijn er bijgevolg honderden achtereenvolgende scheidingsstappen nodig om een significante zuiverheid te bekomen. Het doel van de nieuwe techniek is om heel selectief de eigenschappen van één element eerst te veranderen, zodat de chemische verschillen tussen beide elementen vergroot worden. Het gewijzigde element kan dan veel eenvoudiger en efficiënter gescheiden worden van de andere, onveranderde elementen in het mengsel.

Dit eindwerk onderzoekt de perspectieven van een nieuwe en innovatieve scheidingstechniek om zeldzame aarden uit compacte fluorescerende lampen (CFL’s of spaarlampen) te recycleren. Deze afvalstroom is bijzonder interessant door de vele lampen die gebruikt worden en de inzameling van deze lampen reeds efficiënt gebeurt. Er zit namelijk kwik in deze lampen, waardoor de recuperatie ervan wettelijk verplicht en gereglementeerd is. Daarnaast is de concentratie van zeldzame aarden in de lampen relatief hoog en bezitten de specifieke elementen ook een hoge economische waarde.

Daarom wordt de scheiding van europium en yttrium, de twee meest voorkomende zeldzame aarden in deze lampen, in dit eindwerk onder de loep genomen. Onder invloed van UV-belichting wordt europium selectief gereduceerd (fotochemische reductie), waardoor dit element een ander chemisch karakter vertoont. Yttrium kan niet gereduceerd worden en blijft onveranderd. De verandering in het chemische karakter van europium laat toe om dit selectief en efficiënt te scheiden van yttrium. Op die manier kan nagenoeg al het europium uit het mengsel gehaald worden, terwijl yttrium volledig achterblijft. De invloed van verschillende reactieomstandigheden werd grondig onderzocht om de optimale scheidingscondities te bepalen.

De resultaten bewijzen dat deze fotochemische scheidingstechniek voor zeldzame aarden door de hoge selectiviteit en efficiëntie een enorm potentieel vertoont voor de recuperatie van europium uit spaarlampen. Om tegemoet te komen aan de stijgende vraag naar zeldzame aarden, kunnen innovatieve technieken zoals deze een antwoord bieden op het recyclagevraagstuk. Een duurzaam recyclagebeleid is namelijk essentieel om te blijven voldoen aan de alsmaar toenemende consumptie van zeldzame aarden, en toekomstige generaties te vrijwaren van uitgeputte natuurlijke reserves.