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Lösungsmittelextraktion zur Trennung seltener Erden

1940
  • Frank Spedding
Laboraufbau zur Lösungsmittelextraktion für die Trennung von Seltenerdelementen in der chemischen Verfahrenstechnik.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Die Trennung chemisch ähnlicher Seltenerdelemente ist bekanntermaßen schwierig. Die gängigste industrielle Methode ist die Lösungsmittelextraktion, insbesondere die Flüssig-Flüssig-Gegenstromextraktion. Dieses Verfahren nutzt feine Unterschiede in den Verteilungskoeffizienten von Seltenerdionen zwischen einer wässrigen Phase und einer nicht mischbaren organischen Phase, die einen Komplexbildner enthält. Durch Wiederholung des Prozesses über Hunderte von Stufen können hochreine Einzelelemente isoliert werden.

The process relies on the principle of differential partitioning. The rare-earth elements, typically as trivalent ions ([latex]RE^{3+}[/latex]) in an acidic aqueous solution, are brought into contact with an organic solvent (like kerosene) containing an extractant. Common extractants include organophosphorus compounds like tributyl phosphate (TBP) or di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA). The extractant forms a complex with the rare-earth ions, making them soluble in the organic phase. Due to the lanthanide contraction, the stability of these complexes, and thus their tendency to move into the organic phase, varies slightly across the series. Lighter lanthanides (like lanthanum) are more basic and prefer the aqueous phase, while heavier lanthanides (like lutetium) are more acidic and have a greater affinity for the organic extractant.

In einem Gegenstromsystem fließen die wässrige und die organische Phase in entgegengesetzter Richtung durch eine Reihe von Stufen (Mischer-Abscheider). In jeder Stufe verteilen sich die Elemente entsprechend ihrem Verteilungskoeffizienten neu zwischen den beiden Phasen. Diese mehrstufige Kaskade verstärkt den kleinen Trennfaktor einer einzelnen Stufe und ermöglicht so die Trennung benachbarter Seltenerdelemente auf Reinheiten von über 99,99 %. Die Wahl des Extraktionsmittels, der pH-Wert der wässrigen Phase und die Temperatur sind kritische Parameter, die sorgfältig kontrolliert werden, um die Trennung für bestimmte Elemente zu optimieren. Diese Methode ersetzte die früheren, weitaus aufwändigeren fraktionierten Kristallisationsverfahren und ermöglichte die für die moderne Technologie benötigte Produktion von Seltenen Erden im großen Maßstab.

UNESCO Nomenclature: 3305
- Chemieingenieurwesen

Typ

Chemischer Prozess

Störung

Substanzielles

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Entdeckung nicht mischbarer Flüssigkeiten
  • Nernstsches Verteilungsgesetz zur Beschreibung der Aufteilung
  • Entwicklung der fraktionierten Kristallisation, einer früheren, weniger effizienten Trennmethode
  • Synthese organischer Komplexbildner
  • Fortschritte in den Prinzipien des chemischen Ingenieurwesens für mehrstufige Prozesse

Anwendungen

  • Produktion hochreiner Seltenerdelemente im industriellen Maßstab
  • Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen zur Trennung von Aktiniden wie Plutonium und Uran von Spaltprodukten
  • Hydrometallurgie zur Gewinnung von Metallen wie Kobalt und Nickel
  • Reinigung von Spezialchemikalien und Pharmazeutika

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

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Related to: solvent extraction, rare-earth separation, liquid-liquid extraction, hydrometallurgy, Ames laboratory, frank spedding, lanthanides, partition coefficient, mixer-settler, d2ehpa.

Historischer Kontext

Lösungsmittelextraktion zur Trennung seltener Erden

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1948
1950

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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