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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)

Trennung chemisch ähnlicher Seltenerdelemente is notoriously difficult. The primary industrial Verfahren is solvent extraction, specifically liquid-liquid counter-current extraction. This process exploits subtle differences in the partition coefficients of rare-earth ions between an aqueous phase and an immiscible organic phase containing a complexing agent. By repeating the process over hundreds of stages, high-purity individual elements can be isolated.

Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der differentiellen Verteilung. Die Seltenerdelemente, typischerweise als dreiwertige Ionen (RE³⁺) in einer sauren wässrigen Lösung, werden mit einem organischen Lösungsmittel (wie Kerosin) in Kontakt gebracht, das ein Extraktionsmittel enthält. Gängige Extraktionsmittel sind Organophosphorverbindungen wie Tributylphosphat (TBP) oder Di-(2-ethylhexyl)phosphorsäure (D2EHPA). Das Extraktionsmittel bildet einen Komplex mit den Seltenerdionen und macht diese dadurch in der organischen Phase löslich. Lanthanidenkontraktion, 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
– Chemical engineering

Typ

Chemischer Prozess

Störung

Substancial

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

  • industrial-scale production of high-purity Seltenerdelemente
  • 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

  • Extraktionssysteme auf Basis ionischer Flüssigkeiten als Ersatz für flüchtige organische Lösungsmittel, wodurch Sicherheit und Recyclingfähigkeit verbessert werden
  • Überkritische Fluidextraktion mit CO2 für eine umweltfreundliche und effiziente Trennung
  • Membranbasierte Lösungsmittelextraktion zur Reduzierung der Gerätegröße und des Energieverbrauchs
  • automated microfluidic systems for rapid, small-scale separation and analysis
  • Einsatz von Algorithmen des maschinellen Lernens zur Optimierung von Multiparameter-Extraktionsprozessen in Echtzeit
  • Biosorption und Biolaugung mit Mikroorganismen zur selektiven Anreicherung bestimmter Seltenerdelemente aus minderwertigen Erzen
  • Entwicklung hochselektiver Liganden und Extraktionsmittel mittels Computerchemie
  • elektrisch angetriebene Trennprozesse, die elektrische Felder zur Verbesserung des Massentransfers nutzen
  • Festphasenextraktion mit funktionalisierten Polymeren zur gezielten Elementerfassung
  • Integrierte Recyclingprozesse zur Rückgewinnung seltener Erden aus Elektroschrott mittels fortschrittlicher Lösungsmittelextraktion
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

1940
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1945-01-01
1949
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1950

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

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