Magnete trennen Gemische von Seltenerdmetallen

In unseren Taschen haben wir, ohne es zu wissen, 75 aller 118 Elemente des Periodensystems – und zwar in Form von Smartphones, Tablets oder Laptops. Einige von ihnen stehen in ausreichenden Mengen zur Verfügung, wie Silizium in Computerchips oder Aluminium in Gehäusen von Geräten. Bestimmte Metalle, die für scharfe Anzeigen und klare Klänge erforderlich sind, sind jedoch rar. Im Mittelpunkt der Engpässe stehen 17 Elemente, die als Seltenerdmetalle bekannt sind. Sie werden für zahlreiche Technologien benötigt. Es gibt nur wenige Lagerstätten, und beim Abbau kommen umweltschädliche Verfahren zur Anwendung.

Deshalb haben Forscher der University of Pennsylvania ein neues Recyclingverfahren entwickelt. Ihr Ziel war es, Gemische von Seltenerdmetallen mithilfe eines Magnetfelds effizienter zu trennen. Dabei benötigen sie weitaus geringere Mengen an umweltschädlichen Chemikalien als bei etablierten Verfahren.

Magnetische Eigenschaften erleichtern die Trennung

Zum Hintergrund: Der Standardansatz für die Trennung von Gemischen seltener Erden besteht darin, Rückstände oder Erze in starken Säuren zu lösen. Anschließend führt man chemische Reaktionen durch, bei denen es zum Phasenwechsel kommt. Wässrige Flüssigkeiten mit den Salzen werden mit organischen Lösungsmitteln überschichtet. Dann bewegen sich einzelne Metallionen aus der wässrig-sauren in die organische Phase – mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, je nach Eigenschaften des Metalls.

Schwierig ist, dass sich Elemente der seltenen Erden in ihren Eigenschaften kaum voneinander unterscheiden. Das macht Trennungsvorgänge auf Basis chemischer Reaktionen zu einem zeitintensiven Vorgang, inklusive großer Mengen an Chemikalienabfall. „Solche Trennverfahren funktionieren gut, wenn man jeden Vorgang 10.000 Mal macht, aber einzelne Schritte sind ineffektiv“, sagt Eric Schelter von der University of Pennsylvania.

Doch der Forscher fand einen Trick: Seltenerdmetalle unterscheiden sich in der Zahl und der Paarung ihrer Elektronen. Damit haben sie unterschiedliche magnetische Eigenschaften. Dieser sogenannte Paramagnetismus beschreibt, wie stark Elemente in ein Magnetfeld hineingezogen werden. Bisherige Versuche, den Paramagnetismus mit einer chemischen Reaktion oder einem Phasenübergang zu verbinden, waren aber gescheitert, wie Schelter berichtet.

Kristallisation und Magnetfeld werden kombiniert

Doch der Forscher hatte eine Idee. Er schaltete das Magnetfeld ein und verringerte die Temperatur der Lösung. Tatsächlich führte die Kombination zweier physikalischer Parameter dazu, dass Metallsalze mit unterschiedlicher Geschwindigkeit kristallisierten. Danach konnten sie relativ einfach per Filtration abgetrennt werden. „Wir verwenden oft niedrigere Temperaturen, um Materialien zu kristallisieren“, erklärt Robert Higgins. Er arbeitet ebenfalls an der University of Pennsylvania und leitete die Studie. Wie wichtig dieser Parameter eigentlich sei, habe man zuvor jedoch unterschätzt.

Mit ihrem Ansatz untersuchten Higgins und Schelter verschiedene Testgemische mit seltenen Erden. Ihnen gelang es, schwere seltene Erden wie Terbium und Ytterbium effizient und selektiv von leichteren Metallen wie Lanthan und Neodym zu trennen. Beispielsweise erhielten sie aus einer Probe mit gleichen Anteilen von Lanthan und Dysprosium in nur einem Schritt Dysprosium in 99,7 % Reinheit. Um dieses Ergebnis zu erzielen, hätte man bei einer konventionellen Herangehensweise einzelne Trennungen durchführen müssen.

Recycling von Seltenerdmetallen verbessern

In nächsten Schritt wollen Forscher die Effizienz ihres Verfahrens noch weiter verbessern. Dabei untersuchen sie, wie Magnetfelder mit chemischen Lösungen interagieren. Higgins sieht in der Studie einen wichtigen ersten Schritt, um das Recycling von Seltenerdmetallen bei der Industrie zu optimieren. „Je schneller wir neue Wege finden, um Trennungen effizienter durchzuführen, desto schneller können wir einige der geopolitischen und klimatischen Probleme, die mit dem Abbau und Recycling von seltenen Erden verbunden sind, verbessern“, sagt der Wissenschaftler. Der Bedarf ist groß. Momentan  kommen seltene Erden vor allem aus folgenden Ländern:

• China (Jahresproduktion 2018: 15.000 Tonnen)
• Australien (15.000 Tonnen)
• USA (5.000 Tonnen)
• Russland (2.800 Tonnen)

Ein Teil wird für Dauermagnete verwendet. Doch die Mobilfunksparte benötigt steigende Mengen an Dysprosium, Neodym, Praseodym, Terbium und anderen Metallen.  Etwa ein Drittel der Weltbevölkerung hat mittlerweile ein Smartphone – Tendenz steigend. In einigen Jahrzehnten könnten die Vorkommen langsam zur Neige gehen. Umso wichtiger wird es, Elektroschrott effizient aufzuarbeiten.

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