La technologie de séparation des éléments de terres rares sous licence à Marshallton

Une technologie révolutionnaire de séparation des éléments des terres rares sous licence à Marshallton

Les scientifiques du Oak Ridge National Laboratory Santa Jansone-Popova, à gauche, et Ilja Popovs quantifient les concentrations d’éléments de terres rares dans des échantillons liquides à l’aide d’un instrument de spectroscopie. Crédit : Genevieve Martin/ORNL, US Dept. of Energy

Une nouvelle technologie de séparation chimique des éléments de terres rares a été concédée sous licence à Marshallton Research Laboratories, un fabricant de produits chimiques organiques basé en Caroline du Nord pour un éventail d’industries.

Développée par des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge et du laboratoire national de l’Idaho du Critical Materials Institute du ministère de l’Énergie, ou CMI, la technologie donne un aperçu de la façon de séparer de manière rentable les éléments de terres rares en demande, ce qui pourrait considérablement faire évoluer l’industrie pour en bénéficier. producteurs aux États-Unis.

Les propriétés électroniques uniques des éléments de terres rares, ou terres rares, un groupe de 17 éléments métalliques qui comprend 15 lanthanides plus l’yttrium et le scandium, les rendent essentiels pour la production d’électronique, de technologies optiques, d’alliages et d’aimants haute performance. Ces puissants aimants permanents sont essentiels à la technologie de l’énergie propre et aux applications de défense.

Les terres rares individuelles ne se trouvent pas en concentrations exploitables dans la croûte terrestre, mais sont naturellement minéralisées ensemble et doivent être chimiquement séparées pour être utilisées pour des applications technologiques. Leurs similitudes physiques et chimiques les rendent extrêmement difficiles et coûteux à séparer tout en générant beaucoup de déchets. L’extraction et la séparation des terres rares pour des applications technologiques se produisent en grande partie à l’étranger.

Pour répondre au besoin croissant de ces matériaux et limiter la dépendance du pays vis-à-vis des sources étrangères, les scientifiques de l’ORNL et de l’INL travaillant sous la bannière de CMI, un centre d’innovation énergétique du DOE dirigé par le laboratoire Ames, ont appliqué leur profonde expertise en synthèse chimique, séparations, et l’ingénierie pour concevoir et produire de nouveaux agents d’extraction à base de ligands diglycolamide, ou DGA, et un procédé correspondant pour séparer les lanthanides qui surpasse la technologie actuelle.

« Chez Marshallton, notre objectif est de devenir un fournisseur national et stratégiquement fiable d’extractants DGA pour les éléments des terres rares. Nous prévoyons desservir des usines pilotes et des opérations commerciales dans le traitement du minerai, la récupération des résidus miniers et le recyclage », a déclaré Mac Foster, copropriétaire de Marshallton et collaborateur sur la technologie. « Nous sommes ravis d’explorer davantage ce que ces nouveaux extractants peuvent réaliser. »

Les terres rares sont commercialement séparées à l’aide d’une extraction liquide-liquide, qui utilise des ligands (molécules organiques composées d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote) comme agents d’extraction pour lier sélectivement les ions terres rares. Un solvant huileux contenant l’extractant est vigoureusement mélangé avec une solution aqueuse riche en terres rares, puis on le laisse se séparer de la même manière que l’huile et le vinaigre pour la vinaigrette. Au cours de ce processus, les terres rares sont transférées dans le solvant organique formant des complexes avec les molécules d’extraction. Les DGA présentent une affinité plus élevée pour les lanthanides avec un rayon ionique plus petit, ce qui permet de séparer les terres rares individuelles les unes des autres en plusieurs étapes.

“Notre objectif était d’identifier un extractant qui surpasse les performances des ligands de pointe actuellement utilisés dans l’industrie”, a déclaré Santa Jansone-Popova de l’ORNL. “Le composé largement utilisé est un extractant à base de phosphore, appelé PC88A, et comme sa sélectivité est relativement faible, de nombreuses étapes de séparation sont nécessaires ainsi que la génération de déchets supplémentaires tout au long du processus.”

La sélectivité fait référence au degré auquel un solvant préfère un métal à un autre et est décrite par une unité appelée facteur de séparation. Par exemple, lorsqu’on cherche à séparer les lanthanides adjacents néodyme et praséodyme, tous deux utilisés dans des aimants de grande puissance, le facteur de séparation de l’extractant à base de phosphore est d’environ 1,2, ce qui est très faible.

Une technologie révolutionnaire de séparation des éléments des terres rares sous licence à Marshallton

Jansone-Popova, à droite, utilise un système de chromatographie automatisé pour purifier le diglycolamide, un extracteur utilisé pour la séparation des terres rares. Popovs prépare des échantillons pour l’analyse à l’aide d’un robot de pipetage. Crédit : Genevieve Martin/ORNL, US Dept. of Energy

“Vous devez exécuter l’extraction de nombreuses fois pour séparer complètement les lanthanides adjacents. Nous devons améliorer l’économie du processus, réduire les déchets, réduire la complexité, limiter les étapes nécessaires pour réaliser la séparation”, a déclaré Jansone-Popova.

La division des sciences chimiques de l’ORNL avait expérimenté un DGA alternatif appelé TOGDA, qui a un facteur de séparation de 2,5, déjà une grande amélioration par rapport à l’extractant à base de phosphore. Cependant, une variable clé dans l’économie du processus est la capacité de charge – combien de grammes par litre d’agents d’extraction peuvent être contenus dans le solvant organique sans effets indésirables. TODGA ne pouvait traiter qu’environ un cinquième de ce que l’extrait à base de phosphore pouvait.

« Les concentrations d’agents d’extraction auxquelles nous étions limités n’étaient pas adéquates par rapport à la norme de l’industrie. À des concentrations plus élevées, nous nous heurtons à des phénomènes tels que la gélification ou la précipitation, qui nuisent au processus », a déclaré Kevin Lyon, ingénieur chimiste de l’INL spécialisé dans les applications extraction par solvant qui a testé et développé la conception du processus pour la technologie sous licence. « Si vous considérez le processus comme une bande transporteuse, nous voulons pouvoir charger cette bande transporteuse aussi haut que possible, ou au moins être compétitive par rapport à ce que fait l’industrie, pour la rendre rentable. »

Jansone-Popova a reconnu qu’en modifiant chimiquement la structure des DGA, elle pourrait améliorer leurs propriétés et leur efficacité dans l’extraction des terres rares.

Son équipe à l’ORNL a commencé une approche systématique pour apporter des modifications structurelles aux ligands DGA en ajoutant une gamme de substituants connus sous le nom d’alkyles, des groupes organiques gras qui contiennent exclusivement des atomes d’hydrogène et de carbone. Ces groupes peuvent être organisés en différentes configurations structurelles. Par exemple, leur longueur et leur forme peuvent être modifiées, des branches créées ou des chaînes linéaires transformées en arrangements cycliques.

L’équipe de l’ORNL a transmis les ligands d’essai à Lyon pour les tester dans des conditions d’exploitation industrielles à l’aide d’un système d’extraction par solvant à contre-courant, une série de récipients qui mélangent et décantent les matériaux pour séparer les composés ETR par une séquence d’étapes d’extraction liquide-liquide.

Pendant le mélange, les ligands attirent les ions métalliques à l’aide de groupes donneurs riches en électrons, liant les ions métalliques de manière coordonnée. L’extraction de certains lanthanides par rapport à d’autres dépend de ligands ayant le bon nombre et la bonne disposition de groupes fonctionnels – des atomes au sein d’une molécule qui peuvent maintenir une fonctionnalité indépendamment des autres atomes de la molécule – ainsi que la taille des ligands et leur capacité à se mélanger avec l’huile solvant organique.

L’équipe de l’ORNL a conçu, synthétisé et testé une bibliothèque de ligands chimiquement modifiés, en collaboration avec Lyon, réduisant le champ de nouveaux agents pour une application industrielle qui pourraient potentiellement surpasser la technologie de pointe en matière de sélectivité des terres rares. Chaque agent fonctionne différemment en fonction de son agencement physique et de l’activité électronique qu’il provoque.

“L’extractant TOGDA, lorsqu’il est saturé d’ions REE, se transformerait rapidement de la phase liquide en un gel ou un précipité”, a déclaré Jansone-Popova. “Les nouveaux ligands DGA permettent au système de rester homogène même à des concentrations d’extractant plus élevées et de maintenir une bonne sélectivité.”

Une technologie révolutionnaire de séparation des éléments des terres rares sous licence à Marshallton

Kevin Lyon, un ingénieur chimiste du Laboratoire national de l’Idaho avec une expertise dans l’extraction par solvant appliquée, exploite un système d’extraction par solvant à contre-courant pour tester et développer la conception du processus pour la technologie de séparation. Crédit : INL, US Dept. of Energy

En séparant les terres rares, les nouveaux ligands ont atteint une plage de sélectivité de 2,5 à 3,1, une amélioration stupéfiante pour ces matériaux critiques.

L’équipe a ensuite relevé le défi d’étendre le processus pour qu’il soit viable pour l’industrie.

“Le processus était très itératif ; des changements infimes dans les structures de ces molécules ont un impact”, a déclaré Lyon. “En fin de compte, une nouvelle technologie doit être économiquement viable. Nous sommes très motivés par les contributions de l’industrie et les méthodes qu’elle utilise.”

« La plupart des extractants de terres rares ont un facteur de séparation d’environ 1,5 pour les lanthanides adjacents de la série. Si nous arrivons à 2, c’est bien. Si nous arrivons à 2,5, cela commence vraiment à économiser de l’argent. Si nous pouvons atteindre 3, nous ‘ Nous sommes vraiment heureux. Nous sommes arrivés à 6,7 avec l’un des ligands du Père Noël », a déclaré Bruce Moyer de l’ORNL, qui dirige le domaine d’intervention du CMI pour la diversification de l’offre et est un collaborateur de la technologie sous licence.

Le travail de l’équipe du CMI a été décrit dans Chimie inorganique. Les co-auteurs incluent Santa Jansone-Popova de l’ORNL, Bruce Moyer, Ilja Popovs, Camille Albisser, Vyacheslav Bryantsev, Mary Healy et Diana Stamberga ; l’INL de Lyon ; Benjamin Reinhart du Laboratoire national d’Argonne ; Foster des laboratoires de recherche de Marshallton ; et Alena Paulenova et Yana Karslyan, Oregon State University.

Dans son rôle au CMI, Moyer supervise un portefeuille de projets de recherche sur la manière d’élargir l’offre de terres rares grâce à des processus innovants.

« L’objectif de CMI est de fournir la meilleure technologie de séparation à l’industrie. Nous avons sélectionné ces DGA car ils ont le potentiel de réduire la consommation de produits chimiques et la production de déchets, diminuant ainsi les coûts. Ils sont plus sélectifs, ce qui réduit le nombre de étapes nécessaires, réduisant ainsi le coût d’investissement global de la construction d’une usine », a-t-il déclaré.

“Nous créons une meilleure technologie qui rendra la production de terres rares purifiées moins chère. En faisant cela, l’industrie américaine deviendra plus compétitive et sera en mesure de fournir des terres rares purifiées pour la production d’aimants et d’autres applications.”


La subtilité et l’art sélectif de séparer les lanthanides


Plus d’information:
Diana Stamberga et al, Approche de la relation structure-activité vers la séparation améliorée des éléments de terres rares à l’aide de diglycolamides, Chimie inorganique (2020). DOI : 10.1021/acs.inorgchem.0c02861

Fourni par le Laboratoire national d’Oak Ridge

Citation: Technologie de séparation des éléments de terres rares sous licence à Marshallton (2021, 30 novembre) récupérée le 30 novembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-11-rare-earth-elements-technology-marshallton.html

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