- Das Forschungsteam hat ein Schwammmaterial zur Gewinnung seltener Erden aus Industrieabwasser entwickelt.
- Die Nutzung von metallorganischen Rahmenwerken verbessert die selektive Rückgewinnung seltener Metalle.
- Das Material kann auch bei hohen Konzentrationen effektiv seltene Erden gewinnen, mit minimalen Verlusten.
- Zukünftige Forschungen sind erforderlich, um die Selektivität und Haltbarkeit des Materials zu erhöhen.
US-Forscher haben ein schwammartiges Material entwickelt, um seltene Erden aus Industrieabwasser zu gewinnen. Das Team einer Schweizer Universität betrachtet Abwasser nicht nur als zu behandelnde Substanz, sondern als Ressourcenspeicher für wertvolle, recycelbare seltene Erden. Diese Innovation könnte letztlich die Möglichkeit eröffnen, kritische Mineralien mit begrenztem Angebot in verschiedenen Regionen zurückzugewinnen. Professor Karl F. Hassmann von der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen der Schweizer Universität und Korrespondenzautor dieser Studie, Li Qilin, erklärte: „Wir können beginnen, Industrieabwasser als Ressource mit recycelbaren wertvollen Materialien zu betrachten, anstatt es nur als etwas zu behandeln, das entsorgt werden muss.“
Metallorganische Rahmenwerk-Technologie
Das Konzept der metallorganischen Koordinationschemie klingt einfach, ist in der Praxis jedoch nicht leicht umzusetzen. Neben seltenen Erden enthält Industrieabwasser auch andere Metalle wie Eisen, Natrium und Aluminium, deren Konzentrationen viel höher sind. Diese hohen Konzentrationen erschweren die Trennung von Spurenelementen und stören oft die selektive Rückgewinnung wertvoller seltener Metalle. Um diese Herausforderung zu überwinden, haben die Forscher die Prinzipien der Koordinationschemie genutzt, um eine extrem poröse Membran zu konstruieren. Diese Methode verwendet metallorganische Rahmenwerke (MOFs), die durch die Verbindung von Metallatomen mit organischen Molekülen gebildet werden und hochporöse schwammartige Materialien darstellen.
Die Wissenschaftler modifizierten anschließend die Wände der kleinen Innenporen chemisch, um die Leistung zu verbessern.
In Experimenten wurde das wasserstabile MOF mit dem organischen Liganden Phosphonsäure-Methylamin-Diessigsäure (PMIDA) modifiziert. Im kleinen Poren des MOF wirkt PMIDA wie ein chemischer Haken, der stark mit den positiv geladenen seltenen Erden-Ionen bindet. Das Forschungsteam testete die Auffangfähigkeit dieses ultraporösen Materials für drei seltene Metalle: Neodym, Molybdän und Thorium. Bei der höchsten Ligandenkonzentration konnte PMIDA pro Gramm Material bis zu 160 Milligramm Neodym, 175 Milligramm Molybdän und 195 Milligramm Thorium einfangen. Diese Rückgewinnungsfähigkeiten sind mindestens doppelt so hoch wie die zuvor mit ähnlichen Methoden berichteten Werte.
Die Erhöhung der Menge an PMIDA-Liganden verbesserte die Gesamtleistung des Materials, indem die verfügbaren Bindungsstellen verändert wurden, um die Leistung weiter zu steigern.
Simulationsergebnisse zeigen, dass die Zugabe zusätzlicher Liganden es den Bindungsgruppen ermöglicht, sich um einzelne seltene Erden-Ionen in den Poren zu gruppieren. Diese Anordnung bildet stärkere und stabilere Komplexe, um die Kapazität und strukturelle Stabilität zu erhöhen. Professor Liu erklärte: „Besonders interessant ist, dass wir nicht nur sehen können, ob das Material seltene Erden gefangen hat, sondern auch verstehen, warum das so ist. Durch die Kombination von Experimenten mit molekularen Simulationen können wir das Innere der Poren betrachten und verstehen, wie sich die Anzahl der Liganden auf die Bindungsweise dieser Ionen auswirkt.“
Selektive Auffangfähigkeit des Materials
Eine weitere wichtige Entdeckung ist, dass das Material in der Lage ist, seltene Metalle selektiv und effizient zu gewinnen, selbst in Anwesenheit unerwünschter Materialien wie Eisen. Der Forschungsbericht stellt fest, dass selbst wenn die Eisenkonzentration 100-mal höher ist als die der seltenen Erden, die Absorption der seltenen Erden nur um etwa 0,3 % abnimmt. In einem Test war die Absorption der seltenen Erden nur um etwa 0,3 % geringer als ohne Eisen. Neben der Auffangtechnik untersuchten die Forscher auch die Freisetzung von Spurenelementen. Eine leichte Behandlung mit verdünnter Salzsäure ermöglicht eine einfache Extraktion der Spurenelemente, wodurch wertvolle Materialien erneut verwendet werden können.
Dies ist erst der Anfang, und es sind weitere Forschungen erforderlich, um die Selektivität, Haltbarkeit und Regenerationsfähigkeit des Materials im Extraktionsprozess zu verbessern. Das Team bleibt jedoch optimistisch gegenüber MOFs, da diese Materialien eine nachhaltigere Alternative zu den herkömmlichen flüssig-flüssig-Lösungsmethoden zur Rückgewinnung seltener Erden bieten könnten. Die Studie wurde in „ACS Applied Materials & Interfaces“ veröffentlicht.
Potenzial von Schwammmaterialien im umweltfreundlichen Recycling
Diese Studie zeigt die innovative Anwendung von schwammartigen Materialien in der Behandlung von Industrieabwasser, insbesondere im Bereich der Rückgewinnung seltener Erden. Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach seltenen Erden stehen traditionelle Extraktionsmethoden vor Herausforderungen hinsichtlich Umweltbelastungen und Ressourcenverschwendung. Dieses neue Material kann nicht nur effektiv seltene Erden einfangen, sondern auch in Anwesenheit anderer Metalle seine Effizienz beibehalten, was sein Potenzial für praktische Anwendungen unter Beweis stellt. Zukünftige Forschungen werden die Leistung weiter steigern, um den zunehmend strengen Anforderungen an das Ressourcenrecycling gerecht zu werden.