SE-FLECX: Organische Containermoleküle binden ausgewählte Seltene Erden aus Erzen

Das Forscherteam von „SE-FLECX“ will Seltene Erden mittels organischer Containermoleküle gezielt aus Erzen extrahieren. Sowohl die Auftrennung einzelner Seltener Erden der Gruppe der Lanthanoide als auch die Abtrennung der radioaktiven Actinoide, dazu zählen Uran und Thorium, ist durch die chemische Ähnlichkeit der Metall-Ionen aufwendig. Aktuell verwendete Extraktionsmittel zeigen nur eine geringe Selektivität. Die Containermoleküle von „SE-FLECX“, sogenannte Calixarene, sollen dies ändern. Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „r4 – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“ gefördert. „r4” sichert Hightech-Ressourcen und damit Zukunft.

Platine

Hightech-Produkte wie Mikroprozessoren für Computer sind ohne Seltene Erden undenkbar. Im Projekt „SE-FLECX“ erforschen Wissenschaftler neue Wege, um die Gewinnung dieser Elemente zu vereinfachen.

Flickr/Tom Hoyle

Trennung Seltener Erden

Seltene Erden werden zunehmend im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik, in Permanentmagneten, in Leuchtstoffen und LEDs sowie in Katalysatoren und Spezialkeramiken eingesetzt. Eine der größten Herausforderungen bei der Gewinnung Seltener Erden ist die Abtrennung der mit diesen in der Natur stets vergesellschaftet vorkommenden radioaktiven Actinoide. Dazu zählen die Elemente Uran und Thorium. Eine weitere Herausforderung stellt die Auftrennung der einzelnen Seltenen Erden dar, da sich diese hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften sehr ähnlich sind. Die Aufbereitung und Separation der SEElemente erfolgt bisher meist in mehrstufigen Flüssig-Flüssig- Extraktionen. Als Extraktionsmittel kommen beispielsweise Di-(2-ethylhexyl)phosphorsäure, Tri-n-butylphosphat, Trioctyl- phosphinoxid oder verschiedene Amine zum Einsatz.

Calixarene als selektives Extraktionsmittel

Auf der Grundlage von Forschungsarbeiten, bei denen Calixarene bereits eine deutlich höhere Selektivität als die bisherigen Extraktionsmittel zeigten, verfolgt das Projekt „SE-FLECX“ eine drastische Reduzierung erforderlicher Trennstufen um den Faktor zehn. Auch der Verbrauch notwendiger Prozesschemikalien soll gesenkt werden. So lassen sich die Kosten für die Gewinnung von Seltenerd-Elementen aus Erzen beziehungsweise beim Recycling aus Seltenerd-Mischoxiden deutlich reduzieren. Auch die Investitionskosten für Neuanlagen können gesenkt und die Kapazität bestehender Separationsanlagen gesteigert werden. Zunächst müssen im Rahmen des Verbundes Seltenerd- Konzentrate aus realen Proben hergestellt werden. Aus den Konzentraten sollen Modelllösungen generiert werden, die Voraussetzung zur Untersuchung der Extraktion mit den synthetisierten Calixarenen sein sollen. Die Calixarene bestehen aus einem Grundgerüst und den Donorgruppen, an denen die Zielelemente andocken. Aufgrund der Variabilität der Donorgruppen kann die Extraktion bestimmter Elemente selektiv eingestellt werden. Mit den Calixarenen des Liganden-Typs A wird eine quantitative Abtrennung der Actinoide angestrebt. Der Liganden-Typ B soll hingegen zur selektiven Gewinnung von Selten Erden eingesetzt werden. Eine weiterführende Optimierung der Selektivität kann durch Variation der Anzahl, Stellung und Kombination der verschiedenen Donorgruppen erfolgen.

Synthese, Charakterisierung und Vergleich

Neben der Synthese ist auch eine Charakterisierung der modifizierten Calixarene notwendig. Zur vollständigen Bewertung der chemischen und physikalischen Eigenschaften stehen verschiedene Analysemethoden zur Verfügung. Anschließend können Löslichkeits- und Wechselwirkungsstudien in Flüssig-Flüssig-Systemen erfolgen. Hierbei sollen Selektivität und Reversibilität/Regeneration der Calixarene bezüglich der Actinoide und Lanthanoide u.a. mit Hilfe von Radioisotopen untersucht werden. Auch wird das Bindungsverhalten charakterisiert. Extraktionsuntersuchungen mit den Modell-Lösungen und realen Lösungen aus Erzen sind zur Aufnahme charakteristischer Kenngrößen (z.B. Extraktionsisotherme, pH-Wert-Abhängigkeit) beabsichtigt. Die Calixaren-Synthese muss in den Kilogramm-Maßstab überführt werden, um die notwendigen Mengen für einen kontinuierlichen Prozess mit Mixer-Settler- Systemen und Extraktionskolonnen bereitzustellen. Die umfassenden Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für eine wirtschaftliche, technologische Machbarkeitsanalyse.