Elemen tanah jarang adalah "saus rahasia" dari berbagai bahan canggih untuk aplikasi energi, transportasi, pertahanan, dan komunikasi.Penggunaan terbesar mereka untuk energi bersih adalah dalam magnet permanen, yang mempertahankan sifat magnetik bahkan tanpa adanya medan atau arus penginduksi.

Ramesh Bhave dari Laboratorium Nasional Oak Ridge turut menciptakan proses untuk memulihkan unsur tanah jarang dengan kemurnian tinggi dari magnet bekas hard drive komputer (ditampilkan di sini) dan limbah pasca-konsumen lainnya.Kredit: Laboratorium Nasional Carlos Jones/Oak Ridge, Departemen Energi AS

Sekarang, peneliti Departemen Energi AS telah menemukan proses untuk mengekstraksi unsur tanah jarang dari magnet bekas dariharddisk bekasdan sumber lainnya.Mereka punyadipatenkandan meningkatkan proses dalam demonstrasi laboratorium dan bekerja dengan pemegang lisensi ORNLTeknologi Momentum Dallasuntuk skala proses lebih lanjut untuk menghasilkan batch komersial oksida tanah jarang.

“Kami telah mengembangkan proses yang hemat energi, hemat biaya, dan ramah lingkungan untuk memulihkan bahan kritis bernilai tinggi,” kata salah satu penemu Ramesh Bhave dari Laboratorium Nasional Oak Ridge DOE, yang memimpin tim teknologi membran di Divisi Ilmu Kimia ORNL.“Ini merupakan peningkatan dari proses tradisional, yang membutuhkan fasilitas dengan tapak yang besar, modal dan biaya operasi yang tinggi, serta sejumlah besar limbah yang dihasilkan.”

Magnet permanen membantu hard drive komputer membaca dan menulis data, menggerakkan motor yang menggerakkan mobil hibrida dan listrik, memasangkan turbin angin dengan generator untuk menghasilkan listrik, dan membantu ponsel cerdas menerjemahkan sinyal listrik menjadi suara.

Melalui proses yang dipatenkan, magnet dilarutkan dalam asam nitrat, dan larutan terus menerus diumpankan melalui modul yang mendukung membran polimer.Membran mengandung serat berongga berpori dengan ekstraktan yang berfungsi sebagai semacam "polisi lalu lintas" kimia;itu menciptakan penghalang selektif dan hanya membiarkan elemen tanah jarang melewatinya.Larutan kaya tanah jarang yang dikumpulkan di sisi lain diproses lebih lanjut untuk menghasilkan oksida tanah jarang dengan kemurnian melebihi 99,5%.

Itu luar biasa mengingat biasanya, 70% dari magnet permanen adalah besi, yang bukan merupakan elemen tanah jarang.“Kami pada dasarnya mampu menghilangkan besi sepenuhnya dan memulihkan hanya tanah jarang,” kata Bhave.Mengekstraksi elemen yang diinginkan tanpa mengekstraksi bersama yang tidak diinginkan berarti lebih sedikit limbah yang dihasilkan yang memerlukan pengolahan dan pembuangan hilir.

Pendukung pekerjaan termasuk DOE'sInstitut Bahan Kritis, atau CMI, untuk penelitian pemisahan dan Kantor Transisi Teknologi DOE, atau OTT, untuk peningkatan proses.ORNL adalah anggota tim pendiri CMI, Pusat Inovasi Energi DOE yang dipimpin oleh Laboratorium Ames DOE dan dikelola oleh Advanced Manufacturing Office.“Penambangan” Bhave dari larutan asam dengan membran selektif bergabung dengan teknologi CMI menjanjikan lainnya untuk memulihkan tanah jarang, termasukproses sederhana yang menghancurkan dan merawat magnetdanalternatif bebas asam.

Industri bergantung pada bahan kritis, dan komunitas ilmiah sedang mengembangkan proses untuk mendaur ulangnya.Namun, tidak ada proses komersial yang mendaur ulang elemen tanah jarang murni dari magnet limbah elektronik.Itu adalah peluang besar yang terlewatkan mengingat 2,2 miliar komputer pribadi, tablet, dan ponsel diperkirakan akan dikirimkan ke seluruh dunia pada tahun 2019,menurut Gartner.“Semua perangkat ini memiliki magnet tanah jarang di dalamnya,” kata Bhave.

Proyek Bhave, yang dimulai pada 2013, adalah upaya tim.John Klaehn dan Eric Peterson dari DOE's Idaho National Laboratory berkolaborasi dalam fase awal penelitian yang berfokus pada kimia, dan Ananth Iyer, seorang profesor di Universitas Purdue, kemudian menilai kelayakan teknis dan ekonomi dari peningkatan skala.Di ORNL, mantan rekan pascadoktoral Daejin Kim dan Vishwanath Deshmane masing-masing mempelajari pengembangan proses pemisahan dan peningkatan skala.Tim ORNL Bhave saat ini, yang terdiri dari Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell dan Priyesh Wagh, berfokus pada peningkatan proses dan bekerja dengan mitra industri yang akan mengkomersialkan teknologi.

Untuk memastikan tanah jarang dapat dipulihkan di seluruh spektrum bahan baku yang luas, para peneliti menggunakan magnet dari berbagai komposisi—dari sumber termasuk hard drive, mesin pencitraan resonansi magnetik, telepon seluler, dan mobil hibrida—ke dalam prosesnya.

Sebagian besar unsur tanah jarang adalah lantanida, unsur dengan nomor atom antara 57 dan 71 dalam tabel periodik.“Keahlian ORNL yang luar biasa dalam kimia lantanida memberi kami lompatan awal yang besar,” kata Bhave.“Kami mulai melihat kimia lantanida dan cara lantanida diekstraksi secara selektif.”

Selama dua tahun, para peneliti menyesuaikan kimia membran untuk mengoptimalkan pemulihan tanah jarang.Sekarang, proses mereka memulihkan lebih dari 97% elemen tanah jarang.

Sampai saat ini proyek daur ulang Bhave telah menghasilkan paten dan dua publikasi (di sinidandi sini) mendokumentasikan pemulihan tiga elemen tanah jarang—neodymium, praseodymium, dan dysprosium—sebagai campuran oksida.

Pemisahan fase kedua dimulai pada Juli 2018 dengan upaya memisahkan disprosium dari neodymium dan praseodymium.Campuran ketiga oksida tersebut dijual seharga $50 per kilogram.Jika disprosium bisa dipisahkan dari campurannya, oksidanya bisa dijual lima kali lipat.

Fase kedua program ini juga akan mengeksplorasi apakah proses dasar ORNL untuk memisahkan tanah jarang dapat dikembangkan untuk memisahkan elemen lain yang dibutuhkan dari baterai lithium ion.“Pertumbuhan tinggi yang diharapkan dari kendaraan listrik akan membutuhkan sejumlah besar lithium dan kobalt,” kata Bhave.

Upaya industri diperlukan untuk menyebarkan proses ORNL ke pasar, yang didanai selama dua tahun oleh Dana Komersialisasi Teknologi OTT DOE, dimulai pada Februari 2019.

Tujuannya adalah untuk memulihkan ratusan kilogram oksida tanah jarang setiap bulan dan memvalidasi, memverifikasi, dan mengesahkan bahwa produsen dapat menggunakan bahan daur ulang untuk membuat magnet yang setara dengan yang dibuat dengan bahan perawan.

Kantor Manufaktur Lanjutan DOE, bagian dari Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan, mendanai penelitian ini melalui CMI, yang didirikan untuk mendiversifikasi pasokan, mengembangkan pengganti, meningkatkan penggunaan kembali dan daur ulang, serta melakukan penelitian lintas sektoral dari bahan-bahan penting.ORNL telah memberikan arahan strategis untuk area ini sejak CMI dimulai pada 2013. Ini termasuk menyediakan pemimpin untuk area fokus dan proyek yang menghasilkan inovasi baru dalam paduan aluminium-cerium dan daur ulang magnet.

Sumber:ORNL