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Poröses Material gewinnt wertvolle Seltene Erden aus Industrieabwässern
Rohstoffquelle Abwasser: Ein chemisch verändertes Porenmaterial kann Neodym, Gadolinium und Dysprosium selbst bei einem großen Eisenüberschuss binden. In Laborversuchen nahm ein Gramm des Materials bis zu 195 Milligramm eines der Metalle auf. Vor einer technischen Nutzung müssen allerdings seine Haltbarkeit und die Wiederverwendung verbessert werden.
Houston (U.S.A.). Seltene Erden stecken in leistungsstarken Magneten für Elektroautos und Windkraftanlagen, aber auch in Geräten der medizinischen Bildgebung. Ihre Gewinnung und Verarbeitung konzentrieren sich auf wenige Weltregionen. Deshalb rücken alternative Rohstoffquellen in den Blick, darunter Abwässer aus dem Bergbau und aus industriellen Prozessen.
Doch die Rückgewinnung ist schwierig: In solchen Flüssigkeiten liegen die begehrten Metalle häufig nur in Spuren vor, während andere Metallionen weit häufiger sind. Eine geeignete Trenntechnik muss die Seltenen Erden daher auch dann binden können, wenn konkurrierende Stoffe im großen Überschuss vorhanden sind.
Forscher der Rice University um Prof. Qilin Li haben nun ein wasserstabiles, hochporöses Gerüstmaterial namens MIL-101 chemisch verändert. Damit untersuchten sie die Aufnahme von Neodym, Gadolinium und Dysprosium aus wässrigen Laborlösungen. Zusätzlich nutzte das Team Molekülsimulationen, um die Bindung der Metallionen innerhalb der winzigen Poren zu verstehen.
MIL-101 gehört zu den metallorganischen Gerüstverbindungen, deren Metallzentren und organische Bausteine ein regelmäßiges Netzwerk mit vielen Hohlräumen bilden. Die Forscher statteten diese Poren mit Phosphonomethyliminodiessigsäure (PMIDA) aus. Diese Moleküle bilden Bindungsstellen für positiv geladene Ionen der Seltenen Erden und halten sie im Gerüst fest.
Entscheidend war dabei nicht allein die Zahl der zusätzlichen Bindungsstellen. Eine höhere PMIDA-Beladung steigerte die Aufnahmemenge nur moderat, sorgte aber für festere chemische Bindungen. Denn mehrere benachbarte Gruppen konnten dasselbe Metallion umschließen. Die Molekülsimulationen bestätigten, dass dabei stabilere Komplexe in den Poren entstehen.
Bei der höchsten untersuchten PMIDA-Beladung nahm ein Gramm Material bis zu 160 Milligramm Neodym, 175 Milligramm Gadolinium oder 195 Milligramm Dysprosium auf. Für Neodym und Gadolinium lagen diese Werte laut der offiziellen Studienmitteilung mindestens doppelt so hoch wie frühere Ergebnisse mit demselben Gerüstmaterial unter vergleichbaren Bedingungen.
„Seltene Erden sind für viele Technologien, auf die wir angewiesen sind, unverzichtbar, doch ihre Lieferketten bleiben geografisch konzentriert“, erklärt Prof. Qilin Li.
Besonders interessant ist die Konkurrenz mit Eisen, das in industriellen Abwässern häufig in weit größeren Mengen vorkommt. Selbst bei einer hundertfach höheren Eisenkonzentration blieb die Aufnahme der untersuchten Seltenen Erden im Labor weitgehend erhalten. In einem Einzelversuch ging sie gegenüber einer eisenfreien Vergleichslösung lediglich um etwa 0,3 Prozent zurück.
Damit zeigt das Material eine ausgeprägte Selektivität gegenüber diesem störenden Metallion. Der Befund bedeutet jedoch noch nicht, dass es beliebige Industrieabwässer zuverlässig reinigen kann. Die Versuche prüften vor allem definierte wässrige Lösungen und die Konkurrenz durch Eisen. Eine gezielte Trennung von Neodym, Gadolinium und Dysprosium untereinander ist damit ebenfalls noch nicht demonstriert.