Forskere ved Rice University i USA har utviklet en svært porøs membran som kan brukes til å hente ut sjeldne jordartsmetaller fra industrielt avløpsvann. I stedet for å betrakte vannet bare som noe som må renses, undersøkte forskerne om det også kunne være en kilde til verdifulle materialer.

Metoden kan på sikt gjøre det mulig å gjenvinne kritiske mineraler som det er begrenset tilgang på i ulike regioner. Studien er publisert i tidsskriftet ACS Applied Materials & Interfaces.

Ville hente ut verdifulle stoffer

«Instead of viewing industrial wastewater only as something that needs to be treated, we can begin thinking of it as a resource containing valuable materials that may be worth recovering,» sa Qilin Li, professor i sivil- og miljøteknikk ved Rice University og hovedforfatter av studien.

Oppgaven er likevel krevende. Industrielt avløpsvann inneholder vanligvis langt høyere konsentrasjoner av andre metaller, blant annet jern, natrium og aluminium. Det gjør det vanskelig å skille ut de svært små mengdene sjeldne jordartsmetaller, og kan forstyrre en selektiv gjenvinning.

Porer fungerer som kjemiske kroker

For å løse problemet tok forskerne utgangspunkt i prinsipper fra koordinasjonskjemien. De utviklet en ekstremt porøs membran basert på metall-organiske rammeverk, kjent som MOF-er. Dette er svampelignende materialer der metallatomer bindes sammen med organiske molekyler.

Forskerne endret deretter kjemien på veggene i de mikroskopiske porene for å forbedre materialets egenskaper. I forsøkene brukte de en vannstabil MOF som ble modifisert med den organiske liganden Phosphono Methyl Imino Diacetic Acid, forkortet PMIDA.

PMIDA fungerer som en kjemisk krok inne i porene. Den binder seg sterkt til positivt ladede ioner av sjeldne jordartsmetaller. Teamet testet materialet på neodym, gadolinium og dysprosium.

Ved den høyeste konsentrasjonen av PMIDA fanget materialet opptil 160 milligram neodym, 175 milligram gadolinium og 195 milligram dysprosium per gram materiale. Det var minst dobbelt så mye som tidligere rapporterte mengder ved bruk av en tilsvarende metode.

Holdt på metallene selv med mye jern

Mer PMIDA gjorde materialet bedre ved å endre hvilke bindingssteder som var tilgjengelige. Simuleringer viste samtidig at de ekstra ligandene samlet seg rundt enkeltioner av sjeldne jordartsmetaller inne i porene. Det dannet sterkere og mer stabile komplekser, noe som økte kapasiteten og stabiliteten i strukturen.

«What was especially interesting was that we could see not just whether the material captured the rare earths but why,» sa Liu. «By combining experiments with molecular simulations, we could look inside the pores and see how changing the number of ligands changes the way these ions are held.»

Et annet viktig funn var at materialet kunne fange opp de sjeldne jordartsmetallene selektivt og effektivt selv når uønskede stoffer var til stede. Jernkonsentrasjonen kunne være 100 ganger høyere enn konsentrasjonen av de sjeldne jordartsmetallene, uten at opptaket endret seg vesentlig.

I ett av forsøkene var opptaket av sjeldne jordartsmetaller bare rundt 0,3 prosent lavere enn uten jern i avløpsvannet.

Kan frigjøre metallene for gjenbruk

Forskerne undersøkte også hvordan de innfangede metallene kunne frigjøres. En mild behandling med fortynnet saltsyre trakk enkelt ut spormetallene, slik at det verdifulle materialet kunne brukes på nytt.

Forskerne understreker samtidig at arbeidet fortsatt er på et tidlig stadium. Det trengs mer forskning for å forbedre materialets selektivitet, holdbarhet og evne til å regenereres under utvinningen.

Teamet mener likevel at MOF-materialer kan bli et mer bærekraftig alternativ til metodene med væske-væske-ekstraksjon som brukes for å gjenvinne sjeldne jordartsmetaller.