Chromatographic separation of rare earth elements using a novel extractant mixture

• Main Author: Aronsson, Tim
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Kemiteknik 2021
• Subjects: chromatography; HPLC; rare earth elements; separation; recovery; kromatografi; sällsynta jordartsmetaller; återvinning; Chemical Process Engineering; Kemiska processer
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-302715

Sällsynta jordartsmetaller är en kritisk råvara som står inför viktiga utmaningar gällande utbud och efterfrågan. För att överkomma dessa utmaningar behövs det effektiva separationsmetoder. Den här rapporten studerar separationen av sällsynta jordartsmetaller med extraktionskromatografi. Tre olika extrakt-modifierade HPLC kolonner användes för att separera en samling av åtta sällsynta jordartsmetaller; lantan, cerium, praseodym, neodym, samarium, gadolinium, dysprosium och yttrium. Den första kolonnen innehöll ren HDEHP som extraktant, den andra ren HEHEHP som extraktant. Den tredje kolonnen innehöll en blandning av de två extrakanterna. Blandningen bestod av 15–30% HDEHP. Eluering genomfördes med salpetersyra i olika koncentrationer och applicering. Forskningsfrågan som rapporten bygger på gäller hurvida blandningen av extraktanterna kan förbättra separationen gentemot att endast använda de rena extraktanterna. Jämförelsen kolonnerna emellan baserades huvudsakligen på två parameterar, salpetersyraförbrukning och upplösning av toppar.  Resultaten visar att kolonnen med endast HEHEHP hade minst salpetersyraförbrukning men gav sämst upplösning. Kolonnen med endast HDEDP hade högst salpetersyraförbrukning men gav bäst upplösning, speciellt för de fyra tyngsta ämnena; samarium, gadolinium, dysprosium och yttrium. Kolonnen med extraktantblandningen gav god upplösning för alla ämnen, speciellt för de fyra lättaste ämnena; lantan, cerium, praseodym och neodym. Eftersom denna kolonn dessutom hade relativt låg salpetersyraförbrukning är den preliminära slutsatsen att denna presterade bäst generellt. Slutsatsen är därmed att extraktantblandningen kan förbättra separationen. === Rare earth elements are a crucial resource facing challenges concerning supply and demand. To meet these challenges, efficient separation methods are needed. This report investigates the separation of rare earth elements using extraction chromatography. Three different extractant modified HPLC columns was used to separate a collection of eight rare earth elements: lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, dysprosium, and yttrium. One column contained pure HDEHP as extractant, another pure HEHEHP as extractant. The third column contained mixture of the two extractants. The mixture contained 15-30% HDEHP. Elution was achieved using nitric acid as eluent in different concentrations and modes of elution. The research question guiding the work was to investigate if using a mixture of extractants could improve the separation as opposed to using only the pure extractants. The comparison was made based on two main performance parameters, nitric acid consumption and peak resolution.  The results show that the column with pure HEHEHP had the lowest nitric acid consumption but yielded the worst resolution. The column with pure HDEHP had the highest nitric acid consumption but the best resolution, particularly for the four heaviest analytes, samarium, gadolinium, dysprosium, and yttrium. The column with the extractant mixture yielded good resolution for all analytes and especially for the four lightest analytes: lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium. Since this column also had relatively low nitric acid consumption the tentative conclusion is that it performed the best overall. The conclusion is therefor that the extractant mixture can improve the separation.