Modeling and Optimization of Rare Earth Element Chromatography

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Sällsynta jordartsmetaller är inte så sällsynta som namnet kan få en att tro, utan de är vanligare än t.ex. silver och guld. Till de sällsynta jordartsmetallerna hör Lantanoiderna, samt skandium och yttrium. De har många tekniska användningsområden, lasrar, permanentmagneter, lcd-skärmar, batterier, katalysatorer. De återfinns i naturen, i olika mineral, t.ex. bastnäsit eller monazit, som domineras av de lättare sällsynta jordartsmetallerna. Dagens upprening och gruvbrytning sker främst i Kina, som i dagsläget har tappat en liten andel och numera har 90% av den totala världsmarknaden, istället för 95% som det varit sedan 80-talet. En av anledningarna till att en stor del av produktionen främst finns i Kina är att malmbrytningen och separationen av sällsynta jordartsmetaller med konventionell teknik är väldigt påfrestande för miljön. Konventionell teknik för separation av sällsynta jordartsmetaller är vätske-vätske exktraktion. Principen för vätske-vätske exktraktion är att två vätskor, där komplex av de olika sällsynta jordartsmetallerna, har olika löslighet i respektive vätska. Vätskorna blandas och separeras gång på gång i tusentals steg, såsom olja och vatten kan blandas i en dressing, för att sedan separeras i två faser om det får stå still. Vätske-vätske extraktion sker i tusentals efterföljande blandnings och separationssteg, och använder stora mängder organiska, eller fossilbaserade kemikalier. Detta leder till i bästa fall stora koldioxidutsläpp, och i värsta fall utsläpp av giftiga organiska kemikalier. Ett sätt att komma runt problemen med hanteringen av stora volymer av organiska kemikalier är att byta teknik, och använda sig av ett kromatografisystem istället, där en av vätskorna, i detta fall den organiska, ersätts med porösa silikapartiklar med en för ändamålet anpassad yta. Kromatografi används idag dels för analyser och dels för produktion i flerkomponentsystem, där flera saker flera komponenter skall separareras från varandra, antingen för att få ut en ren produkt, eller för att identifiera ingående komponenter i en blandning. I detta arbete har vi tagit en analysmetod för sällsynta jordartsmetaller och modifierat den så att den kan användas för produktion istället för analys. Anpassningen går till så att man imobiliserar komplexbildaren på partiklarna i en kromatografikolonn, där metalljonerna av de sällsynta jordartsmetallerna binder och skapar komplex på ytan av partiklarna. För att få metallerna att släppa från ytan ökas koncentrationen av salpetersyra i eluenten, det vill säga i vätskan som flödar genom kolonnen. Detta får metallerna att lossna en efter en, och de kan därmed samlas upp med önskad renhet. Vinsten härvid är förutom att de organiska kemikalierna i stort sett eliminerats ur processen, att vid fällning av metallerna med t.ex. ammoniak bildas ammoniumnitrat, det vill säga kvävegödsel. För att kunna köra separationsprocessen så effektivt som möjligt med avseende på t.ex. ekonomi, produktivitet, utbyte och energianvändning behövs en optimering av de driftsparametrar som påverkar dessa mål. Ett sätt är att göra det experimentellt, och försöka flytta driftspunkten till bättre och bättre måluppfyllnad. Ett alternativ till detta är att använda matematisk modellering och optimering, som går ut på att en matematisk modell skapas. Att skapa en matematisk modell innebär att de ekvationer och samband som beskriver processen tas fram och sätts samman till ett gemensamt ramverk. Parametrar till modellen och konstanter, fås genom kalibrering av modellens svar, mot experimentella svar. Denna modell används sedan med en optimeringsalgoritm, som vrider på driftsparametrarna för att maximera de mål som angivits.