Modeling and Optimization of Rare Earth Element Chromatography

Popular Abstract in Swedish Sallsynta jordartsmetaller ar inte sa sallsynta som namnet kan fa en att tro, utan de ar vanligare an t.ex. silver och guld. Till de sallsynta jordartsmetallerna hor Lantanoiderna, samt skandium och yttrium. De har manga tekniska anvandningsomraden, lasrar, permanentmagneter, lcd-skarmar, batterier, katalysatorer. De aterfinns i naturen, i olika mineral, t.ex. bastnasit eller monazit, som domineras av de lattare sallsynta jordartsmetallerna. Dagens upprening och gruvbrytning sker framst i Kina, som i dagslaget har tappat en liten andel och numera har 90% av den totala varldsmarknaden, istallet for 95% som det varit sedan 80-talet. En av anledningarna till att en stor del av produktionen framst finns i Kina ar att malmbrytningen och separationen av sallsynta jordartsmetaller med konventionell teknik ar valdigt pafrestande for miljon. Konventionell teknik for separation av sallsynta jordartsmetaller ar vatske-vatske exktraktion. Principen for vatske-vatske exktraktion ar att tva vatskor, dar komplex av de olika sallsynta jordartsmetallerna, har olika loslighet i respektive vatska. Vatskorna blandas och separeras gang pa gang i tusentals steg, sasom olja och vatten kan blandas i en dressing, for att sedan separeras i tva faser om det far sta still. Vatske-vatske extraktion sker i tusentals efterfoljande blandnings och separationssteg, och anvander stora mangder organiska, eller fossilbaserade kemikalier. Detta leder till i basta fall stora koldioxidutslapp, och i varsta fall utslapp av giftiga organiska kemikalier. Ett satt att komma runt problemen med hanteringen av stora volymer av organiska kemikalier ar att byta teknik, och anvanda sig av ett kromatografisystem istallet, dar en av vatskorna, i detta fall den organiska, ersatts med porosa silikapartiklar med en for andamalet anpassad yta. Kromatografi anvands idag dels for analyser och dels for produktion i flerkomponentsystem, dar flera saker flera komponenter skall separareras fran varandra, antingen for att fa ut en ren produkt, eller for att identifiera ingaende komponenter i en blandning. I detta arbete har vi tagit en analysmetod for sallsynta jordartsmetaller och modifierat den sa att den kan anvandas for produktion istallet for analys. Anpassningen gar till sa att man imobiliserar komplexbildaren pa partiklarna i en kromatografikolonn, dar metalljonerna av de sallsynta jordartsmetallerna binder och skapar komplex pa ytan av partiklarna. For att fa metallerna att slappa fran ytan okas koncentrationen av salpetersyra i eluenten, det vill saga i vatskan som flodar genom kolonnen. Detta far metallerna att lossna en efter en, och de kan darmed samlas upp med onskad renhet. Vinsten harvid ar forutom att de organiska kemikalierna i stort sett eliminerats ur processen, att vid fallning av metallerna med t.ex. ammoniak bildas ammoniumnitrat, det vill saga kvavegodsel. For att kunna kora separationsprocessen sa effektivt som mojligt med avseende pa t.ex. ekonomi, produktivitet, utbyte och energianvandning behovs en optimering av de driftsparametrar som paverkar dessa mal. Ett satt ar att gora det experimentellt, och forsoka flytta driftspunkten till battre och battre maluppfyllnad. Ett alternativ till detta ar att anvanda matematisk modellering och optimering, som gar ut pa att en matematisk modell skapas. Att skapa en matematisk modell innebar att de ekvationer och samband som beskriver processen tas fram och satts samman till ett gemensamt ramverk. Parametrar till modellen och konstanter, fas genom kalibrering av modellens svar, mot experimentella svar. Denna modell anvands sedan med en optimeringsalgoritm, som vrider pa driftsparametrarna for att maximera de mal som angivits. (Less)