Seit der Aufstellung des Periodensystems durch Mendelejew ist die Trennung von Lanthaniden eine der schwierigsten Herausforderungen in der Chemie und Bergbauindustrie. Die Ionenradien der 15 Lanthanidenelemente unterscheiden sich lediglich um etwa 0,01 Å – ungefähr ein Siebenmillionstel eines menschlichen Haares. Einem Team des Guangzhou Instituts für Geochemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist es nun gelungen, erstmals eine atompräzise Trennung von Lanthaniden mit einer Selektivität von 100 % zu erreichen. Dieser als „bahnbrechend" eingestufte technologische Fortschritt bietet völlig neue Lösungen für die Herstellung hochreiner Seltenerdmetalle und die Behandlung von Atommüll.

Das hundert Jahre alte „Trennungsdilemma"

Lanthanide werden als „Industriegewürz" bezeichnet und finden breite Anwendung in zahlreichen Spitzentechnologien wie Permanentmagneten für Smartphones und Windkraftanlagen, Laserlenksystemen und medizinischer Bildgebung. Die 15 Elemente besitzen jeweils einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften in Bezug auf Licht, Elektrizität, Magnetismus und Katalyse und sind als Kernmaterialien für die Hochtechnologieindustrie unverzichtbar.

Seit über einem Jahrhundert ist die hochreine Gewinnung der Lanthanide jedoch durch die sogenannte „Lanthanidenkontraktion" erschwert – der mittlere Unterschied der Ionenradien benachbarter Elemente beträgt nur etwa 0,01 Å, und ihre chemischen Eigenschaften sind extrem ähnlich, was eine präzise Trennung enorm erschwert.

Die herkömmliche Lösungsmittelextraktion basiert auf mehrstufigen Gegenstromprozessen und ist energieintensiv mit großen Mengen an Abwasser. Pro Tonne gewonnenes Seltenerdoxid werden üblicherweise mehrere Tonnen Chemikalien verbraucht und große Mengen radioaktiver Abfälle erzeugt. Das Prinzip der Lösungsmittelextraktion besteht darin, die Lanthanide in einer sauren Lösung zu lösen und durch das „Tanzverhalten" der Extraktionsmoleküle selektiv in eine organische Phase zu überführen. Obwohl es seit der Industrialisierung dieses Verfahrens in den 1960er Jahren bedeutende Verbesserungen gab, bleibt es auf der Ebene der „Unterschiede in der chemischen Affinität" und ermöglicht weder eine echte physikalische Größentrennung noch eine atomare Präzision.

Mit dem explosionsartigen Anstieg des Bedarfs an kritischen Metallen in den Bereichen neue Energien und elektronische Informationssysteme kann die traditionelle Methode der „mehrstufigen Gegenstromreinigung" den Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Die Industrie benötigt dringend eine neue Technologie, die eine präzise Trennung der Lanthanide auf molekularer oder sogar atomarer Ebene ermöglicht.

Durchbruch bei Membrantechnologie: 100 % Selektivität

Von der „chemischen Extraktion" zur „Atomtrennung"

Der vom Forschungsteam entwickelte neue Trennungsansatz besteht darin, hochpräzise Nanokanäle in Membranmaterialien zu konstruieren. Mittels eines Ionensiebmechanismus werden die extrem ähnlichen Lanthanide mit atomarer Präzision bei einer 100%igen Selektivität getrennt, was einen Paradigmenwechsel von der traditionellen, auf Unterschieden der chemischen Affinität beruhenden Extraktion bedeutet.

In Bezug auf die Trennungsstrategie haben die neuesten Fortschritte die Machbarkeit bereits demonstriert: Im Extraktionssystem ist die prozentuale Permeation der Lanthanide deutlich erhöht, die Permeationskinetik beschleunigt. Der Permeationsprozentsatz innerhalb von 24 Stunden erreicht bis zu 95 %. Dies zeigt, dass eine auf Kanalgröße basierende Trennung Ionen unterschiedlicher Größe vollständig auf verschiedene Seiten separieren kann.

Präzise Erkennung durch Kooperation von Membranmaterial und Ligand

Nachfolgende Forschungsergebnisse haben den Ansatz erweitert: Durch Nachahmung des Adsorptionsmechanismus von Ionen in biologischen Calciumkanälen wurden Kanalstrukturen aufgebaut, die Zielionen in einer einzigen Reihe adsorbieren. Adsorptionsmaterialien konnten direkt in Trennungsmembranen umgewandelt werden, die Zielmetallionen schnell passieren lassen und gleichzeitig konkurrierende Ionen präzise ausschließen. Dies überwindet grundsätzlich das Hemmnis der geringen Kompatibilität herkömmlicher Membranverfahren mit Schwermetallionen.

Gleichzeitig wurde durch die Entwicklung spezifischer Chelatliganden deren Koordination mit Metallionen genutzt, um Elemente unter milden Bedingungen präzise zu trennen. Dies bietet neue molekulare Werkzeuge für die effiziente Anreicherung von Lanthaniden. Diese beiden Wege bilden eine doppelte Absicherung aus „Molekularerkennung" und „Nano-begrenztem Sieben", sodass jedes Ion im Moment des Durchtritts durch die Membran „präzise identifiziert" wird.

Erweiterbarkeit zur Behandlung von Atommüll und komplexen Trennaufgaben

Die neue Strategie ist in hohem Maße auf die Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente und die Trennung von Seltenerdmetallen erweiterbar. Durch eine einfache Koppelung chemischer Oxidation mit GOM-Sieb und Lösungsmittelextraktion kann eine hocheffiziente Gruppenabtrennung von Lanthaniden und Actiniden unter stark sauren Bedingungen erreicht werden. In stark sauren Lösungen werden die Actinoide zu linearen Actinoyl-Ionen oxidiert, während die Lanthanide kugelförmig bleiben. Die deutlichen Unterschiede in Größe und räumlicher Konfiguration ermöglichen eine Siebung durch die spezifischen Kanalgrößen des GOMs. Es ist zu erwarten, dass diese Trennungsstrategie weiter modifiziert und ausgebaut werden kann, um andere Trennungsaufgaben im Brennstoffkreislauf zu bewältigen.

Von hochreinen Materialien zur Atommüllbehandlungung

Revolution der Herstellung hochreiner Seltenerdmetalle: Kosten senken, Effizienz steigern

Branchen wie die Herstellung von auf Lanthaniden basierenden Leuchtstoffen, Laser-Kristallen und hochreinen Seltenerd-Targets sind seit langem durch Reinheitsbegrenzungen eingeschränkt. Die atomare Siebtechnologie kann die Reinheit bei der Rückgewinnung spezifischer Lanthanid-Ionen auf ein nie dagewesenes Niveau heben und damit die Grundlage für die Herstellung neuartiger Spitzenmaterialien schaffen. Die Einführung der präzisen Siebung in die nassmetallurgische Raffination von Seltenerdmetallen könnte die traditionelle mehrstufige Extraktionskette drastisch verkürzen, den Säure-Base-Verbrauch und die Menge radioaktiver Abfälle reduzieren und so eine „umweltfreundliche Metallurgie" bei gleichzeitiger „hochwertiger Verwertung" ermöglichen.

Bewältigung der „globalen Herausforderung" der Atommüllbehandlung

Bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente ist die Trennung von Actiniden und Lanthaniden eines der Kernprobleme (ihr chemisches Verhalten ist extrem ähnlich). Die Umwandlung von Actiniden wie Uran, Neptunium und Plutonium durch Oxidation in lineare Ionen, die sich in ihrer Konfiguration deutlich von den kugelförmigen Lanthanid-Ionen unterscheiden, könnte in Kombination mit Trennungsmembranen, deren Kanalgrößen präzise kontrolliert werden, die geforderten Reinheitsgrade von einem Millionstel erreichen. Dies würde entscheidende technische Unterstützung für die Volumenreduzierung und geologische Endlagerung hochradioaktiver Flüssigabfälle bieten und das langfristige Umweltrisiko durch Atommüll erheblich verringern.

Strategische Sicherheitssicherung und Effizienz bei der Nutzung kritischer Metalle

Die atomare Siebtechnologie kann auch auf Trennungssysteme für sehr ähnliche Elemente angewendet werden, z. B. die kooperative Trennung von Lanthaniden oder die Extraktion spezieller Isotope, und auf die Ultrahochreinigung anderer kritischer Metalle wie Gallium/Indium, Zirkonium/Hafnium oder Tantal/Niob ausgeweitet werden. Durch die Integration von Adsorptionsmaterialien und Membrantrennung könnte die Ressourcengewinnung grundlegend neu gestaltet werden, von einer Strategie des „erst alles gewinnen, dann trennen" hin zu einem Prozess des „gleichzeitigen Siebens und Anreicherns", um so die Stabilität der Lieferkette für kritische Metalle zu gewährleisten und die Ressourcennutzung zu maximieren.