Menu
e-shop
Výzkum představil novou třídu molekul (makrocyklických chelatačních ligandů) založených na cyklenu, které výrazně ovlivňují rozpustnost chelátů vzácných zemin v neutrálním vodném roztoku. Díky této vlastnosti umožňují cílené vyloučení jednotlivých lanthanoidů z roztoku s přesností srovnatelnou s tradičními průmyslovými metodami, jako je extrakce organickými rozpouštědly, ovšem bez použití škodlivých chemikálií. Používání jednoduchých koordinačních přísad, například acetátu, pak navíc umožnilo jemné doladění rozpustnosti a zvýšení účinnosti oddělování i pro obtížné páry sousedících prvků, jako jsou například neodym (Nd) a dysprosium (Dy).
Tato metoda byla testována na vzorku NdFeB magnetu z elektromotoru elektrického vozidla, přičemž výsledek byl velice nadějný: získaný produkt obsahoval 99,7 % čistého neodymu, což je kvalita plně vyhovující opětovnému průmyslovému použití. Výhodou je také to, že celý proces probíhá ve vodném prostředí, což zvyšuje jeho bezpečnost a ekologickou šetrnost, a zároveň je škálovatelný a adaptabilní na různé kombinace vzácných zemin, které lze tímto způsobem efektivně recyklovat.
NdFeB magnety, používané ve většině elektromotorů a elektronických zařízení, obsahují několik lanthanoidů s vysokou ekonomickou hodnotou – neodym, dysprosium, terbie a další. Tradiční metody oddělování, jako je solventní extrakce (vylučování pomocí organických rozpouštědel), vyžadují intenzivní použití kyselin a dalších chemikálií, což vede k vysokým nákladům, ekologickým rizikům a nutnosti náročných bezpečnostních opatření. Nový systém makrocyklických chelátorů značně snižuje tyto nevýhody a otevírá cestu k udržitelné recyklaci snižující závislost na primární těžbě.
Hlavní inovací je použití ligandů (označených L1 až L8), které mají aromatickou a hydrofobní (vodoodpudivou) část, jež zajišťuje specifické vlastnosti rozpustnosti vazeb se vzácnými zeminami. Například ligand označený L3, který disponuje naftylovou částí, vykazoval rychlé a spolehlivé cílené vyloučení vazeb neodymu z roztoku, což umožnilo selektivně oddělit Nd od ostatních prvků. Studie navíc prokázala, že přidání levných a ekologických přísad jako acetátu může výrazně zlepšit selektivitu vazby a tím i efektivitu separace jednotlivých prvků.
Experimentálně byl systém schopný dosahovat koeficientů separace kolem 40, což je srovnatelné s nejlepšími průmyslovými metodami solventní extrakce, přičemž je mnohem šetrnější. Separace tak umožňuje efektivní recyklaci prvků, které jsou velmi chemicky podobné a obtížně oddělitelné tradičními postupy.
Strukturní analýzy pomocí elektronové mikroskopie a rentgenové krystalografie odhalily, že vznikající vazby tvoří trojčlenné uskupení (trimery), stabilizované koordinací acetátových skupin a molekulami vody. Tato prostorová organizace ligandu s lanthanoidy vysvětluje jejich unikátní rozpustnost a schopnost cíleného vyloučení.
Výzkum také zkoumal novinky v průmyslovém složení; analýza NdFeB magnetů ukázala nečekanou přítomnost holmia jako doplňku či náhrady za tradiční prvky terbium a dysprosium. Toto zjištění je důležité pro budoucí recyklační technologie, protože umožňuje přizpůsobit oddělovací postupy novému průmyslovému složení magnetů.
Celkově tento výzkum podle vědců představuje průlomový krok k cirkulární ekonomice vzácných zemin, snižující závislost na ekologicky náročné těžbě primárních surovin a umožňující recyklaci cenných materiálů z elektronického odpadu a vyřazených výrobků. Proces je ekologicky udržitelný, bezpečný a vhodný pro průmyslové nasazení.*
| Molekulární klepeta Makrocyklické chelatační ligandy jsou speciální organické molekuly, které obsahují velké uzavřené cyklické struktury s více donorovými atomy (například dusíkovými či kyslíkovými), schopné koordinovat (vázat) kovové ionty ve svém středu. Tyto ligandy fungují jako „klepeta", která pevně obklopují kovový ion – vzniká tak stabilní komplex nazývaný chelát. Charakteristickým rysem makrocyklických ligandů je jejich velký, zpravidla devíti- či vícečlenný cyklus, který díky své nízké flexibitilitě a sterickým efektům způsobuje tzv. makrocyklický efekt. Tento efekt zvyšuje stabilitu a odolnost vzniklých chelátů oproti běžným, otevřeným (lineárním) ligandům. Díky tomu jsou tyto ligandy velmi vhodné pro selektivní a trvalé vazby kovových iontů v různých chemických aplikacích, včetně detoxikace, analytické chemie, medicíny a také průmyslové separace a recyklace kovů. V chemii vzácných zemin umožňují makrocyklické chelatační ligandy vysoce selektivní separaci jednotlivých prvků díky rozdílům v pevnosti a struktuře vytvářených komplexů. V tomto výzkumu se využívají cyklické ligandy na bázi cyklenu, jejichž aromatické části a další modifikace upravují rozpustnost a vazebnou afinitu chelátů k různým lanthanoidům, což umožňuje precizní oddělení jednotlivých vzácných zemin za podmínek šetrných k životnímu prostředí. |
Anna Walterová
