Wat als industrieel afvalwater geen kostenpost is, maar een verborgen bron van kostbare grondstoffen? Onderzoekers van Rice University hebben een extreem poreus materiaal ontwikkeld dat zeldzame aardmetalen uit vervuild water kan terugwinnen. Zelfs een honderdvoudige overmaat aan ijzer blijkt nauwelijks een probleem.
Zeldzame aardmetalen zijn onmisbaar voor elektrische auto’s, windturbines en medische apparatuur. De winning en verwerking ervan zijn echter sterk geconcentreerd in enkele landen, met name China. Dat maakt de toeleveringsketens kwetsbaar en vergroot de behoefte aan alternatieve bronnen.
Onderzoekers van de Amerikaanse Rice University zien een mogelijke oplossing in industrieel afvalwater. Daarin bevinden zich soms kleine hoeveelheden waardevolle metalen die doorgaans verloren gaan.
Bouwt voort op Nobelprijswinnende technologie
Voor hun nieuwe materiaal bouwden de onderzoekers voort op een technologie die in 2025 werd bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde: metal-organic frameworks (MOF’s). Deze materialen bestaan uit metaalionen en organische verbindingen die samen een extreem poreuze structuur vormen. Dankzij hun enorme inwendige oppervlak kunnen ze grote hoeveelheden stoffen opnemen.
Het team gebruikte een waterbestendig MOF, genaamd MIL-101, en paste de binnenkant van de poriën aan met een organische verbinding: fosfonomethyliminodiazijnzuur (PMIDA). Deze moleculen werken als chemische grijparmen die positief geladen ionen van zeldzame aardmetalen stevig vasthouden.
De onderzoekers ontdekten dat meer PMIDA toevoegen niet alleen zorgt voor extra bindingsplaatsen. Moleculaire simulaties lieten zien dat meerdere PMIDA-groepen zich rondom één metaalion kunnen organiseren. Hierdoor ontstaan sterkere en stabielere chemische verbindingen, waardoor het materiaal aanzienlijk meer zeldzame aardmetalen kan opnemen.
Tot 195 milligram per gram
De onderzoekers testten drie zeldzame aardmetalen: neodymium, gadolinium en dysprosium. Bij de hoogste onderzochte PMIDA-concentratie behaalde het materiaal de volgende opnamecapaciteiten:
- Neodymium: 160 milligram per gram materiaal
- Gadolinium: 175 milligram per gram
- Dysprosium: 195 milligram per gram
Voor neodymium en gadolinium zijn deze waarden minstens twee keer zo hoog als eerder gerapporteerde resultaten met hetzelfde type MOF onder vergelijkbare omstandigheden. Nog opvallender is de selectiviteit. Zelfs wanneer de concentratie ijzer honderd keer zo hoog was als die van de zeldzame aardmetalen, bleef de opname vrijwel onveranderd. In één experiment bedroeg de afname slechts 0,3 procent.
Hergebruik is mogelijk
Een adsorptiemateriaal is pas praktisch bruikbaar wanneer de gevangen metalen ook weer kunnen worden vrijgemaakt.
Dat lukte met verdund zoutzuur, waarmee het grootste deel van de opgenomen zeldzame aardmetalen uit het materiaal kon worden verwijderd. Daarmee ontstaat in principe de mogelijkheid om zowel de metalen terug te winnen als de spons opnieuw te gebruiken.
Nog geen industriële oplossing
De technologie kan op termijn een alternatief vormen voor conventionele vloeistof-vloeistofextractie, waarbij chemische oplosmiddelen worden ingezet om metalen te scheiden. Toch is grootschalige toepassing nog geen uitgemaakte zaak. De onderzoekers moeten onder meer aantonen dat het materiaal na tientallen of honderden gebruikscycli voldoende capaciteit behoudt.
Ook de economische haalbaarheid verdient aandacht. Een hoge opnamecapaciteit betekent immers niet automatisch dat afvalwater voldoende zeldzame aardmetalen bevat om terugwinning rendabel te maken. De metaalconcentratie, benodigde chemicaliën en kosten voor regeneratie zullen daarbij doorslaggevend zijn.
De grootste kansen liggen vermoedelijk bij industriële reststromen waarin deze metalen relatief geconcentreerd voorkomen. Daar kan afvalwater veranderen van een afvalprobleem in een aanvullende grondstoffenbron.
Het onderzoek verscheen in ACS Applied Materials & Interfaces.
