Novel rare earths extraction process by supercritical CO2 and TBP-HNO3 complex (preliminary experiments). The Treibacher Industries-ENEA experience

The scientific collaboration between ENEA and Treibacher Industry AG (TIAG) had the aim to develop a novel hydrometallurgical extraction process for the recovery of rare earths, and Yttrium in particular, from waste or other new alternative raw material sources. Research activities were carried out by the two groups using facilities, available laboratories and sharing know-how and skills. Within this cooperation, between 2013 and 2015, ENEA fitted its mission on sustainable development and environmental safety, and TIAG reached an efficient extraction and purification process. Among the tested extraction methods was employed also a bench scale plant, working with supercritical fluids, usually busy for the extraction of natural essences and oils. Supercritical CO2 technique (CO2-SC) is nowadays mostly used to extract organic compounds from vegetal matrices. Recently it has found, in metal extraction, a new application field. CO2-SC assisted metal extractions, usually needs a ligand among which the Ter-n-butyl phosphate (TBP) is one of the most employed. For these applications, among the TBP-based ligands, the ones obtained combining TBP and nitric acid, having the non-specific formula TBP(HNO3)x(H2O)y, often are reported in literature [1-31]. These ligands were studied in this work on a simple matrix containing a mix of La2O3, Nd2O3, Eu2O3, and Y2O3 (granulometry ≤ 40 μm) in order to reach the best working condition for the extraction, separation and purification of every rare earth. Among the rare earths these four (La, Nd, Eu, Y) are often present, either in mining rocks, or in WEEEs, are among the more precious, and cover almost all the different chemical-physical properties of the rare earths. Thus they were chosen with the aim of create a simple but representative matrix. The CO2-SC technique was also tested on a waste powder obtained from lamps and delivered by TIAG.

La collaborazione scientifica fra ENEA e Treibacher Industry AG (TIAG) è basata sulla ricerca e ottimizzazione di un processo idro-metallurgico atto ad estrarre e purificare terre rare (in particolare Ittrio) da rifiuti e altri materiali grezzi. Questa ricerca incontra anche gli interessi ENEA in merito alla salvaguardia ambientale e alla sostenibilità. Al fine di traguardare questi comuni interessi, è stato stilato un accordo che ha coronato la proficua collaborazione e lo scambio di conoscenze di due team di ricerca (uno di ENEA e l’altro di TIAG) con le relative apparecchiature nel triennio 2013-2015. Uno dei temi di ricerca ruotava attorno all’uso di fluidi supercritici e complessanti per estrarre e purificare terre rare da varie matrici. L’Anidride Carbonica (CO2) in condizioni supercritiche, finora ampiamente utilizzata per estrarre e concentrare composti organici da matrici vegetali, recentemente ha trovato un nuovo campo di applicazione nell’estrazione dei metalli. Quest’applicazione in genere necessita di un complessante e fra i complessanti più utilizzati figura il Ter-n-butyl phosphate (TBP). In particolare combinando TBP con l’acido nitrico e l’acqua si possono creare diverse tipologie di complessanti la cui formula bruta si può riassumere nella formula generica TBP(HNO3)x(H2O)y spesso riportata in letteratura [1-31]. In questo lavoro è stato utilizzato di uno dei complessanti appartenenti a questa famiglia su una matrice semplificata di ossidi di terre rare contenente La2O3, Nd2O3, Eu2O3, and Y2O3 con lo scopo di iniziare un’indagine tesa a valutare le migliori condizioni di lavoro per incrementare sia le rese di estrazione che la separazione e la purezza delle terre rare estratte. In particolare l’ottimizzazione ricercata in questo lavoro si riferisce, sia ai tempi di contatto fra la matrice semplificata e il sistema estraente costituito da CO2 supercritica e complessante, che alla quantità di matrice sottoposta al processo di estrazione. La scelta della matrice semplificata (solo 4 terre rare) è legata alla necessità (in questa fase iniziale della ricerca) di limitare le variabili in gioco. La scelta proprio delle 4 terre rare La, Nd, Eu, Y è legata alla necessità di Treibacher di mettere a punto un efficiente sistema di estrazione e purificazione di Y a partire da matrici complesse contenenti le 4 terre rare indicate. La suddetta matrice semplificata suggerita da Treibacher incontra anche le esigenze di ricerca dell’ENEA in quanto questa matrice mima, non solo la composizione di alcune rocce minerarie provenienti da giacimenti di terre rare, ma anche la composizione di alcuni RAEE, e quindi, l’approfondimento delle conoscenze relative alla estrazione, separazione e purificazione delle terre rare di questa matrice semplificata, può trovare applicazione in ambito industriale favorendo la salvaguardia ambientale e lo sviluppo sostenibile. Infine è bene sottolineare che le 4 terre rare scelte, avendo proprietà chimico-fisiche fra loro differenti, costituiscono una matrice semplificata da cui si potrebbero teorizzare applicazioni su modelli più complessi. Nell’ambito di questa ricerca sono anche state testate le potenzialità di questo approccio di estrazione e purificazione anche su una polvere ottenuta da lampade esauste conferita da TIAG.