Zeldzame aarden zijn onmisbare grondstoffen. De wereldwijde vraag is dan ook hoog. Ze zijn essentieel voor de energietransitie, omdat ze nodig zijn voor de productie van elektromotoren, accu’s en windturbines. De ontginning ervan gaat gepaard met een hoog verbruik van chemicaliën en is schadelijk voor het milieu. Daarom is het des te belangrijker om de reeds beschikbare zeldzame aarden spaarzaam te gebruiken en te recyclen. Dat is ook het doel van Heraeus Remloy: wij passen een nieuw procedé toe om permanente magneten van neodymium te hergebruiken.
Zeldzame aarden – belangrijke metalen voor technologieën van de toekomst
Wat zijn zeldzame aarden?
De zeldzame aarden zijn de 17 elementen van de lanthaniden, plus yttrium en scandium. Al deze chemische elementen zijn metalen. Overigens zijn zeldzame aarden niet zo schaars als de naam doet vermoeden: neodymium komt bijvoorbeeld vaker voor in de aardkorst dan lood, koper of goud. De metalen danken hun naam aan de periode waarin ze voor het eerst werden aangetroffen. Ze werden onderzocht als oxideverbindingen – vroeger ‘aarden’ genoemd – in zeldzame mineralen. Neodymium werd pas aan het eind van de 19e eeuw als zelfstandig element ontdekt en in 1925 voor het eerst in zuivere vorm geïsoleerd.
Zeldzame aarden spelen een belangrijke rol in ons dagelijkse leven: ze zijn onmisbaar in smartphones, laptops, elektrische auto’s en elektrisch gereedschap. Neodymium is nodig voor permanente magneten in elektromotoren en harde schijven.
Gangbare metalen ─ schaarse vindplaatsen
De afzettingen van zeldzame aarden zijn echter beperkt. Vele ervan worden alleen gewonnen als bijproduct van andere ertsen. Daarbij worden telkens slechts kleine hoeveelheden ontgonnen. In 2020 bedroeg de wereldwijde mijnproductie van zeldzame aarden 214.000 ton. Bijna 70 procent van de ontginning en raffinage gebeurt in China, waarvan een derde van de Bayan Obo-mijn in Binnen-Mongolië alleen al.
Er zijn andere vindplaatsen in Noord-Amerika, Australië, Groenland, Rusland en zelfs Duitsland. Deze zijn echter te klein of onvoldoende ontwikkeld om mijnbouw economisch rendabel te maken. Vanwege de dominante marktpositie van China beschouwt de Europese Commissie zeldzame aarden momenteel als grondstoffen met het grootste bevoorradingsrisico. Ook de onderzoeksdienst van de Duitse Bondsdag heeft het belang van de elementen bestudeerd en de relevante feiten samengevat in een document (‘Seltene-Erden als wichtige Ressource’).
Hoe worden zeldzame aarden ontgonnen?
Zeldzame aarden worden voornamelijk gewonnen in industriële dagbouw. Ze komen voor als oxiden. In Bayan Obo bijvoorbeeld vindt de ontginning plaats als bijproduct van ijzerertsproductie. Het gewonnen erts wordt eerst gebroken en gemalen. Na een optionele magnetische scheiding volgt een meerfasige flotatie om tot een concentraat van zeldzame aarden zoals bastnäsiet of monaziet te komen.
Dit concentraat wordt dan gedroogd en met toevoeging van zwavelzuur geroost en ontsloten. Daarna wordt het behandeld met een loog. De stappen verschillen volgens de aard van de ontginning en de samenstelling van de concentraten. Ten slotte worden de afzonderlijke zeldzame aarden geïsoleerd met behulp van organische oplosmiddelen. Om metallisch neodymium aan het oxide te onttrekken is een energie-intensieve elektrolyse met gesmolten zout vereist. Gewoonlijk kan uit 200 kilogram ruw erts één kilogram neodymium worden gewonnen.
Problemen voor bij de ontginning van zeldzame aarden
De winning van zeldzame aarden is energie-intensief, duur en schadelijk voor het milieu door het veelvuldige gebruik van chemicaliën. Afhankelijk van de ontginningsmethode moeten bodemlagen met zeldzame aarden direct uitgeloogd en over het hele oppervlak verwijderd worden. Dit heeft een enorme impact op de natuur. Daarnaast is er het hoge waterverbruik tijdens de ontginning. Gemiddeld is 2.300 liter water nodig om één kilo zeldzame aarden te produceren. De ertsen bevatten bovendien radionucliden, vooral uranium en thorium. Bijgevolg zijn de mijnbouwresiduen radioactief besmet, afhankelijk van het type afzetting. Moderne processen die het milieu minder belasten worden tot nog toe weinig gebruikt, waardoor recycling des te belangrijker is.
Zeldzameaardemagneten
Zeldzameaardemagneten zijn permanente magneten van zeldzame aarden. Vergeleken met traditionele magneten vertonen ze een hoge remanentie en een hoge coërciviteit.
Een van de meestgebruikte permanente magneten in de industrie bestaat uit neodymium-ijzer-borium (Nd2Fe14B1). Deze wordt gekenmerkt door een zeer hoge remanentie, coërcieve veldsterkte en energiedichtheid. Daarom zijn neodymium-ijzer-boriummagneten bijzonder sterk en volstaat een kleine vormfactor. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen waar de ruimte beperkt is, zoals in harde schijven of hifiluidsprekers.
Hoe worden zeldzameaardemagneten gemaakt?
Permanente magneten worden vaak als kristallijn poeder in een mal geperst. Dit wordt dan gesinterd, d.w.z. onder druk verhit, om de verschillende grondstoffen te verbinden. Daarna volgt de magnetisatie met een extern magnetisch veld. De permanente magneten oriënteren zich volgens dit veld en verkrijgen zo hun werking.
Lees meer over de neodymium-ijzer-boriummaterialen van Heraeus