In dieser Arbeit wurde der Einsatz von Amberlite XAD 7 HP imprägniert mit Di-(2-ethylhexyl)phosphorsäure als Solvent imprägniertes Harz für die Trennung von Ionen Seltener Erdelemente in einer Trennsäule untersucht. Mittels Batchversuchen wurden die Extraktionsisothermen und Extraktionskinetiken für verschiedene Seltene Erdelemente an imprägniertem Amberlite XAD 7 HP bestimmt und der Einfluss der Amberlitepartikelgröße auf diese Isothermen und Kinetiken untersucht. Versuche an der Trennsäule zeigten einen großen Einfluss des Volumenstroms des Elutionsmittels und der Amberlitepartikelgröße auf den Trennerfolg eines binären Gemischs Seltener Erdelemente. Im Gegensatz zu den unzerkleinerten Amberlitepartikeln ist es durch den Einsatz von zerkleinerten Amberlitepartikeln möglich gewesen, ein Cerium-Lanthan-Gemisch zu trennen. Die Regenerationsfähigkeit und die Wiederverwendbarkeit des hergestellten Solvent imprägnierten Harzes konnte gezeigt werden.:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielstellung .............................................................................. 1
2 Stand von Wissenschaft und Technik ............................................................. 3
2.1 Seltene Erdelemente ................................................................................ 3
2.1.1 Vorkommen und Anwendungsgebiete von Seltenen Erdelementen .. 4
2.1.2 Chemische und physikalische Eigenschaften von Seltenen Erdelementen ..................................................................................... 7
2.1.3 Abbau und Aufbereitung von Seltenen Erdelementen ..................... 10
2.1.4 Verfahren für die Trennung von Gemischen Seltener Erdelemente . 11
2.1.5 Alternative und umweltschonendere Verfahren für die Trennung von Gemischen Seltener Erdelemente ............................................. 18
2.2 Zerkleinern von polymeren Materialien .................................................. 22
2.2.1 Zerkleinerung von Ionentauschern in verschiedenen Mühlen .......... 23
2.2.2 Zerkleinern von polymeren Ionentauscherpartikeln in einer Trommelmühle ................................................................................. 25
2.3 Adsorptionsisotherme/Extraktionsisotherme .......................................... 27
2.4 Einführung in die Extraktionschromatographie ....................................... 31
2.4.1 Grundlagen der Extraktionschromatographie ................................... 32
2.4.2 Solvent imprägnierte Harze und Levextrel-Harze - spezielle Formen von Trägermaterialien ......................................................... 45
2.4.2.1 Herstellung und Eigenschaften von Solvent imprägnierten Harzen ................................................................................. 47
2.4.2.2 Eigenschaften und Herstellung von Levextrel-Harzen .......... 51
2.4.2.3 Einsatz von Solvent imprägnierten Harzen und LevextrelHarzen in der Metallextraktion ............................................. 52
2.4.2.4 Probleme bei dem Einsatz von Solvent imprägnierten Harzen ................................................................................. 56
IV
2.4.3 Einfluss der Struktur des Trägermaterials und der Arbeitsbe- dingungen auf die Trennleistung einer Trennsäule .......................... 57
2.4.4 Einsatz der Extraktionschromatographie für die Trennung von Gemischen Seltener Erdelemente ................................................... 60
2.4.5 Mechanismus bei der Trennung von Seltenen Erdelementen mittels Extraktionschromatographie und D2EHPA ............................ 64
3 Experimentelles Arbeiten .............................................................................. 67
3.1 Verwendetet Materialien ......................................................................... 67
3.1.1 Trägermaterialien ............................................................................. 67
3.1.2 Stationäre Phase.............................................................................. 71
3.1.3 Seltene Erdelemente ........................................................................ 72
3.2 Verwendete Apparaturen und Messgeräte ............................................. 72
3.2.1 Messmethoden für die Partikelcharakterisierung ............................. 72
3.2.2 Bestimmung der Elementkonzentration von wässrigen Proben mittels ICP OES ............................................................................... 75
3.2.3 Aufbau und Funktionsweise der Trennsäule .................................... 79
3.3 Durchführung von Versuchen zur Charakterisierung der Extraktionsmaterialien und zur Trennung binärer Gemische Seltener Erdelemente ..... 82
3.3.1 Waschung von Amberlite XAD 7 HP ................................................ 84
3.3.2 Zerkleinern und Klassieren von Amberlite XAD 7 HP ...................... 84
3.3.3 Imprägnierung von Amberlite XAD 7 HP .......................................... 85
3.3.4 Batchversuche zur Ermittlung geeigneter Parameter, Extraktionskinetiken, Extraktionskapazitäten und Säurekonzentrationen .......... 86
3.3.5 Trennung von Ionen Seltener Erdelemente mittels Trennsäule ....... 89
3.3.6 Prüfung auf Reproduzierbarkeit der Versuche an der Trennsäule ... 93
3.3.7 Prüfung auf Wiederverwendbarkeit des Extraktionsmaterials .......... 93
3.3.8 Hydrophobierung von hydrophilen Oberflächen ............................... 94
4 Ergebnisse .................................................................................................... 96
4.1 Zerkleinerung des Trägermaterials Amberlite XAD 7 HP ....................... 96
V
4.2 Reaktionsmechanismus von Ionen Seltener Erdelemente bei der Extraktion ............................................................................................. 100
4.3 Imprägnierung des Trägermaterials Amberlite XAD 7 HP .................... 101
4.4 Charakterisierung des Trägermaterials Amberlite XAD 7 HP vor und nach der Imprägnierung mit D2EHPA ................................................... 103
4.4.1 Unzerkleinertes Trägermaterial Amberlite XAD 7 HP ..................... 103
4.4.2 Zerkleinertes Trägermaterial Amberlite XAD 7 HP ......................... 107
4.4.3 Auswertung der 3D-Röntgenmikroskopie einer mit Neodym beladenen Amberliteschüttung ........................................................... 110
4.5 Vorversuche zur Ermittlung von geeigneten Versuchsparametern und zur Bestimmung der Kapazitäten des Extraktionsmaterials ........... 112
4.5.1 Ermittlung des optimalen pH-Werts für die Trennung von Ge- mischen Seltener Erdelemente ...................................................... 112
4.5.2 Ermittlung der optimalen Schüttelzeit für maximale Extraktionskapazitäten ..................................................................................... 113
4.5.3 Extraktionskinetik ........................................................................... 115
4.5.4 Ermittlung von Extraktionsisothermen ausgewählter Seltener Erdelemente ................................................................................... 118
4.5.5 Bestimmung der Trennfaktoren von binären Gemischen Seltener Erdelemente mittels imprägniertem Amberlite XAD 7 HP .............. 124
4.5.6 Variation der Stoffmengenkonzentration des Elutionsmittels Salzsäure für die Trennung von Gemischen Seltener Erdelemente ..... 127
4.5.7 Typische Störkomponenten ........................................................... 129
4.6 Charakterisierung der Trennsäule ........................................................ 130
4.6.1 Überprüfung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ..................... 131
4.6.2 Variation des Volumenstroms der mobilen Phase in der Trennsäule ..................................................................................... 132
4.6.3 Prüfung der Wiederverwendbarkeit des Extraktionsmaterials ........ 137
4.6.4 Lokale Masseverteilung der Seltenen Erdelemente in der Trennsäule ..................................................................................... 140
VI
4.7 Trennung binärer Gemische Seltener Erdelemente mittels unzerkleinertem imprägniertem Amberlite XAD 7 HP ........................... 146
4.8 Trennung binärer Gemische Seltener Erdelemente mittels zer- kleinertem imprägniertem Amberlite XAD 7 HP .................................... 152
4.9 Untersuchung zum Trennverhalten eines Eisen-Lanthan-Gemischs (mögliche Störkomponenten) ............................................................... 159
4.10 Weitere Trägermaterialien .................................................................... 162
4.10.1 Lewatit VP OC 1026 ....................................................................... 162
4.10.2 Celite-512 ....................................................................................... 169
4.10.3 Divergan RS ................................................................................... 171
4.10.4 Vergleich aller eingesetzten Trägermaterialien .............................. 173
5 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................ 175
6 Literaturverzeichnis ..................................................................................... 178
Abbildungsverzeichnis .................................................................................... 197
Tabellenverzeichnis ........................................................................................ 208
Anhang ........................................................................................................... 210
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:32055 |
| Date | 19 November 2018 |
| Creators | Grohme, Anja |
| Contributors | Peuker, Urs Alexander, Repke, Jens-Uwe, Technische Universität Bergakademie Freiberg |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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