Towards the recovery of rare earth elements from end-of-life products : hydrometallurgical routes and mathematical modelling of extraction systems

Abstract

The rare earth elements (REEs) are essential ingredients for the development of modern industry and the transition to a more sustainable economy model. The unique physicochemical features of these elements, such as their magnetism and optical properties, are greatly expanding their application. They have become key elements for the manufacture of many ordinary consumer goods like hybrid cars, fluorescent lamps or electronic devices like mobile phones or tablets. The growing popularity of the rare earth elements derivatives is leading to an increase in the global demand and the price of these elements. Unfortunately, the current availability of these resources is limited due to three main factors: their heterogeneous geological location, their low concentration in the ores, and the environmental issues related with their mining. All these disadvantages concerning the supply of the rare earth elements have led to the study of new techniques to obtain them, such as the recycling of end-of-life products. Recycling of REEs arises as a new secondary source of supply of REEs, especially in Europe where large amounts of technological waste are generated every year. Currently, the recycling of rare earth elements represents less than 1% of the global supply. Nevertheless, some studies in the literature assume that by 2050 the recovery rate of REEs will be 90% for wind turbines, 70% for electrical vehicles and 40% for the rest of derivative products. The research presented in this thesis relies on experimental investigation of new hydrometallurgical routes, the majority of them involving the use of ionic liquids, which could eventually be applied for the recovery of rare earth elements from end-of-life products. Matemathical modelling of the reported extraction systems has been carried out in order to provide a computational instrument that can be easily tailored for prediction of other collecting processes requiring minor adjustments.

Les terres rares son ingredients essencials per al desenvolupament de la indústria moderna i la transició cap a un model econòmic més sostenible. Les seves característiques físico-químiques úniques, com el seu magnetisme i propietats òptiques, han precipitat un increment accelerat en l’aplicació d’aquests elements. Les terres rares s’han convertit en elements clau per a la fabricació de molts articles d’ús diari com per exemple, cotxes elèctrics i dispositius electrònics com telèfons mòbils i tabletes. La creixent popularitat dels productes que contenen aquests metalls està provocant un escalat en la demanda global i el preu de les terres rares. Desafortunadament, en l’actualitat, la disponibilitat d’aquests recursos a la natura és limitada degut bàsicament a tres factors: heterogènia localització geològica, baixa concentració als minerals que els contenen i inconvenients mediambientals relacionats amb la mineria. Els inconvenients relacionats amb el subministrament de les terres rares a nivell mundial han propiciat l’estudi de noves tècniques per a la obtenció d’aquests elements mitjançant el reciclatge de productes que els contenen. El reciclatge sorgeix com una font secundària alternativa a la mineria per tal d’assegurar el provisionament de terres rares especialment a Europa, on generem grans quantitats de residus tecnològics cada any. Actualment, la taxa de reciclatge de terres rares se situa per sota l'1% del subministrament global. No obstant, alguns estudis publicats en la literatura assumeixen que l’any 2050, la taxa de recuperació haurà augmentat considerablement, de manera que es reciclarà fins a un 90% de les terres rares provinents d’aerogeneradors, 70% de vehicles elèctrics i 40% de la resta de productes que contenen aquests metalls. La recerca presentada en aquesta tesi es basa, principalment, en la investigació de noves rutes hidrometal·lúrgies, la majoria d’elles utilitzant líquids iònics, que puguin ser implementades en processos de recuperació de terres rares a partir de residus tecnològics. D’altra banda, s’han elaborat models matemàtics dels sistemes d’extracció reportats que pretenen convertir-se en una eina computacional, fàcilment adaptable, per a la predicció del comportament d’extracció en d’altres processos de recuperació amb diferents condicions experimentals.