Insights into the mechanism of separation of Co, Nd, and Dy by different crystal structures of zirconium phosphate in bead form

锆 有孔小珠 机制(生物学) 磷酸盐 化学工程 材料科学 化学 结晶学 无机化学 有机化学 工程类 物理 复合材料 量子力学
作者
Zhongyan Luo,Jukka Kuva,Jan Luyten,Risto Koivula,Małgorzata Szlachta,Hongli Bao,Junhua Xu
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:360: 131087-131087 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2024.131087
摘要

The increasing demand for Co, Nd, and Dy, particularly in neodymium iron boron (NdFeB) magnets, has heightened concerns over their supply risks. Developing efficient, environmentally friendly methods to recover Co, Nd, and Dy from spent NdFeB magnets is therefore critical. This study presents the synthesis of two types of crystalline zirconium phosphate (ZrP) encapsulated in polyacrylonitrile (PAN) composite beads. The structure, morphology, and chemical properties were analyzed using X-ray diffraction (XRD), thermogravimetry (TG), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), X-ray computed tomography (XCT), transmission electron microscopy (TEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET), and 31 P nuclear magnetic resonance (NMR). The intercalation of dimethylformamide (DMF) enlarged the interlayer spacing of α-ZrP and γ-ZrP, thereby enhancing their ion exchange properties. Batch sorption experiments revealed that α-ZrP/PAN outperformed γ-ZrP/PAN in both sorption and separation efficiency. α-ZrP/PAN beads exhibited high selectivity for Nd 3 + and Dy 3 + , with minimal Co 2 + sorption (8.57 %). Stepwise elution studies on α-ZrP/PAN demonstrated the obtained metal purities to be ∼100 wt% for Co, 64.1 wt% for Nd, and 96.5 wt% for Dy. Sorbent regeneration was investigated over ten sorption–desorption cycles, which revealed that α-ZrP/PAN retained 72.72 % of its sorption capacity, demonstrating excellent reusability and stability, while γ-ZrP/PAN’s capacity declined to 68.95 % after five cycles. The ion-exchange reaction accompanied by shrinking of the interlayer space was illustrated by combining the batch sorption experiments, column operations, and analyses from XRD, FT-IR, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Overall, α-ZrP/PAN shows promise for Co, Nd, and Dy separation from NdFeB magnets, although further optimization of sorbents and elution agents is necessary.
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