Opportunities and challenges associated with microfluidics for the recovery of rare earths

Abstract

Scope: Rare earths are critical raw materials key to guarantee the current and future technological development. Although they are relatively abundant in the Earth crust, their supply is restricted by geopolitical strategies and their separation is considerably complex, being their separation considered as one of the seven that may change the world (Sholl and Lively, 2016). Microfluidics is a field in expansion that offers substantial enhancements in the mass and energy transfer, yields and safety (Basauri et al., 2019). Therefore, the synergy between microfluidics and the solvent extraction of rare earths constitutes an attractive alternative, as the mass transfer enhancement derived from the first one will boost the operation of the second. However, the implementation of this strategy makes unavoidable facing the microdevices numbering-up to assure their competitiveness in applications that require high-value products with high purity. Objectives: This work intends to prove the feasibility of bringing together microfluids and solvent extraction to recover rare earths through an experimental and numerical analysis. Methodology:In the first place, the microdevices to be used in the experimental analysis were manufactured employing the ESCARGOT (Embedded SCAffold RemovinG Open Technology) method. The microdevices have been employed in the analysis of the operational conditions in the rare earth recovery and the separation viability study. Moreover, a mathematical model employing Computational Fluid Dynamics (CFD) has been developed. Finally, the numbering-up of the microreactors has been addressed through the previously developed and validated model. Results: The influence of the pH of the aqueous solution, the concentration of extractant and the geometry of the device on the recovery of rare earths has been studied, achieving separations superior to 95% in less than 12.5 seconds. The influence of the geometry of the device has been studied through the droplet generation volume, proving that smaller droplets induce an improved extraction. Furthermore, the separation of dysprosium and lanthanum in the studied setup has been tested successful. The Computational Fluid Dynamics (CFD) mathematical model that has been developed provides an adequate prediction of the fluid dynamics in the system and an acceptable fitting between experimental and simulated data with a deviation inferior to 10% in more than 90% of the cases. Finally, a numbered-up microdevice has been devised with the assistance of the developed model to adjust the operational variables and assure the split of the droplets in each bifurcation Conclusions: This master thesis has proved the viability of employing a microextraction system to recover rare earths. It has been confirmed that the pH adjustment, the concentration of extractant and the geometry of the device are key factors in optimization of the extraction. A predictive mathematical model that describes accurately the operation of the system for different configurations of microdevices and operational conditions has been developed. This model is proposed as a high-value tool to assist in the design of microfluidic devices for different applications in solvent extraction processes.

Planteamiento del problema: Las tierras raras son materias primas críticas indispensables para mantener el desarrollo tecnológico actual y futuro. Aunque son relativamente abundantes en la corteza terrestre, su suministro está limitado por estrategias geopolíticas y su separación es compleja, considerándose una de las siete separaciones que podrían cambiar el mundo (Sholl and Lively, 2016). La microfluídica es un campo en expansión que ofrece notables mejoras en la transferencia de materia y energía, rendimiento y seguridad (Basauri et al., 2019). Por ello, la sinergia entre la extracción líquido-líquido y la microfluídica se presenta como una alternativa atractiva para la recuperación selectiva de tierras raras. Ello se debe a que la transferencia de materia, la etapa controlante, se ve intensificada gracias a la miniaturización del sistema. Sin embargo, la consideración de esta estrategia implica afrontar su escalado para garantizar la competitividad de esta tecnología en aplicaciones reales que requieran obtener productos de alto valor añadido con una alta pureza. Objetivos: Este trabajo pretende demostrar la viabilidad de aunar microfluídica y extracción líquido-líquido para recuperar tierras raras a través de un estudio experimental y un análisis numérico. Metodología: En primer lugar, se han diseñado y fabricado los microdispositivos mediante la técnica ESCARGOT (Embedded SCAffold RemovinG Open Technology). Los microdispositivos fabricados se han empleado en el análisis de las condiciones de operación en la recuperación de tierras raras y en el estudio de viabilidad de la separación de sus mezclas. Además, se ha desarrollado y validado experimentalmente un modelo matemático empleando Dinámica Computacional de Fluidos (CFD). Por último, se ha empleado el modelo predictivo previamente validado para abordar el escalado del sistema microfluídico. Resultados: La evaluación de la influencia de las condiciones de operación en la recuperación de tierras raras ha subrayado que el aumento del pH y de la concentración de extractante conducen a una extracción notablemente más rápida, consiguiendo separaciones superiores al 95% en menos de 12.5 segundos. La influencia de la geometría del dispositivo se ha estudiado a través del volumen de generación de microgotas, probándose que volúmenes más pequeños conducen a una separación más intensificada. Asimismo, se ha comprobado que la separación de disprosio y lantano es viable empleando el sistema experimental analizado. El modelo matemático de Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) desarrollado predice satisfactoriamente la generación de gotas y la extracción de tierras raras, habiéndose ratificado que existe una desviación inferior al 10% entre los datos experimentales y simulados en más del 90% de los casos. Por último, se ha diseñado una estructura escalada empleando el modelo matemático predictivo para adecuar las variables de operación de modo que se garantice la ruptura homogénea de las gotas en cada intersección. Conclusiones: El presente trabajo ha probado la viabilidad de emplear un sistema de microextracción para la recuperación de tierras raras. Se ha demostrado que el ajuste del pH, concentración de extractante y geometría del dispositivo son factores clave en la optimización del proceso de extracción. Se ha desarrollado un modelo matemático predictivo de CFD que permite describir de forma detallada el funcionamiento del sistema para diferentes configuraciones de microdispositivos y distintas condiciones de operación. Este modelo matemático predictivo se postula como una herramienta de alto valor para asistir al diseño de dispositivos microfluídicos con diferentes aplicaciones en procesos de extracción en fase líquida.