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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung wenigstens eines in elementarer Form vorliegenden Seltenerd-Elements ausgehend von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung, welche wenigstens ein in oxidierter Form vorliegendes Seltenerd-Element enthält.
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Es ist bekannt, dass in elementarer bzw. metallischer Form vorliegende Seltenerd-Elemente in einer Vielzahl an technischen Einrichtungen verwendet werden und somit zu deren Herstellung erforderlich sind.
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Bekannte technische Ansätze zur Darstellung entsprechender Seltenerd-Elemente basieren auf einer redoxbasierten Umsetzung von in entsprechenden Seltenerd-Element-Verbindungen in oxidierter Form, d.h. z.B. als Seltenerd-Chlorid oder -Oxid, vorliegend enthaltenen Seltenerd-Elementen.
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Eine derartige redoxbasierte Umsetzung entsprechender Seltenerd-Elemente erfolgt dabei beispielsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse. Problematisch hierbei ist einerseits eine aufwändige Edukt-Vorbereitung. Andererseits handelt es sich bei der Schmelzflusselektrolyse um ein wenig flexibles, typischerweise nur zur Darstellung eines bestimmten Elements anwendbares Verfahren, bei welchem zudem häufig schädliche Treibhausgase, z.B. CF4, entstehen.
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Die Darstellung von in elementarer bzw. metallischer Form vorliegenden Seltenerd-Elementen ist bis dato, insbesondere in prozesstechnischer Hinsicht, sonach aufwändig und schwierig.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Darstellung von in elementarer Form vorliegenden Seltenerd-Elementen ausgehend von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte auszeichnet:
- – Zuführen der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung in ein wenigstens ein Reduktionsmittel enthaltendes Plasma,
- – Reduzieren des in der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung enthaltenen, in oxidierter Form vorliegenden Seltenerd-Elements in die elementare Form mittels des wenigstens einen Reduktionsmittels,
- – Entfernen des wenigstens einen in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elements aus dem Plasma.
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Das erfindungsgemäße Prinzip betrifft einen besonderen technischen Ansatz zur Darstellung bzw. Herstellung von in elementarer bzw. metallischer Form vorliegenden, kurz elementaren bzw. metallischen, Seltenerd-Elementen. Ausgegangen wird dabei von wenigstens einer wenigstens ein in oxidierter Form vorliegendes, kurz ein oxidiertes, Seltenerd-Element enthaltenden Seltenerd-Element-Verbindung.
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Eine solche Seltenerd-Element-Verbindung kann z.B. ein Seltenerd-Chlorid, wobei das oxidierte Seltenerd-Element in einer chemischen Verbindung mit Chlor vorliegt, oder ein Seltenerd-Oxid, wobei das oxidierte Seltenerd-Element in einer chemischen Verbindung mit Sauerstoff vorliegt, oder ein Seltenerd-Phosphat, wobei das oxidierte Seltenerd-Element in einer chemischen Verbindung mit Phosphor vorliegt, sein oder „vergesellschaftet“ mit anderen Elementen umfassen.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die wenigstens eine Seltenerd-Element-Verbindung in ein wenigstens ein Reduktionsmittel enthaltendes Plasma zugeführt.
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Das Plasma befindet sich typischerweise in einer Reaktions- oder Plasmakammer, welcher wenigstens eine geeignete Plasmaeinrichtung zur Erzeugung eines Plasmas zugeordnet ist. Die Zuführung der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung erfolgt über geeignete Förder- bzw. Zuführeinrichtungen, z.B. in Form von Pumpeneinrichtungen.
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Die redoxbasierte bzw. redoxchemische Umsetzung des oder der in der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung in oxidierter Form vorliegend enthaltenen Seltenerd-Elemente erfolgt sonach in einem Plasma. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die redoxbasierte Umsetzung der oxidierten Seltenerd-Elemente in die elementare bzw. metallische Form bei sehr hohen Temperaturen, d.h. z.B. bei ca. 5000°C, erfolgen kann.
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In Abhängigkeit der Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter, d. h. insbesondere der Art des gewählten Plasmas, wird typischerweise ein Plasma mit einer in einem Bereich zwischen 1500°C und 10000°C, insbesondere in einem Bereich zwischen 2000°C und 5000°C, liegenden Temperatur verwendet. Besonders hohe Temperaturen, d.h. insbesondere Temperaturen oberhalb 9000°C, können in entsprechenden Plasmen lokal erreicht werden. Selbstverständlich können in Ausnahmen auch Plasmen mit niedrigeren oder höheren Temperaturen verwendet werden.
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Im Zusammenhang mit der Temperatur des verwendeten Plasmas ist zu erwähnen, dass die Reduktion vorteilhaft bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts des jeweils darzustellenden elementaren Seltenerd-Elements durchgeführt wird. Dies begründet sich dadurch, dass der Siedepunkt entsprechender Seltenerd-Element-Verbindungen typischerweise höher ist als der Siedepunkt der elementaren Form der in den jeweiligen Seltenerd-Element-Verbindungen in oxidierter Form vorliegenden Seltenerd-Elemente.
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Beispielsweise liegt der Siedepunkt von elementarem Dysprosium (Symbol Dy) bei ca. 2600°C, der Siedepunkt der oxidisch gebundenes Dysprosium enthaltenden Verbindung Dysprosiumoxid (Summenformel Dy2O3) liegt bei ca. 3900°C. Entsprechendes gilt für Europium (Symbol Eu); der Siedepunkt von reinem Europium liegt bei ca. 1597°C, der Siedepunkt der oxidisch gebundenes Europium enthaltenden Verbindung Europiumoxid (Summenformel Eu2O3) liegt bei ca. 4118°C. Die genannten Siedepunkte beziehen sich jeweils auf Umgebungsdruck. Sofern die in dem Plasma erfolgende redoxbasierte Umsetzung der Seltenerd-Elemente bei erniedrigtem Druck, d. h. insbesondere bei Vakuumbedingungen, durchgeführt wird, erniedrigen sich die jeweiligen Siedepunkte entsprechend. So liegt der Siedepunkt von elementarem Dysprosium z.B. bei einem Druck von 100 mbar nur bei ca. 2031°C.
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Sofern die Reduktion oberhalb des Siedepunkts des elementaren Seltenerd-Elements durchgeführt wird, ist ein Entfernen des sonach dargestellten elementaren Seltenerd-Elements erheblich vereinfacht, da dieses ohne Weiteres, z.B. geführt in einem Gasstrom, aus der Reaktions- bzw. Plasmakammer entfernt werden kann.
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Die plasmabedingt hohen Temperaturen bedingen eine Verschiebung des Gleichgewichts der Redoxreaktion zugunsten der Produkte, d.h. insbesondere der darzustellenden elementaren Seltenerd-Elemente. Die hohen Temperaturen sind insbesondere für den Fall der Verwendung von Wasserstoff bzw. Wasserstoff enthaltenden Verbindungen als Reduktionsmittel Seltenerd-Element-Verbindung insbesondere deshalb zweckmäßig, als diese das Molverhältnis zwischen dem als bzw. in dem Reduktionsmittel verwendeten Wasserstoff und dem Produktwasser, bei welchem Molverhältnis ein Ablaufen der Redoxreaktion überhaupt möglich ist, um mehrere Größenordnungen verringern. Die hohen Temperaturen ermöglichen sonach insbesondere eine (nahezu) quantitative, d.h. (nahezu) vollständige, redoxbasierte Umsetzung der in den Seltenerd-Element-Verbindungen enthaltenen oxidierten Seltenerd-Elemente in ihre elementare Form. Dies konnte anhand der Reduktion von in Titanoxid, welches näherungsweise mit entsprechenden Seltenerd-Element-Verbindungen vergleichbar ist, enthaltenem oxidierten Titan zu elementarem Titan gezeigt werden.
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Zur redoxbasierten Umsetzung des oder der in der Seltenerd-Element-Verbindung in oxidierter Form vorliegenden Seltenerd-Elemente enthält das Plasma wenigstens ein Reduktionsmittel. Als Reduktionsmittel kann z.B. Kohlenmonoxid oder, wie vorstehend erwähnt, Wasserstoff und/oder wenigstens eine Wasserstoff enthaltende Verbindung, insbesondere ein Hydrid, wie z.B. Lithiumaluminiumhydrid, Natriumborhydrid, Natriumhydrid, verwendet werden.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die eigentliche redoxbasierte Umsetzung der in der oder den Seltenerd-Element-Verbindungen enthaltenen in oxidierter Form vorliegenden Seltenerd-Elemente in die jeweilige elementare Form mittels des in dem Plasma enthaltenen wenigstens einen Reduktionsmittels und somit die eigentliche Darstellung der in elementarer Form vorliegenden Seltenerd-Elemente. Die in den jeweiligen Seltenerd-Element-Verbindungen oxidiert vorliegenden Seltenerd-Elemente werden sonach in einer Reduktionsreaktion in ihre elementare Form überführt, das Reduktionsmittel wird hierbei entsprechend in einer Oxidationsreaktion in seine oxidierte Form überführt.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Entfernen des oder der in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente aus dem Plasma. Das Entfernen der dargestellten elementaren Seltenerd-Elemente kann z.B. durch Absaugen dieser aus einer entsprechenden Reaktions- bzw. Plasmakammer mittels einer Fördereinrichtung, z.B. in Form einer Absaug- oder Pumpeneinrichtung, realisiert werden. Das oder die in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente können dabei z.B. in flüssigem oder festem Zustand aus dem Plasma entfernt werden.
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Sofern die aus dem Plasma entfernten, in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente mit anderen Substanzen vermengt sind, kann eine Auftrennung dieser Gemenge und somit eine Abtrennung der in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente über geeignete Abtrenneinrichtungen, z.B. Zyklon- oder Filtereinrichtungen, erfolgen.
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Da das erfindungsgemäße Verfahren typischerweise kontinuierlich betrieben bzw. durchgeführt wird, ist zum Entfernen der dargestellten elementaren Seltenerd-Elemente ein Abstellen respektive ein Unterbrechen des Plasmas nicht erforderlich. Für den Fall, dass – wie im Weiteren noch erwähnt wird – von Seltenerd-Element-Verbindungen enthalten in einer wässrigen Lösung ausgegangen wird, kann ein diskontinuierlicher Betrieb bzw. eine diskontinuierliche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig sein.
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Die Art des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Plasmas ist grundsätzlich frei wählbar und kann sonach, z.B. im Hinblick auf bestimmte prozesstechnische Vorgaben, gewählt werden. Zweckmäßig kann jedoch ein induktiv erzeugtes und somit elektrodenloses Plasma verwendet werden. Entsprechende induktiv erzeugte Plasmen sind deshalb praktikabel, als deren Realisierung keinerlei Maßnahmen zum Schutz entsprechender Plasmaelektroden bedarf.
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Das Plasma kann bei Umgebungsdruck oder bei einem im Vergleich dazu erniedrigten Druck, d.h. insbesondere unter Vakuumbedingungen, betrieben werden. Es zeigte sich, insbesondere im Zusammenhang mit einem entsprechenden induktiv erzeugten Plasma, dass ein Plasmabetrieb bei einem Druck in einem Bereich zwischen 10 mbar und 700 mbar, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 mbar und 100 mbar, im Hinblick auf die Stabilität des Plasmas und somit die Effizienz des Verfahrens zweckmäßig sein kann. Für die Zündung des Plasmas wird vorteilhaft ein Druck in einem Bereich zwischen 50 mbar und 100 mbar gewählt.
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Gleichermaßen kann es zweckmäßig sein, ein wenigstens ein inertes Gas, insbesondere ein Edelgas, wie z.B. Argon, enthaltendes Plasma zu verwenden. Unter einem solchen Gas ist selbstverständlich auch ein mehrere inerte Gase enthaltendes inertes Gasgemisch zu verstehen. Die Zweckmäßigkeit der Verwendung entsprechender inerter Gase bzw. Gasgemische liegt darin, dass diese, wiederum insbesondere im Zusammenhang mit einem entsprechenden induktiv erzeugten Plasma, das Zünden des Plasmas erleichtern und, insbesondere bei geeigneter Gasführung, die Stabilität des Plasmas und somit die Effizienz des Verfahrens erhöhen können.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, ein wenigstens ein thermisch leitfähiges (inertes) Gas, insbesondere Stickstoff, enthaltendes Plasma zu verwenden. Unter einem solchen Gas ist selbstverständlich ebenso ein mehrere thermisch leitfähige Gase enthaltendes (inertes) Gasgemisch zu verstehen. Die Zweckmäßigkeit der Verwendung thermisch leitfähiger (inerter) Gase liegt darin, dass diese einen Wärmeübergang auf die in das Plasma zugeführten Seltenerd-Element-Verbindungen erhöhen, was die redoxbasierte Umsetzung der oxidiert vorliegenden Seltenerd-Elemente verbessert und somit gleichermaßen die Effizienz des Verfahrens erhöht.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Ausgangsstoff grundsätzlich wenigstens eine fest, flüssig oder gasförmig vorliegende Seltenerd-Element-Verbindung verwendet werden. Mit anderen Worten kann von wenigstens einer fest, flüssig oder gasförmig vorliegenden Seltenerd-Element-Verbindung ausgegangen werden.
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Im Allgemeinen ist eine Zuführung bzw. Dosierung entsprechender Seltenerd-Element-Verbindungen in einem fluiden, d.h. flüssigen oder gasförmigen Zustand in das Plasma bzw. in dem Plasma vorteilhaft. Es ist deshalb vorteilhaft, von flüssigen, d.h. in einem flüssigen Zustand vorliegenden, Seltenerd-Element-Verbindungen auszugehen. Dabei kann z.B. von Seltenerd-Element-Verbindungen enthalten in einer wässrigen Lösung oder enthalten in einer organischen Lösung oder enthalten in einer Schmelze ausgegangen werden.
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Sofern von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung enthalten in einer wässrigen Lösung ausgegangen wird, kann es zweckmäßig sein, wenn die wässrigen Bestandteile der wässrigen Lösung vor dem Zuführen der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung in das Plasma von der Seltenerd-Element-Verbindung abgetrennt werden. Bei den wässrigen Bestandteilen der wässrigen Lösung handelt es sich in der Regel um die Wasseranteile. Durch das Abtrennen der wässrigen Bestandteile vor der Zuführung der Seltenerd-Element-Verbindung(en) in das Plasma wird dem möglicherweise entstehenden Problem, wonach das durch entsprechende wässrige Lösungen in die redoxbasierte Umsetzung der oxidierten Seltenerd-Elemente eingebrachte Wasser, welches die Reduktion der Seltenerd-Elemente selbst bei den plasmabedingt hohen Temperaturen beeinträchtigen oder sogar zum Erliegen bringen kann, begegnet.
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Das Abtrennen der wässrigen Bestandteile der wässrigen Lösung kann z.B. durch Verdampfen, d.h. allgemein durch Trocknen der wässrigen Lösung zum Zwecke der Reduzierung des Wasseranteils, erfolgen. Dabei kann die wenigstens eine Seltenerd-Element-Verbindung auf einem, insbesondere aus Molybdän gebildeten oder Molybdän umfassenden, Substrat abgeschieden werden.
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Die zum Verdampfen der wässrigen Bestandteile aufzubringende Energie bzw. Enthalpie kann über jedwede im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbare Energiequelle realisiert werden. Denkbar ist es beispielsweise, hierfür ein eigenes Plasma oder Heizeinrichtungen, d.h. z.B. Induktions- oder Widerstandsheizeinrichtungen, vorzusehen. Besonders zweckmäßig, weil energieeffizient, kann die oder ein Teil der Abwärme des erfindungsgemäß ohnehin verwendeten Plasmas zum Verdampfen der wässrigen Bestandteile der wässrigen Lösung verwendet werden.
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Das zur Abscheidung der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung verwendete Substrat sollte allgemein aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt und niedrigen Dampfdruck gebildet sein. Das Material sollte gleichzeitig chemisch stabil, d.h. insbesondere reduktionsstabil, sein. Eine entsprechende Eigenschaftskombination zeigt z.B. Molybdän, welches sonach für die Ausbildung eines entsprechenden Substrats prädestiniert ist.
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Die erwähnte Möglichkeit, von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung enthalten in einer organischen Lösung, d.h. gelöst in einem organischen Lösungsmittel, auszugehen, kann deshalb vorteilhaft sein, da eine im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgende redoxbasierte Umsetzung der oxidierten Seltenerd-Elemente unmittelbar ausgehend von einer dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschalteten Lösungsmittel-Extraktion, in welcher entsprechende Seltenerd-Element-Verbindungen mittels organischer Lösungsmittel aus einem Stoffgemenge gelöst werden, durchgeführt werden kann.
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Die erwähnte Möglichkeit, von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung enthalten in einer Schmelze, d.h. von wenigstens einer aufgeschmolzenen Seltenerd-Element-Verbindung, auszugehen, ist ebenso unter dem Aspekt der Zuführung der wenigstens einen Seltenerd-Element-Verbindung in das Plasma zweckmäßig. Als Schmelze kann hierbei eine Schmelze aus der oder den reinen Seltenerd-Element-Verbindung(en) verwendet werden. Es kann jedoch im Hinblick auf eine vereinfachte Förderung der Schmelze vorteilhaft sein, ein Schmelzegemisch zu verwenden, das neben der oder den aufgeschmolzenen Seltenerd-Element-Verbindungen weitere Schmelzebestandteile, wie insbesondere Salze, beinhaltet, die den Schmelzpunkt des Schmelzgemischs reduzieren.
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Dabei sind als weitere Schmelzebestandteile insbesondere solche Stoffe zu verwenden, die bei der Reduktion der Seltenerd-Elemente nicht oder kaum (mit)reagieren. Insbesondere sind als weitere Schmelzebestandteile solche Stoffe zu verwenden, die unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls gleichzeitig ablaufenden Umsetzung der Seltenerd-Element-Verbindungen bzw. der Seltenerd-Elemente, nicht zu einem schwer trennbaren Produkt- bzw. Stoffgemisch führen. Derart kann die Ausbildung, gegebenenfalls nur aufwändig zu trennender, Produkt- bzw. Stoffgemische verhindert werden. Als entsprechende weitere Schmelzebestandteile können z.B. Ammoniumsalze oder Salze, die Kationen der darzustellenden Seltenerd-Elemente, jedoch unterschiedliche Anionen enthalten, verwendet werden.
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Um eine unerwünschte Rückreaktion der dargestellten Seltenerd-Elemente zu unterbinden, sind zweckmäßig hohe Abkühlraten der aus dem Plasma entfernten Seltenerd-Elemente vorzusehen. Demzufolge wird das wenigstens eine in die elementare Form reduzierte Seltenerd-Element nach Entfernen aus dem Plasma mit einer in einem Bereich zwischen 107 K/s und 1015 K/s, insbesondere oberhalb 109 K/, bevorzugt oberhalb 1010 K/s, liegenden Abkühlrate abgekühlt. Die Realisierung derart hoher Abkühlraten ist z.B. über eine Abkühleinrichtung in Form einer Lavaldüse möglich. Demzufolge wird zur Abkühlung der aus dem Plasma entfernten Seltenerd-Elemente zweckmäßig eine Abkühleinrichtung in Form einer Lavaldüse verwendet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst als wesentliche Bestandteile wenigstens eine Reaktionskammer, wenigstens eine erste Fördereinrichtung zum Zuführen entsprechender Seltenerd-Element-Verbindungen in die Reaktionskammer, wenigstens eine Plasmaeinrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in der Reaktionskammer und wenigstens eine zweite Fördereinrichtung zum Entfernen der in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente, sowie gegebenenfalls weiterer Reaktionsprodukte, aus der Reaktionskammer.
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Der Reaktionskammer ist zweckmäßig wenigstens eine Abkühleinrichtung, insbesondere in Form einer Lavaldüse oder umfassend eine Lavaldüse, zur Abkühlung der aus dem Plasma entfernten, in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente nachgeschaltet.
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Bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens analog.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Darstellung wenigstens eines in elementarer Form vorliegenden Seltenerd-Elements ausgehend von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung.
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Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Darstellung wenigstens eines in elementarer Form vorliegenden Seltenerd-Elements ausgehend von wenigstens einer Seltenerd-Element-Verbindung. Die Seltenerd-Element-Verbindung enthält typischerweise ein oder mehrere in oxidierter Form vorliegende Seltenerd-Elemente.
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Unter Seltenerd-Elementen sind die Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems, mit Ausnahme des Actiniums, sowie die Lanthanoide zu verstehen.
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Bei einer entsprechenden Seltenerd-Element-Verbindung kann es sich z.B. um ein Seltenerd-Chlorid, wobei das oxidierte Seltenerd-Element in einer chemischen Verbindung mit Chlor vorliegt, oder um ein Seltenerd-Oxid, wobei das oxidierte Seltenerd-Element in einer chemischen Verbindung mit Sauerstoff vorliegt, handeln. Bei dem in der Seltenerd-Element-Verbindung enthaltenen Seltenerd-Element kann es sich z.B. um Europium handeln.
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Die Vorrichtung 1 umfasst als wesentliche Bestandteile eine Reaktionskammer 2, wenigstens eine erste Fördereinrichtung 3 zum Zuführen der in einem fluidförmigen Eduktstrom E enthaltenen Edukte in die Reaktionskammer 2, wenigstens eine Plasmaeinrichtung 4 zur Erzeugung eines Plasmas in der Reaktionskammer 2, eine zweite Fördereinrichtung 5 zum Entfernen der in einem fluidförmigen Produktstrom P enthaltenen Produkte aus der Reaktionskammer 2, sowie eine eine Lavaldüse 6 aufweisende Abkühleinrichtung 7 zum Abkühlen der in dem aus der Reaktionskammer 2 strömenden Produktstrom P enthaltenen Produkte.
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Bei den in dem Eduktstrom E enthaltenen Edukten handelt es sich sonach im Wesentlichen um entsprechende Seltenerd-Element-Verbindungen oder entsprechende Seltenerd-Element-Verbindungen enthaltende feste, flüssige oder gasförmige Stoffgemische. In dem Eduktstrom E können sonach neben den Seltenerd-Element-Verbindungen weitere Bestandteile enthalten sein.
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Bei den in dem Produktstrom P enthaltenen Produkten handelt es sich im Wesentlichen um in ihre elementare bzw. metallische Form reduzierte Seltenerd-Elemente oder entsprechende Seltenerd-Elemente enthaltende feste oder flüssige Stoffgemische. Auch in dem Produktstrom P können neben den in elementarer Form vorliegenden Seltenerd-Elementen weitere Bestandteile enthalten sein.
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Das Verfahren umfasst drei wesentliche Schritte, welche im Folgenden mit Bezug auf die in der Fig. dargestellte Vorrichtung 1 näher erläutert werden.
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In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Zuführen des entsprechende Seltenerd-Element-Verbindungen enthaltenden Eduktstroms E in die Reaktionskammer 2. Das Zuführen des Eduktstroms E in die Reaktionskammer 2 erfolgt über die erste Fördereinrichtung 3. Sofern in der Reaktionskammer 2 ein Vakuum anliegt, was bei bestimmten Plasmaarten zweckmäßig sein kann, kann das Vakuum bei der Zuführung des Eduktstroms E in die Reaktionskammer 2 unterstützend wirken.
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Innerhalb der Reaktionskammer 2 wird der Eduktstrom E in das das durch die Plasmaeinrichtung 4 erzeugte Plasma geführt. Das Plasma enthält ein Reduktionsmittel in Form von Wasserstoff.
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In einem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt nun, bedingt durch die in der Reaktionskammer 2 herrschenden hohen Temperaturen, welche typischerweise in einem Bereich zwischen 2000°C und 5000°C liegen, mittels des in dem Plasma enthaltenen Reduktionsmittels eine redoxbasierte bzw. redoxchemische Umsetzung der in oxidierter Form in den Seltenerd-Element-Verbindungen vorliegenden Seltenerd-Elemente in ihre elementare Form. Die oxidiert vorliegenden Seltenerd-Elemente werden sonach in einer Reduktionsreaktion in ihre elementare Form überführt, das Reduktionsmittel wird entsprechend in einer Oxidationsreaktion in seine oxidierte Form überführt. Die redoxbasierte Umsetzung der in oxidierter Form in den Seltenerd-Element-Verbindungen vorliegenden Seltenerd-Elemente in ihre jeweilige elementare Form ist in der Figur durch die Symbolik „E → P“ angedeutet.
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Die plasmabedingt in der Reaktionskammer 2 herrschenden hohen Temperaturen bedingen eine Verschiebung des Gleichgewichts der ablaufenden Redoxreaktion zugunsten der Produkte, d.h. insbesondere zugunsten der darzustellenden elementaren Seltenerd-Elemente. Aufgrund der hohen Temperaturen ist eine (nahezu) quantitative, d.h. (nahezu) vollständige, redoxbasierte Umsetzung der in den Seltenerd-Element-Verbindungen in oxidierter Form enthaltenen Seltenerd-Elemente in ihre jeweilige elementare Form möglich.
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In einem dritten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Entfernen der in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente aus dem Plasma. Die in die elementare Form überführten Seltenerd-Elemente werden, enthalten in dem Produktstrom P, sonach in dem dritten Schritt aus der Reaktionskammer 2 entfernt. Das Entfernen der elementaren Seltenerd-Elemente erfolgt über die zweite Fördereinrichtung 5, welche hierfür eine Absaug- oder Pumpeneinrichtung (nicht gezeigt) umfasst. Die in die elementare Form reduzierten Seltenerd-Elemente liegen in dem Produktstrom P in flüssigem oder festem Zustand vor.
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Nach dem Entfernen der elementaren Seltenerd-Elemente aus der Reaktionskammer 2 durchlaufen diese die der Abkühleinrichtung 7 zugehörige Lavaldüse 6, in welcher diese mit sehr hohen Abkühlraten, d. h. mit Abkühlraten in einem Bereich zwischen 107 K/s und 1015 K/s, insbesondere oberhalb 109 K/, bevorzugt oberhalb 1010 K/s, abgekühlt werden. Die rasche Abkühlung unterbindet eine unerwünschte Rückreaktion der dargestellten Seltenerd-Elemente.
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Das im Weiteren erfolgende Abtrennen der Seltenerd-Elemente aus dem Produktstrom P erfolgt über geeignete Abtrenneinrichtungen (nicht gezeigt), z.B. in Form von Zyklon- oder Filtereinrichtungen. Die Abtrenneinrichtungen können ebenso Teile der Vorrichtung 1 bilden.
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Das beschriebene Verfahren wird typischerweise kontinuierlich betrieben bzw. durchgeführt. Mithin wird insbesondere der Betrieb der Plasmaeinrichtung 4 und somit die Aufrechterhaltung des Plasmas im Rahmen des Verfahrens typischerweise nicht unterbrochen.
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Bei dem mittels der Plasmaeinrichtung 4 erzeugten Plasma handelt es sich typischerweise um ein induktiv erzeugtes Plasma. Die Plasmaeinrichtung 4 umfasst sonach typischerweise keine der Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas dienenden Plasmaelektroden, somit sind auch keine Vorkehrungen zum Schutz entsprechender Plasmaelektroden vor Degradation notwendig, was den apparativen Aufbau der Plasmaeinrichtung 4 und sonach der Vorrichtung 1 insgesamt reduziert.
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Über die eine Saug- oder Pumpeneinrichtung umfassende zweite Fördereinrichtung 5 kann, wie erwähnt, innerhalb der Reaktionskammer 2 ein Vakuum realisiert werden. Vakuumbedingt können in der Reaktionskammer 2 sonach Drücke in einem Bereich zwischen 10 mbar und 700 mbar, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 mbar und 100 mbar, herrschen. Die Realisierung eines Vakuums ist im Hinblick auf die Aufrechterhaltung und Stabilisierung des induktiv erzeugten Vakuums vorteilhaft.
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Mit dem gleichen Zweck können in dem Plasma inerte Gase, wie z.B. Argon, bzw. inerte Gasgemische, wie z.B. Argon enthaltende Gasgemische, enthalten sein.
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In dem Plasma kann ferner ein thermisch gut leitfähiges inertes Gas, wie z.B. Stickstoff, bzw. ein wenigstens ein thermisch gut leitfähiges inertes Gas, wie z.B. Stickstoff, enthaltendes inertes Gasgemisch enthalten sein, um den Wärmeübergang auf die in dem Eduktstrom E enthaltenen Edukte, d.h. insbesondere die Seltenerd-Element-Verbindungen, zu verbessern.
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Im Rahmen des Verfahrens kann grundsätzlich von festen, flüssigen oder gasförmigen Seltenerd-Element-Verbindungen ausgegangen werden. Zu beachten ist, dass fluide, d.h. flüssige oder gasförmige, Seltenerd-Element-Verbindungen in der Regel auf einfache Weise in einen entsprechenden Eduktstrom E überführt werden können. Gleichermaßen ist die Zuführung eines entsprechende fluide Seltenerd-Element-Verbindungen enthaltenen Eduktstroms E in die Reaktionskammer 2 vergleichsweise einfach.
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Der, wie erwähnt, fluidförmige in die Reaktionskammer 2 zugeführte Eduktstrom E enthält sonach in dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel flüssige Seltenerd-Element-Verbindungen.
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Die Seltenerd-Element-Verbindungen können somit beispielsweise in einer wässrigen Lösung enthalten sein. In diesem Fall werden die wässrigen Bestandteile, d.h. typischerweise die Wasseranteile, der wässrigen Lösung vor dem Zuführen des Eduktstroms E in die Reaktionskammer 2 aus der wässrigen Lösung entfernt; die wässrige Lösung wird sonach (vor)getrocknet. Dabei kommt es zu einer Abscheidung der Seltenerd-Element-Verbindungen auf einem Substrat, welches im Hinblick auf die in der Reaktionskammer 2 herrschenden Prozessbedingungen typischerweise aus Molybdän gebildet ist. Die zur (Vor)trocknung der wässrigen Lösung erforderliche Energiemenge kann beispielsweise über geeignete Heizeinrichtungen (nicht gezeigt), wie z.B. Induktionsheizeinrichtungen, bereitgestellt werden. Entsprechende Heizeinrichtungen können ebenso Teile der Vorrichtung 1 bilden. Sofern von in einer wässrigen Lösung enthaltenen Seltenerd-Element-Verbindungen ausgegangen wird, kann es ausnahmsweise zweckmäßig sein, das Verfahren diskontinuierlich durchzuführen.
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Denkbar ist es jedoch auch, dass die Seltenerd-Element-Verbindungen in einer organischen Lösung, d.h. in einem organischen Lösungsmittel, enthalten sind. Eine entsprechende organische Lösung kann direkt aus einer dem Verfahren vorgeschaltete Lösungsmittel-Extraktion, in welcher entsprechende Seltenerd-Element-Verbindungen aus einem Stoffgemenge gelöst werden, bereitgestellt werden.
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Gleichermaßen ist es denkbar, dass die Seltenerd-Element-Verbindungen in einer Schmelze bzw. in einem mehrere Schmelzebestandteile aufweisenden Schmelzegemisch enthalten sind. In einem derartigen Schmelzegemisch können bestimmte Schmelzebestandteile enthalten sein, die eine Reduzierung des Schmelzpunkts des Schmelzegemischs bedingen, was im Hinblick auf die Förderung des Schmelzegemischs vorteilhaft ist.
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Bei derartigen Schmelzebestandteilen kann es sich z.B. um Ammoniumsalze oder Salze, die Kationen der darzustellenden Seltenerd-Elemente, jedoch unterschiedliche Anionen enthalten, handeln, mithin also um Salze, die bei der Reduktion der Seltenerd-Elemente kaum (mit)reagieren. Insbesondere werden als weitere Schmelzebestandteile solche Stoffe verwendet, die unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls gleichzeitig ablaufenden Umsetzung, nicht zu einem schwer trennbaren Produkt- bzw. Stoffgemisch führen. Derart kann die Ausbildung von, gegebenenfalls nur aufwändig zu trennenden, Produkt- bzw. Stoffgemischen verhindert werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
