Thulium in water: voorkomen, chemie, verwijdering en terugwinning

Thulium (Tm) is een lanthanide dat in water terecht kan komen via zeldzame-aardemineralen of stromen uit de verwerking van zeldzame aardmetalen. Voor ingenieurs die dergelijke stromen beoordelen, is het belangrijkste onderscheid dat tussen in water opgelost thulium en thulium dat wordt meegevoerd door zwevende deeltjes of colloïden. De chemische vorm van thulium en de samenstelling van het water bepalen welke scheidingsmethoden het onderzoeken waard zijn.

Voorkomen en vormen in water

Thulium komt samen met andere zeldzame aardmetalen voor in mineralen zoals monaziet en wordt teruggewonnen via scheidingsprocessen voor zeldzame aardmetalen. In proceswater kan thulium opgelost voorkomen, aan vaste stoffen geadsorbeerd zijn of zich in zwevende mineraaldeeltjes bevinden. Wanneer dit van invloed is op het ontwerp van de behandeling, moeten bij bemonstering en analyse de opgeloste fractie na filtratie en het totale thuliumgehalte van elkaar worden onderscheiden. Filtratie alleen verwijdert materiaal dat aan deeltjes gebonden is; opgelost thulium wordt er niet noodzakelijkerwijs door verwijderd.

Zie voor de eigenschappen en toepassingen van het element de pagina over het element thulium.

Chemie van thulium in water

Onder normale omstandigheden in water komt thulium voornamelijk voor in oxidatietoestand +3, Tm(III). De verdeling tussen opgeloste en vaste fasen hangt af van de pH en van stoffen die zich aan het metaal binden of ermee wisselwerken. Hydroxide, carbonaat, fosfaat en organische liganden kunnen invloed hebben op opgeloste chemische vormen, adsorptie en neerslagvorming. Omdat processtromen uit de verwerking van zeldzame aardmetalen andere metalen en complexvormers kunnen bevatten, kan uit een pH-verandering op zichzelf niet worden afgeleid hoeveel thulium scheidbaar wordt.

Van nature voorkomend thulium is het stabiele thulium-169. Thulium-170 is een radioactieve isotoop die door bestraling kan worden geproduceerd; de radiologische aspecten van een stroom die deze isotoop bevat, verschillen van de beoordeling van stabiel thulium als opgelost metaal.

Overwegingen bij verwijdering en terugwinning

Neerslagvorming en scheiding van vaste stoffen

Door de omstandigheden zo aan te passen dat een onoplosbare fase met thulium ontstaat, kan verwijdering door klaring en filtratie mogelijk worden. Het resultaat hangt af van de speciatie, concurrerende bestanddelen en de eigenschappen van de gevormde vaste stoffen. Als thulium al aan deeltjes gebonden is, kan fysische scheiding zinvol zijn zonder eerst neerslagvorming op te wekken.

Ionenwisseling

Ionenwisselaars kunnen opgelost Tm(III) binden, maar andere zeldzame-aarde-ionen en opgeloste metalen kunnen concurreren om de uitwisselingsplaatsen. Liganden kunnen ook de voor uitwisseling beschikbare vorm veranderen. Daarom moeten de keuze van het materiaal en de mogelijkheden voor regeneratie of terugwinning worden beoordeeld aan de hand van de werkelijke samenstelling van de stroom.

Concentratie met membranen

Membraanprocessen kunnen opgeloste thuliumhoudende chemische vormen scheiden of concentreren, afhankelijk van de membraankeuze, speciatie en bedrijfsomstandigheden. Voorbehandeling kan nodig zijn wanneer zwevende stoffen of neerslagen aanwezig zijn. Een membraan levert een concentraat op waarvoor nog een duidelijk omschreven route voor beheer of terugwinning nodig is; het vernietigt thulium niet.

Een processtroom beoordelen

Bij een goede beoordeling worden het totale en opgeloste thuliumgehalte, de pH, zwevende stoffen, concurrerende metalen en relevante liganden vastgesteld voordat behandelingsroutes worden vergeleken. Met laboratoriumproeven kan vervolgens worden bepaald of het beoogde doel de verwijdering van vaste stoffen, het behalen van een doelwaarde voor de kwaliteit van het behandelde water of het concentreren van thulium voor mogelijke terugwinning is. Er kan niet van worden uitgegaan dat één scheidingsmethode voor elke thuliumhoudende stroom effectief is.