Development and optimization of an alternative production route for dysprosium(III)iodide

Pieter

Baptist

Yves

Christiaens

Op de Philipssite in Turnhout worden reeds decennia lang hogedrukgasontladingslampen geproduceerd. Deze lampen worden gekenmerkt door een uitstekende lichtopbrengst en kleurweergave. Deze kenmerken worden mogelijk gemaakt door de toevoeging van verschillende typen metaalhalogeniden. Binnen deze halegoniden zijn de metaaljodiden, en dan met name de zeldzameaardjodiden (bv. DyI3) een zeer onmisbare grondstof.

Zeldzameaardmetalen (de zogenaamde rare earths) worden op dit moment voor 95% ontgonnen in China. De combinatie van het Chinese monopolie met de door hun recent opgelegde exportquota’s doen de prijzen voor deze grondstoffen op de internationale markten sterk toenemen. Daarom wordt er aanzienlijk veel onderzoek verricht naar de recyclage ervan. Philips koopt momenteel de zeldzameaardjodiden via externe leveranciers tegen een prijs van circa €2.5/gr.

Deze thesis heeft als doel een alternatieve productieroute voor dysprosium(III)iodide op te stellen. Door de recente problematiek omtrent deze materialen wordt gestreefd naar een zo hoog mogelijk syntheserendement, hetgeen ook de winstgevendheid en dus de praktische implementeerbaarheid ten goede komt.

Het eerste deel van de thesis behandelt de verschillende stappen in de ontwikkeling van het nieuwe reactieproces, uitgaande van de elementen Dy en I2. Een model is opgesteld om de snelheidsbepalende reactiestap te achterhalen en voorspellingen te kunnen maken aangaande toekomstige batchruns. Daarna wordt het rendement van dit proces geoptimaliseerd door middel van een design of experiments (DOE). Aangezien het eindproduct (DyI3) een zeer hoge zuiverheid moet hebben, worden eveneens zuiveringsprocessen besproken en onderzocht. Ook is een veiligheidsstudie uitgevoerd om de potentiële risico’s en gevaren te identificeren en te elimineren. Tenslotte bepaalt een kosten-baten analyse de winstgevendheid.

Onderzoek toont aan dat, voor de ontworpen apparatuur, het reactiemengsel best bestaat uit 60 g Dy en 150 g I2. Na uitvoering van de DOE wordt een syntheserendement van bijna 96% behaald, waardoor de oorspronkelijke doelstelling wordt overtroffen. De winstgevendheid voor de productie van DyI3 volgens het ontwikkelde proces bedraagt ongeveer € 48 000 op jaarbasis. Met het ontwikkelde proces worden ook veelbelovende resultaten behaald aangaande de productie van andere zeldzameaardjodiden (zoals holmium en thulium). Hierdoor kan de winstgevendheid nog verder oplopen in de toekomst, terwijl meer werkgelegenheid op de site in Turnhout wordt gecreëerd.

Deze masterproef is een duosriptie van Pieter Baptist & Yves Christiaens.

Bibliografie

A. A. Yarovoi, G. E. (1971). Preperation of anhydrous iodides of metals of group III and IV and iron. New York: Plenum publishing corporation.Audi, G., Bersillon, O., Blachot, J., & Wapstra, A. (1996). Nubase: a database of nuclear and decay properties. Orsay, France: Elsevier.Bradsher, K. (2010 йил 28-December). China to Tighten Limits on Rare Earth Exports. The New York Times .Brown, V. D. (1968). the halides of the lanthanides and actinines. London: John Wiley and Sons.Bruninx, L., & Lorenz, R. (1978). Rapport Centraal Lab Licht. Eindhoven: Philips Lighting.Corbett, J. D. (1972). High purity earth metals iodides preperation and reaction with silica containers. Ames: Institute for atomic research and departement of chemistry.Cotton, S. (2006). Lanthanide and actinide chemstry. London: John Wiley and sons.Creemers, C. (2008). Algemene en technische schekunde. Leuven: Acco.Curley, R. (2007 йил 12-April). Encyclopædia Britannica. Retrieved 2012 йил 26-September from Britannica acadamic edition: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/175314/dysprosiumDe Waele, R. (2011). Design of Experiments. Diepenbeek: KHLim.De Waele, R. (2009). ICP-OES. Hasselt: KHLim.dr C. Vande Velde. (2012 йил 29-June). Welke molecule is kleiner: water, waterstof of stikstof? Retrieved 2012 йил 3-Oktober from Ik heb een vraag: http://www.ikhebeenvraag.be/vraag/27950Dysprosium compounds: dysprosium diiodide. (2012, December 7). Opgeroepen op December 11, 2012, van Webelements: http://www.webelements.com/compounds/dysprosium/dysprosium_diiodide.htm… compounds: dysprosium triiodide. (2012, December 7). Opgeroepen op December 11, 2012, van WebElements: http://www.webelements.com/compounds/dysprosium/dysprosium_triiodide.ht…. (2012). Retrieved 2012 йил 23-january from ESPI website: http://www.espi-metals.com/msds's/Dysprosium.htmG. Meyer & L. R. Morss. (1990). Synthesis of lanthanide and actinide coumpounds. Topics in f-Element Chemistry , 135-145.Gerd Meyer, S. D. (1987). The Ammonium-Bromide Route to Anhydrous Rare Earth Bromides MBr3. Journal of the Less-Common Metals , 155-160.Heiserman, D. L. (1992). Exploring Chemical Elements and their Compounds. In D. L. Heiserman, Heiserman, David L. (pp. 236-238). McGraw-Hill Trad.ICP-AES/OES. (2009 йил 3-Juin). Retrieved 2012 йил 25-September from Environmental Measurement: Gas-Solution Analytical Center: http://em-1.stanford.edu/Schedule/ICP/abouticp.htmIngenieurskamer, V. (maart 2011). Activiteiten in de kijker: Antwerpen, Philips Lighting. Ingenieursmagazine , 25.Johnson, C. (2010 йил 9-December). In China, Illegal Rare Earth Mines Face Crackdown. The New York Times .Julian Szekely, J. W. (1976). Gas-solid reactions. New york: Academic Press.Kaekawa, T., Igari, S.-I., & Kaneko, N. (2006). Chemical and isotopic compositions of brines from dissolved-in-water type natural gas fields in Chiba, Japan. Japan: Geochemical Journal.Klaessens, d. J. (2008). Bijlage Tabellen. In d. J. Klaessens, Statistiek, validatie en meetonzekerheid voor het laboratorium (p. 238). Arnhem: Syntax Media, Arnhem.Klaessens, d. J. (2008). Hulpmiddelen voor het nemen van beslissingen. In d. J. Klaessens, Statistiek, validatie en meetonzekerheid voor het laboratorium (pp. 51-52). Arnhem: Syntax Media, Arnhem.Kletz, T. (1993). Hazop and hazan. Rugby: Institution of Chemical Engineers.Kogel, J. E. (2006). Iodine. In J. E. Kogel, Industrial Minerals & Rocks: Commodities, Markets, and Uses (pp. 541-552). Colorado: SME.Koninklijke Philips Electronics, N. (2006). Principes van licht en verlichting. Eindhoven: Philips Lighting.Krebs, R. E. (2006). Dysprosium. In R. E. Krebs, The history and use of our earth's chemical elements: A reference guide (p. 294). United States of America: Greenwood Press.L.D. Pye, H. S. (1970). introduction to glass science. New york: Alfred.Lenntech. (2012 йил 3-October). Dysprosium. Retrieved 2012 йил 10-October from Water Treatment Solution - Lenntech: http://www.lenntech.com/periodic/elements/dy.htmLevenspiel, O. (1964). Chemical reaction engineering. New York: John Wiley and sons.Lighting, P. (2005 йил 5-December). MTO-CDM. De mastercolour CDM familie . Eindhoven, Nederland.Louvar, D. A. (1990). Chemical process safety: fundamentals with applications . New Jersey: Prentice Hall.Luyten, J. (2010). Reactorentechnologie II. Sint katelijne waver: De Nayer instituut.Lyday, P. A. (2005). Iodine and Iodine Compounds. In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (pp. 382-390). Weinheim: Wiley-VCH.Morss, G. M. (1990). Synthesis of lanthanide and actinide compounds. Dayton: University of Dayton.Moyer, J. W. (1977). Comparison of synthesis methods for rare-earth iodides. Cleveland: General Elektric.Ossenblok, R. (2007 йил 17-September). CDM-OB. Introductie CDM-OB . Turnhout, Antwerpen, België.Periodic table. (2013, April 8). Opgeroepen op April 8, 2013, van Wikipedia, the free encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_tablePhilips Lighting. (2005 йил 5-December). MTO-CDM. De mastercolour CDM familie . Eindhoven, Nederland.Pijkeren D.V. & Erk W. v. (1994). Hogedruk gasontladingslampen. In HTO-licht (pp. 1-53). Eindhoven.Process Improvement. (2012, March 31). Opgeroepen op March 8, 2013, van Engineering Statistics Handbook: http://www.itl.nist.gov/div898/handbook/pri/pri.htmRamzy, A. (18 February 2013). Precious Holdings. Time , 30-32.Rare earth element. (2013, April 4). Opgeroepen op April 8, 2013, van Wikipedia, the free encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_metalRietveld, W. v. (1987). The reaction of rare-earth metal iodides with the silica wall in metal halide discharge lamps. Eindhoven: Philips lighting division.Rolsten, R. F. (1961). Iodide metals and metal iodides. New york: John wiley and sons.Ross, P. J. (1988). Taguchi Techniques for Quality Engineering - Loss function, orthogonal experiments, parameter and tolerance design. New York: McGraw-Hill Book Company.(2000). Atomic emission spectroscopy. In F. a. Rouessac, Chemical Analysis: Modern Instrumentation Methods and Techniques (pp. 273-286). West Sussex, England: John Wiley.S. Hansen, J. G. (1998). Lanthanide Metal Halides. In J. G. S. Hansen, Vapor Pressure of Metal Bromides and Iodides (p. 46). Urbana, Illinois: APL Engineered Materials Inc.Seven days: The news in brief. (2011 йил 6-January). Nature , p. 8.sigma-aldrich. (n.d.). Retrieved 2012 йил 23-September from sigma-aldrich web site: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/429333?lang=en&regi…, H. a. (2007). Atomic Emission Spectrometry. In H. C. Skoog, Principles of Instrumental Analysis, Sixth Edition (pp. 254-280). Canada: Thomson.Suijker, J. Phase diagrams. Philips Lighting, Turnhout.Talge, P. V. (1992). Plant guidelines for technical managment of chemical process safety. New York: American institute of chemical engineers.Vlaamse Ingenieurskamer. (maart 2011). Activiteiten in de kijker: Antwerpen, Philips Lighting. Ingenieursmagazine , 25.Warkentin, H. b. (1973). Kristallchemische studien an seltenerd-dihalogenides. Krstalldaten un strukturtyp von dysprosium(II)-jodid sowie von dysprosiumoxijodid. Karlsruhe: Institut für Anorganische Chemie der Universität Karlsruhe.Weast, R. C. (1975). Handbook of chemistry. Cleveland: CRC press.WebElements. (2012 йил 30-September). Dysprosium. Retrieved 2012 йил 9-October from WebElements: the periodic table on the web: https://www.webelements.com/dysprosium/chemistry.htmlWelters. (2012, 10 17). strength of test tubes. (B. P, & C. Y., Interviewers)Yarovoi, A., Revzin, G., & Petrova, L. (1971). Preparation of anhydrous iodides of metals of groups III and IV and iron. New York: Plenum Publishing Corporation.Young, I. (2010). Rhodia Reinforces Rare Earths. Chemical Week , 27-28.Zbairi, M. (2006). In M. Zbairi, Extrapolation de l'échelle de production de tri-iodures de lanthanides (p. 6). Charleroi.