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

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.