Analysis of rare earth metals based on ISO 23597

Summary

Once extracted and separated from deposits, rare earth elements (REEs) are refined and sold as metal ingots, metal powders, rare earth oxides (REOs), alloys, or salts. REOs usually have a purity level of over 97% while ingots and powders are at least 99%.

The mass fraction of rare earth metals in these products is an important quality parameter and a key price and usability determinant. The pure REEs are typically dissolved in acid, after which their purity is analyzed using various methods. One of the most important of these methods is titration using xylenol orange as an indicator (ISO 23597).

Titration is an absolute method that offers many advantages over other established techniques such as atomic absorption spectroscopy (AAS). Titrations using the Optrode M2 have been shown to yield precise and reproducible results, with recovery rates of around 100% for rare earth elements.

Configuration

OMNIS Professional Titrator mit Magnetrührer

2.1001.0320

Innovativer, modularer potentiometrischer OMNIS Titrator für Stand-alone-Betrieb oder als Herzstück eines OMNIS Titrationssystems für die Endpunkt- und Äquivalenzpunkttitration (monoton/dynamisch Dank 3S-Liquid-Adapter-Technologie ist der Umgang mit Chemikalien so sicher wie nie. Der Titrator kann mit Messmodulen und Zylindereinheiten frei konfiguriert werden und bei Bedarf um einen Stabrührer erweitert werden. Inklusive Funktionslizenz „Professional“ für die parallele Titration mit weiteren Titrier- oder Dosiermodulen. Ansteuerung via PC oder lokales Netzwerk; Anschlussmöglichkeit für bis zu vier weitere Titrier- oder Dosiermodule für weitere Applikationen oder Hilfslösungen; Anschlussmöglichkeit für einen Stabrührer; Verschiedene Zylindergrössen verfügbar: 5, 10, 20 oder 50 mL; Liquid Adapter mit 3S-Technologie: Sicherer Umgang mit Chemikalien, automatischer Transfer der originalen Reagenzdaten des HerstellersMessmodi und Software-Optionen:; Endpunkttitration: Funktionslizenz „Basic“; Endpunkt- und Äquivalenzpunkttitration (monoton/dynamisch): Funktionslizenz „Advanced“; Endpunkt- und Äquivalenzpunkttitration (monoton/dynamisch) mit 5-fach paralleler Titration: Funktionslizenz „Professional“;

OMNIS Dosing Module ohne Rührer

2.1003.0010

Dosiermodul zum Anschluss an einen OMNIS Titrator zur Erweiterung um eine zusätzliche Bürette für Titration/Dosierung. Erweiterbar mit einem Magnet- oder Stabrührer zur Verwendung als separater Titrierstand. Frei wählbare Zylindereinheit mit 5, 10, 20 oder 50 mL.

Optrode M2

6.1125.000

Optischer Sensor für photometrische Titrationen mit 8 verfügbaren Wellenlängen. Die Umschaltung der Wellenlänge kann softwaregesteuert (ab tiamo 2.5) oder mit einem Magnet erfolgen. Der Glasschaft ist komplett lösungsmittelresistent und einfach zu reinigen. Der platzsparende Sensor ist z.B. geeignet für:nichtwässrige Titrationen nach USP oder EP; Bestimmungen von Carboxylendgruppen; TAN/TBN nach ASTM D974; Sulfatbestimmung; Fe, Al, Ca in Zement; Wasserhärte; Chondroitinsulfat nach USP; Der Sensor ist nicht geeignet für Bestimmungen von Konzentrationen durch die Messung der Farbintensität (Kolorimetrie).

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Introduction

Photometric titration is a highly accurate, fast, and cost-effective method of determining the purity of rare earth metals. Other analysis methods like AAS require calibrations to be performed in advance. The standards used for this purpose are often analyzed by rare earth metals titration. Therefore, it makes sense to determine rare earth elements directly by titration rather than using a complex AAS method that also requires calibration.

The fully dissolved rare earth elements are mixed with xylenol orange (XO). This indicator forms a colored complex with the rare earth cation (Ln³⁺), which is then titrated with ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). Once all the metal ions have been complexed or titrated away, the color of this complex changes.

The following reactions offer a highly simplified description of the titration with a lanthanide cation:

Ln³⁺ + XO → Ln(XO)

Ln(XO) + EDTA → Ln(EDTA) + XO

Ln(XO) is red and XO is yellow. The Optrode can be used to determine this color change very precisely at a wavelength of 574 nm.

Sample and sample preparation

Dissolved rare earth element standards in nitric acid were used as samples. These samples are very similar to the acid-dissolved REEs used in industry, e.g., those used for AAS determination. The method was performed based on ISO 23597 [1] as well as on the paper from S. J. Lyle et al [2].

This application is demonstrated on yttrium, samarium, and dysprosium standard solutions. No sample preparation is required.

Experimental

Setup for rare earth metal determination.

Figure 1. When equipped with an Optrode M2, the OMNIS Professional Titrator with OMNIS Dosing Modules (shown here) is an ideal setup for rare earth metal determination.

The determinations are carried out on an OMNIS Professional Titrator equipped with OMNIS Dosing Modules (Figure 1) and an Optrode M2.

An appropriate amount of sample is weighed into the titration beaker, and acetate buffer as well as xylenol orange indicator solution are added. The solution is titrated until after the first equivalence point with standardized EDTA solution.

Results

Figure 2. Photometric titration of yttrium standard solution using the Optrode M2.

As shown in Table 1, the results present high recovery rates and confirm the robustness of photometric titration. An exemplary titration curve of yttrium standard solution is given in Figure 2.

**Table 1**. Results of the photometric titration of rare earth elements with the Optrode M2 (n = 6).
Sample (n = 6)	Content (g/L)	Recovery (%)
Yttrium	9.98	100.0
Samarium	10.10	100.6
Dysprosium	10.08	100.9

Conclusion

In this Application Note, the purity of rare earth elements was photometrically determined with the Optrode M2. This method provides a compelling, precise and cost-effective alternative to standard analytical techniques, like AAS, for determining the purity of rare earth elements. As it is an absolute method, complex calibration is not required, making titration particularly attractive to customers.

Thanks to the individually adjustable wavelength of the Optrode and the reliable OMNIS Software, the REE determination based on ISO 23597 can be achieved for all known rare earth elements.

References

Rare Earth — Determination of Rare Earth Content in Individual Rare Earth Metals and Their Oxides — Titration Method; ISO 23597:2023; 2023; p 10.
Lyle, S. J.; Rahman, Md. M. Complexometric Titration of Yttrium and the Lanthanons—I: A Comparison of Direct Methods. Talanta 1963, 10 (11), 1177–1182. DOI:10.1016/0039-9140(63)80170-8

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