Ramesh Bhave, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, co-inventó un proceso para recuperar elementos de tierras raras de alta pureza a partir de imanes desechados de discos duros de computadoras (que se muestran aquí) y otros desechos posconsumo. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Los elementos de tierras raras son la "salsa secreta" de numerosos materiales avanzados para obtener energía, transporte, aplicaciones de defensa y comunicaciones. Su mayor uso de energía limpia son los imanes permanentes, que conservan las propiedades magnéticas incluso en ausencia de un campo o corriente inductores.
Ahora, Investigadores del Departamento de Energía de EE. UU. Han inventado un proceso para extraer elementos de tierras raras de los imanes desechados de discos duros usados y otras fuentes. Han patentado y ampliado el proceso en demostraciones de laboratorio y están trabajando con el licenciatario de ORNL, Momentum Technologies de Dallas, para escalar aún más el proceso para producir lotes comerciales de óxidos de tierras raras.
"Hemos desarrollado un económico, proceso respetuoso con el medio ambiente para recuperar materiales críticos de alto valor, "dijo el coinventor Ramesh Bhave del Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, quien lidera el equipo de tecnologías de membranas en la División de Ciencias Químicas de ORNL. "Es una mejora con respecto a los procesos tradicionales, que requieren instalaciones con una gran huella, altos costos de capital y operativos y una gran cantidad de residuos generados ".
Los imanes permanentes ayudan a los discos duros de las computadoras a leer y escribir datos, accionar motores que mueven coches híbridos y eléctricos, unir turbinas eólicas con generadores para generar electricidad, y ayudar a los teléfonos inteligentes a traducir señales eléctricas en sonido.
El proceso patentado recupera más del 97% de los elementos de tierras raras de los imanes desechados con purezas superiores al 99,5% en peso. El material recuperado se puede convertir en nuevos imanes para la electrónica y otras aplicaciones. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.; creado por Syed Islam y Jason Smith
A través del proceso patentado, los imanes se disuelven en ácido nítrico, y la solución se alimenta continuamente a través de un módulo que soporta membranas de polímero. Las membranas contienen fibras huecas porosas con un extractante que sirve como una especie de "policía de tráfico" químico; crea una barrera selectiva y deja pasar solo elementos de tierras raras. La solución rica en tierras raras recogida en el otro lado se procesa más para producir óxidos de tierras raras con purezas superiores al 99,5%.
Eso es notable teniendo en cuenta que, por lo general, El 70% de un imán permanente es hierro, que no es un elemento de tierras raras. "Básicamente, podemos eliminar el hierro por completo y recuperar solo las tierras raras, "Bhave dijo. Extraer elementos deseables sin coextraer los indeseables significa que se crean menos desechos que necesitarán tratamiento y eliminación posteriores.
Los partidarios del trabajo incluyen al Critical Materials Institute del DOE, o CMI, para la investigación de separaciones y la Oficina de Transiciones Tecnológicas del DOE, u OTT, para la ampliación del proceso. ORNL es miembro del equipo fundador de CMI, un Centro de Innovación Energética del DOE dirigido por el Laboratorio Ames del DOE y administrado por la Oficina de Manufactura Avanzada. La "extracción" de Bhave de una solución ácida con membranas selectivas se une a otras tecnologías CMI prometedoras para la recuperación de tierras raras. incluyendo un proceso simple que tritura y trata los imanes y una alternativa libre de ácido.
La industria depende de materiales críticos, y la comunidad científica está desarrollando procesos para reciclarlos. Sin embargo, ningún proceso comercializado recicla elementos puros de tierras raras de los imanes de desechos electrónicos. Esa es una gran oportunidad perdida considerando 2.2 mil millones de computadoras personales, Se espera que las tabletas y los teléfonos móviles se envíen a todo el mundo en 2019, según Gartner. "Todos estos dispositivos tienen imanes de tierras raras, "Bhave anotado.
Los imanes de materia prima para el proyecto provienen de diversas fuentes en todo el mundo. Tim McIntyre de ORNL, quien lidera un proyecto de CMI que desarrolla tecnología robótica para extraer imanes de discos duros, proporcionó algunos. Wistron y Okon Metals, ambos de Texas, y materiales especiales Grishma, de la India, proporcionó otros. Los imanes más grandes provienen de máquinas de resonancia magnética, que utilizan 110 libras (50 kilogramos) de imanes de neodimio-hierro-boro. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
El proyecto de Bhave, que comenzó en 2013, es un esfuerzo de equipo. John Klaehn y Eric Peterson del Laboratorio Nacional de Idaho del DOE colaboraron en una fase inicial de la investigación centrada en la química, y Ananth Iyer, profesor de la Universidad Purdue, posteriormente evaluó la viabilidad técnica y económica de la ampliación. En ORNL, los ex becarios postdoctorales Daejin Kim y Vishwanath Deshmane estudiaron el desarrollo y la ampliación del proceso de separaciones, respectivamente. El equipo ORNL actual de Bhave, compuesto por Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell y Priyesh Wagh, se centra en ampliar el proceso y trabajar con socios de la industria que comercializarán la tecnología.
Para garantizar que las tierras raras puedan recuperarse en un amplio espectro de materias primas, investigadores sometieron imanes de composición variable, de fuentes que incluyen discos duros, máquinas de formación de imágenes por resonancia magnética, teléfonos móviles y coches híbridos — al proceso.
La mayoría de los elementos de tierras raras son lantánidos, elementos con números atómicos entre 57 y 71 en la tabla periódica. "La tremenda experiencia de ORNL en la química de los lantánidos nos dio un gran impulso, ", Dijo Bhave." Comenzamos a analizar la química de los lantánidos y las formas en que se extraen selectivamente los lantánidos ".
Más de dos años, los investigadores adaptaron la química de las membranas para optimizar la recuperación de tierras raras. Ahora, su proceso recupera más del 97% de los elementos de tierras raras.
Hasta la fecha, el proyecto de reciclaje de Bhave ha dado como resultado una patente y dos publicaciones (aquí y aquí) que documentan la recuperación de tres elementos de tierras raras:neodimio, praseodimio y disprosio, como una mezcla de óxidos.
La segunda fase de separaciones comenzó en julio de 2018 con un esfuerzo por separar el disprosio del neodimio y el praseodimio. Una mezcla de los tres óxidos se vende a 50 dólares el kilo. Si el disprosio se pudiera separar de la mezcla, su óxido podría venderse por cinco veces más.
La segunda fase del programa también explorará si el proceso subyacente de ORNL para separar tierras raras se puede desarrollar para separar otros elementos en demanda de las baterías de iones de litio. "El alto crecimiento esperado de los vehículos eléctricos va a requerir una enorme cantidad de litio y cobalto, "Bhave dicho.
Esfuerzos industriales necesarios para implementar el proceso ORNL en el mercado, financiado durante dos años por el Fondo de Comercialización de Tecnología OTT del DOE, comenzó en febrero de 2019.
El objetivo es recuperar cientos de kilogramos de óxidos de tierras raras cada mes y validar, verificar y certificar que los fabricantes puedan utilizar los materiales reciclados para hacer imanes equivalentes a los fabricados con materiales vírgenes.
