Un nuevo método mejora la extracción y separación de elementos de tierras raras, un grupo de 17 elementos críticos para tecnologías como teléfonos inteligentes y baterías de automóviles eléctricos, de fuentes no convencionales. Una nueva investigación dirigida por científicos de Penn State y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) demuestra cómo una proteína aislada de bacterias puede proporcionar una forma más ecológica de extraer estos metales y separarlos de otros metales y entre sí. El método podría eventualmente ampliarse para ayudar a desarrollar un suministro doméstico de metales de tierras raras a partir de desechos industriales y electrónicos que deben reciclarse.

"Con el fin de satisfacer la creciente demanda de elementos de tierras raras para su uso en tecnologías emergentes de energía limpia, necesitamos abordar varios desafíos en la cadena de suministro, "dijo Joseph Cotruvo Jr., profesor asistente y profesor de desarrollo profesional Louis Martarano de Química en Penn State, miembro del Centro de Minerales Críticos de Penn State, y coautores correspondientes del estudio. "Esto incluye mejorar la eficiencia y aliviar la carga ambiental de los procesos de extracción y separación de estos metales. En este estudio, Demostramos un nuevo método prometedor que utiliza una proteína natural que podría ampliarse para extraer y separar elementos de tierras raras de fuentes de bajo grado. incluidos los desechos industriales ".

Debido a que EE. UU. Actualmente importa la mayoría de los elementos de tierras raras que necesita, se ha puesto un nuevo enfoque en el establecimiento de un suministro nacional a partir de fuentes no convencionales, incluidos los desechos industriales de la quema de carbón y la extracción de otros metales, así como los desechos electrónicos de los teléfonos celulares y muchos otros materiales. Estas fuentes son amplias, pero se consideran "de bajo grado, "porque las tierras raras se mezclan con muchos otros metales y la cantidad de tierras raras presentes es demasiado baja para que los procesos tradicionales funcionen bien. Además, Los métodos actuales de extracción y separación se basan en productos químicos agresivos. son intensivos en mano de obra, a veces implica cientos de pasos, producir un gran volumen de residuos, y son de alto costo.

El nuevo método aprovecha una proteína bacteriana llamada lanmodulina, descubierto previamente por el equipo de investigación, eso es casi mil millones de veces mejor para unirse a elementos de tierras raras que a otros metales. Un artículo que describe el proceso aparece en línea el 8 de octubre en la revista. Ciencia Central ACS.

La proteína se inmoviliza primero en perlas diminutas dentro de una columna, un tubo vertical comúnmente utilizado en procesos industriales, al que se agrega el material de origen líquido. La proteína luego se une a los elementos de tierras raras en la muestra, lo que permite retener solo las tierras raras en la columna y drenar el líquido restante. Luego, cambiando las condiciones, por ejemplo, cambiando la acidez o agregando ingredientes adicionales, los metales se desprenden de la proteína y pueden drenarse y recogerse. Cambiando cuidadosamente las condiciones en secuencia, Los elementos individuales de tierras raras podrían separarse.

"Primero demostramos que el método es excepcionalmente bueno para separar los elementos de tierras raras de otros metales, que es esencial cuando se trata de fuentes de baja ley que son una mezcolanza de metales para empezar, ", dijo Cotruvo." Incluso en una solución muy compleja donde menos del 0,1% de los metales son tierras raras, una cantidad extremadamente baja, extrajimos con éxito y luego separamos una agrupación de tierras raras más ligeras de una agrupación de tierras raras más pesadas en Un paso. Esta separación es un paso simplificador esencial porque las tierras raras deben separarse en elementos individuales para incorporarlos a las tecnologías ".

El equipo de investigación separó el itrio (Y) del neodimio (Nd), ambos abundantes en los depósitos primarios de tierras raras y los subproductos del carbón, con una pureza superior al 99%. También separaron el neodimio del disprosio (Dy), una combinación crucial que es común en los desechos electrónicos, con una pureza superior al 99,9% en solo uno o dos ciclos. dependiendo de la composición inicial del metal.

"La alta pureza del neodimio y disprosio recuperados es comparable a otros métodos de separación y se logró en tantos o menos pasos sin usar solventes orgánicos agresivos, "dijo Ziye Dong, investigador postdoctoral en LLNL y primer autor del estudio. "Debido a que la proteína se puede utilizar durante muchos ciclos, ofrece una alternativa ecológica atractiva a los métodos que se utilizan actualmente ".

Los investigadores no creen que su método sustituya necesariamente al actual proceso de extracción líquido-líquido que se usa comúnmente para la producción de alto volumen de elementos de tierras raras más ligeros a partir de fuentes de alto grado. En lugar de, permitirá el uso eficiente de fuentes de bajo grado y especialmente para la extracción y separación de las tierras raras pesadas más raras y generalmente mucho más valiosas.

"Otros métodos recientes son capaces de extraer elementos de tierras raras de fuentes de bajo grado, pero normalmente se detienen en un producto 'total' que tiene todas las tierras raras agrupadas, que tiene relativamente poco valor y luego debe canalizarse a esquemas más convencionales para una mayor purificación de elementos individuales de tierras raras, "dijo Dan Park, científico de planta en LLNL y coautor correspondiente del estudio. "El valor está realmente en la producción de tierras raras individuales y especialmente los elementos más pesados".

"Nuestro proceso es particularmente conveniente porque estos metales de alto valor se pueden purificar primero de la columna, "agregó Cotruvo.

Los investigadores planean optimizar el método para que se requieran menos ciclos para obtener los productos de mayor pureza y así poder ampliarlo para uso industrial.

"Si podemos diseñar derivados de la proteína lanmodulina con mayor selectividad para elementos específicos, podríamos recuperar y separar los 17 elementos de tierras raras en un número relativamente pequeño de pasos, incluso de las mezclas más complejas, y sin disolventes orgánicos ni productos químicos tóxicos, que sería un gran problema, ", dijo Cotruvo." Nuestro trabajo muestra que este objetivo debe ser alcanzable ".