No es raro en el mundo científico que un proceso tenga muchas aplicaciones únicas. Por ejemplo, los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho tomaron una tecnología de tratamiento de agua y la adaptaron para otra función importante para el medio ambiente:la separación selectiva de elementos de tierras raras y metales de transición. Este proceso químico, descrito recientemente en un Nature Communications artículo, reduce significativamente tanto el consumo de energía como el de productos relacionados con la recuperación de elementos de tierras raras.

Los metales de tierras raras son una colección de elementos metálicos químicamente similares que tienden a ocurrir en bajas concentraciones en la naturaleza y pueden ser difíciles de separar unos de otros. Son valiosos para su uso en motores de automóviles eléctricos, discos duros de computadoras y turbinas eólicas. Los metales de transición son una clase de metales que son excelentes conductores del calor y la electricidad, a menudo con altos puntos de fusión y propiedades estructurales únicas, lo que los hace esenciales para producir aleaciones comunes como acero y cobre, así como cátodos de baterías de iones de litio.

Actualmente, la mayoría de los componentes que contienen estos metales simplemente se desechan. El nuevo método de INL para extraer estos metales valiosos involucra dimetil éter, un compuesto gaseoso que sirvió como uno de los primeros refrigerantes comerciales. Impulsa la cristalización fraccionada, un proceso que divide las sustancias químicas en función de su solubilidad, para separar las tierras raras y los metales de transición de los desechos magnéticos.

"Este proceso comienza con un imán que ya no es útil, que se corta y se muele en virutas", dijo Caleb Stetson, líder experimental del proyecto. "Luego, las virutas magnéticas se colocan en una solución con lixiviantes, un líquido que se usa para extraer metales del material de forma selectiva. Una vez que los metales deseados se filtran del material al líquido, podemos aplicar un proceso de tratamiento".

El proceso impulsado por dimetil éter utiliza mucha menos energía y presión que los métodos tradicionales, que normalmente se realizan a cientos de grados Celsius. La cristalización fraccionada se puede llevar a cabo a temperatura ambiente y requiere solo presiones ligeramente elevadas de alrededor de cinco atmósferas. En comparación, la presión en una lata de refresco de 12 onzas sin abrir es de 3,5 atmósferas. Las menores necesidades de energía y presión también ahorran dinero.

Las tecnologías de la competencia también utilizan "reactivos" químicos añadidos para impulsar la precipitación y otras separaciones, que inevitablemente se convierten en productos de desecho adicionales con consecuencias financieras y ambientales. Este no es el caso de la cristalización fraccionada a base de éter dimetílico.

Aaron Wilson, el investigador principal del proyecto, seleccionó el dimetil éter por su facilidad de recuperación, superando una deficiencia de los intentos anteriores de usar solventes para impulsar separaciones de materiales críticos. Al bajar la presión y volver a comprimir el gas al final del experimento, el equipo puede recuperar el solvente y reutilizarlo en ciclos futuros.

El proceso también tiene otras ventajas. "Puede ser difícil ajustar las temperaturas para la cristalización por evaporación, pero este proceso de cristalización fraccionada elimina todos esos desafíos", dijo Stetson. "Para que el proceso separe distintas fracciones de una solución que contiene metal, solo necesitamos ajustar la temperatura en 10 grados".

Al desarrollar este proceso basado en solventes para la recuperación de metales sin desperdicio, el equipo trabajó en estrecha colaboración con algunos de los procesos electroquímicos de recuperación de metales de tierras raras que ya estaban en marcha en INL. Esto incluye el esfuerzo E-RECOV, que utiliza una celda electroquímica para recuperar de manera eficiente los metales de los dispositivos electrónicos desechados. Reducir la intensidad energética y el perfil de residuos de la recuperación de materiales críticos también tiene importantes implicaciones de justicia ambiental. En las últimas décadas, la extracción primaria, como la minería y la mejora del valor económico del producto a través de la extracción estratégica de minerales, la minería y el beneficio, se ha trasladado a países subdesarrollados como el Congo, mientras que el procesamiento posterior intensivo en energía se ha deslocalizado a Asia. Gran parte de esta deslocalización ha sido impulsada por la aversión pública a los procesos de extracción de minerales "sucios" que tienen lugar en su patio trasero. La creación de un método más limpio facilitará la recuperación de materiales críticos en el país y en el extranjero sin exponer a las comunidades desatendidas a condiciones peligrosas.

Además, Wilson y su equipo de investigación están trabajando para abordar los desechos asociados con la producción de yeso sintético a través de un proyecto para la Alianza Nacional para la Innovación del Agua. El yeso sintético, la fuente de casi el 30 % de los paneles de yeso en los EE. UU., se produce cuando se depuran los óxidos de azufre de los gases de combustión para evitar la lluvia ácida. Su equipo está aislando los desechos del proceso de fabricación utilizando dimetil éter. Este tratamiento tiene el potencial de crear aún más productos a partir de lo que originalmente era simplemente un problema ambiental.

El trabajo de recuperación de elementos de tierras raras y metales de transición "no habría sido posible sin la colaboración de INL dentro del Instituto de Materiales Críticos en el Laboratorio Nacional Ames", dijo Stetson. "Esto nos ha permitido acceder a materiales del mundo real y realizar investigaciones exhaustivas a escala de laboratorio". + Explora más

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