Los elementos de tierras raras son difíciles de conseguir y difíciles de reciclar, pero científicos de la Universidad Rice parecen haber encontrado una solución. El laboratorio de Rice liderado por el químico James Tour ha logrado extraer con éxito valiosos elementos de tierras raras de residuos a rendimientos lo suficientemente altos como para resolver el problema de suministro de estos materiales críticos para la electrónica y las tecnologías limpias. 

El proceso de calentamiento Joule, introducido por los mismos investigadores hace varios años para producir grafeno a partir de cualquier fuente de carbono sólido, se ha aplicado ahora a tres fuentes de elementos de tierras raras (cenizas volantes de carbón, residuos de bauxita y desechos electrónicos) para recuperar metales de tierras raras, que tienen propiedades magnéticas y electrónicas fundamentales para la electrónica moderna.

Los investigadores afirman que su proceso es más respetuoso con el medio ambiente, ya que utilizan mucha menos energía y convierte la corriente de ácido que suele utilizarse para recuperar los elementos en un goteo. 

La importancia del reciclaje de las tierras raras

Los elementos de tierras raras en realidad no son raros. Uno de ellos, el cerio, es más abundante que el cobre, y todos son más abundantes que el oro. Pero estos 15 elementos de lantánido, junto con el itrio y el escandio, están ampliamente distribuidos y son difíciles de extraer de materiales extraídos.

La lixiviación concentrada de ácido acuoso de los minerales de elementos de tierras raras, seguida de la extracción por solvente bifásico, ha sido el esquema dominante para la producción en masa de elementos de tierras raras. Sin embargo, la producción intensiva en recursos y contaminación tiene una gran huella ambiental, lo que justifica la búsqueda de una solución sostenible. 

“Estados Unidos solía extraer elementos de tierras raras, pero en el proceso también se extraen muchos elementos radiactivos. No se permite el reinyectar agua, y hay que desecharla, lo cual es caro y problemático. El día en que Estados Unidos eliminó toda la minería de tierras raras, las fuentes extranjeras multiplicaron su precio por diez. Así que hay muchos incentivos para reciclar lo que ya se ha extraído”, explica Tour. 

A medida que disminuyen los minerales de elementos de tierras raras de fácil acceso, la extracción de elementos de tierras raras de residuos industriales están ganando mucho interés. Entre estos desechos secundarios, destacan la cenizas volantes de carbón, los residuos de bauxita y los residuos electrónicos. 

Una gran oportunidad para conseguir tierras raras son las cenizas volantes, el subproducto de las centrales eléctricas de carbón. “Tenemos montañas de estos. El residuo de carbón quemado está compuesto de óxidos de silicio, aluminio, hierro y calcio que forman vidrio alrededor de oligoelementos, haciéndolos muy difícil de extraer- Asimismo otros residuos donde conseguir tierras raras son, el residuo de bauxita, a veces llamado barro rojo, que es el subproductos tóxico de la producción de aluminio, y los residuos electrónicos provenientes de dispositivos obsoletos como computadoras y teléfonos inteligentes”. 

Mientra que la extracción industrial de estos desechos comúnmente implica la lixiviación con ácido fuerte, un proceso no verde que consume mucho tiempo, el laboratorio de Rice calienta las cenizas volantes y otros materiales (combinados con negro de carbono para mejorar la conductividad) a unos 3.000 ºC en un segundo. El proceso convierte los residuos en especies de elementos de tierras raras activados, altamente solubles. 

Tratar, por ejemplo, las cenizas volantes mediante este calentamiento Flash de Joule “rompe el vidrio que recubre estos elementos y convierte los fosfatos de elementos de tierras raras en óxidos metálicos que se disuelven mucho más fácilmente”, detalla Tour. 

Así, mientras que los procesos industriales utilizan una concentración de ácido nítrico de 15 moles para extraer los materiales; el proceso del laboratorio de Rice utilizan una concentración de ácido clorhídrico mucho más suave, de 0,1 miles, que sigue dando más producto. 

En los experimentos dirigidos por el investigador postdoctoral y autor principal, Bing Deng, los investigadores descubrieron que el calentamiento flash Joule de las cenizas volantes de carbón duplicaba con creces el rendimiento de la mayoría de los elementos de tierras raras utilizando un ácido muy suave en comparación con la lixiviación de las cenizas no tratadas en ácidos fuertes.

“La estrategia es general para varios residuos. Demostramos que los rendimientos de recuperación de elementos de tierras raras mejoraron a partir de cenizas volantes de carbón, residuos de bauxita y residuos electrónicos mediante el mismo proceso de activación”, afirma Bing. 

La generalidad del proceso lo hace especialmente prometedor. ya que cada año se producen millones de toneladas de residuos de bauxita y residuos electrónicos. 

El laboratorio de Tour introdujo el calentamiento flash Joule en 2020 para convertir el carbón, el coque de petróleo y la basura en grafeno, la forma de carbono de un solo átomo de grosor, un proceso que ahora se está comercializando. Desde entonces, el laboratorio ha adaptado el proceso para convertir los residuos de plástico en grafeno y para extraer metales preciosos de los residuos electrónicos.

Puede acceder al estudio en el siguiente enlace:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3132

Créditos de imágenes: Brandon Martin/Rice University