Este nuevo proceso es capaz de extraer tierras raras, vitales para los coches eléctricos, de los desechos
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Publicado: 31/03/2023 11:33
Young-Shin Jun, profesora en la Universidad de Washington ha encontrado el modo de extraer tierras raras de cenizas volantes de carbón, un fino producto de desecho en polvo de la combustión del carbón.
En prácticamente todos los dispositivos electrónicos modernos, como teléfonos móviles, ordenadores, televisores e incluso vehículos de todo tipo, se utilizan los elementos de tierras raras (REE, por sus siglas en inglés), que comprenden un grupo de 17 elementos metálicos.
A pesar de que la demanda de estos elementos ha ido en aumento cada año y, de hecho, es vital para la industria del coche eléctrico, su oferta es limitada por factores geopolíticos y su extracción se realiza mediante prácticas ambientalmente insostenibles.
Para abordar esta problemática, la profesora de ingeniería energética, ambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, Young-Shin Jun, junto con su equipo, han desarrollado una solución de prueba de concepto que consiste en la extracción de los REE a partir de las cenizas volantes de carbón, un residuo fino en polvo producido por la combustión del carbón.
«Queríamos usar un proceso más ecológico para extraer REE que los procesos tradicionalmente más dañinos», declara Jun. «Dado que el carbón ya se ha utilizado, este proceso es, en última instancia, un camino hacia la reducción y remediación de productos de desecho».
Cómo extraer tierras raras del polvo de carbón
La profesora Young-Shin Jun y su exalumna de doctorado, Yaguang Zhu, ahora becaria posdoctoral en la Universidad de Princeton, han desarrollado un proceso innovador de extracción utilizando fluido supercrítico.
Esta es una sustancia que se encuentra en un estado entre líquido y gas cuando se expone a una temperatura y presión por encima de su punto crítico. Este método, comúnmente utilizado para descafeinar el café, permite recuperar los REE críticamente necesarios de las cenizas volantes de carbón que, de lo contrario, habrían sido desechadas en un vertedero.
Según el equipo de Jun, se generan más de 79 millones de toneladas métricas de cenizas volantes de carbón cada año en los Estados Unidos, y el valor potencial de los REE que podrían extraerse de ellas se estima en más de 4000 millones de dólares anuales.
En su estudio publicado en la edición de marzo de 2023 de RSC Sustainability, el equipo demostró que los fluidos supercríticos comunes y accesibles, como el dióxido de carbono (CO2), el nitrógeno y el aire, pueden extraer los REE y separar las impurezas de manera muy eficiente.
Además, al experimentar con cenizas volantes de carbón, descubrieron que el dióxido de carbono supercrítico reduce las concentraciones de impurezas en el producto final de REE. Los productos finales obtenidos contenían hasta un 6,47 % de REE, en comparación con un 0,0234 % en la fuente inicial de cenizas volantes de carbón.
«La singularidad de nuestro trabajo no es solo usar el CO2 supercrítico, sino también mostrar que el aire y el nitrógeno supercríticos, con una temperatura y una presión mucho más bajas que las requeridas para el CO2, pueden extraer REE de manera efectiva», explica Jun, quien también dirige el Environmental Laboratory de Nanoquímica.
«Podemos usar temperaturas y presiones más bajas con nitrógeno o aire para extraer los elementos de tierras raras de las cenizas volantes del carbón, lo que significa un menor coste de energía. Por supuesto, el CO2 supercrítico funciona mejor, pero el aire o el nitrógeno supercríticos podrían hacer un trabajo mucho mejor en comparación con la ebullición tradicional a alta temperatura con ácidos y solventes orgánicos para la extracción de REE», aclara.
Un proceso en dos pasos
El equipo de Jun ha desarrollado un proceso de extracción de dos pasos que permite extraer los iones metálicos presentes en las cenizas volantes del carbón, incluyendo los REE y las impurezas, utilizando ácido nítrico para formar nitratos metálicos.
En una segunda etapa, los nitratos metálicos reaccionan con el fosfato de tributilo para separar los REE de las impurezas. Este proceso de extracción de múltiples etapas recolecta los REE y reduce la concentración de impurezas en el producto final.
Una ventaja del método de Jun es que no requiere altas temperaturas de tostado o ácidos fuertes y solventes orgánicos tóxicos utilizados en los procesos de extracción tradicionales, lo que también reduce la cantidad de residuos generados.
Además, el ácido nítrico y el fosfato de tributilo utilizados en el proceso se pueden reciclar varias veces sin afectar su eficiencia, lo que minimiza los problemas de eliminación.
Estos avances en la extracción de REE de las cenizas volantes del carbón podrían ser un paso importante hacia la eliminación de prácticas de extracción insostenibles y la satisfacción de la creciente demanda de estos elementos esenciales para la tecnología moderna.
El equipo de Jun trabaja ahora con la Oficina de Gestión de Tecnología de la universidad, que ha solicitado una patente sobre el proceso.
Por qué las tierras raras son importantes en la industria del automóvil
En la industria automotriz, las tierras raras son especialmente importantes en la fabricación de motores eléctricos y sistemas de iluminación LED para vehículos.
Los motores eléctricos utilizan imanes permanentes que contienen neodimio, un elemento de las tierras raras. Estos imanes de neodimio son especialmente valiosos debido a su alta resistencia a la desmagnetización, lo que los hace ideales para mantener la fuerza magnética en condiciones adversas y a altas temperaturas.
Como resultado, el neodimio es crítico en el diseño de motores eléctricos eficientes y compactos para vehículos eléctricos.
Además del neodimio, otros elementos de las tierras raras como el disprosio y el praseodimio se utilizan en la fabricación de motores eléctricos para mejorar la estabilidad térmica y la resistencia a la corrosión de los imanes de neodimio.
En cuanto a los sistemas de iluminación LED, las tierras raras también son un componente importante.
Los LED utilizan fósforo de itrio, otro elemento de las tierras raras, para convertir la luz azul generada por los diodos emisores de luz en luz blanca para la iluminación de interiores y exteriores de los vehículos.
