Los quelantes avanzados ofrecen una recuperación eficaz y ecológica del elemento de tierras raras

Los elementos de tierras raras (ETR) como el disprosio tienen muchos nichos de uso en la electrónica moderna. Tanto es así que el Departamento de Energía de EE.UU. los clasifica como "minerales críticos". Y aunque no son tan raros como metales nobles como el platino o el oro, son difíciles de obtener de yacimientos naturales. Además, comparten propiedades químicas muy similares, por lo que resulta endiabladamente difícil aislarlos unos de otros.

Pero un equipo dirigido por Wilson y el investigador postdoctoral Yangyang Gao acaba de desarrollar una técnica para purificar ciertos REEs a temperatura ambiente sin recurrir a los compuestos tóxicos y cáusticos que se utilizan actualmente para esta tarea. Los resultados prometen una forma más segura y eficaz de procesar estos metales procedentes de explotaciones mineras y recuperarlos de los residuos electrónicos.

Elementos útiles fuera de la vista del público

Los elementos de las tierras raras incluyen el escandio, el itrio y los lantánidos, la primera de las dos filas que los editores extirpan de la tabla periódica para que quepa en una sola página. En realidad, los lantánidos (y los actínidos) se sitúan justo a la derecha de la segunda columna. Es posible que el neodimio, un REE, le resulte familiar por ser el metal con el que se fabrican imanes increíblemente potentes. Wilson también está interesado en el neodimio.

Estos elementos comparten muchas propiedades químicas, por lo que es difícil separarlos. Todos forman iones con carga +3 y prefieren enlazarse con no metales de la segunda fila de la tabla periódica (como el oxígeno y el nitrógeno). Afortunadamente, difieren ligeramente en su radio iónico o tamaño. Sin embargo, sus tamaños siguen siendo bastante similares, con sólo un 16% de cambio de radio en toda la serie.

A pesar de sus propiedades físicas y químicas similares, los REEs tienen sus características distintivas. Las diferencias en el número y la disposición de los electrones de valencia confieren a cada uno de estos elementos propiedades magnéticas y ópticas distintas. Sólo aislándolos en muestras puras podemos aprovechar estas características únicas.

Ajuste de la técnica

El método estándar para separar los REE se denomina extracción líquido-líquido, que combina un disolvente orgánico (como el queroseno o el benceno) y otro de base acuosa. "En este punto, es como el aliño de una ensalada: tienes dos fases que no se mezclan", explica Wilson. Así que los químicos añaden al disolvente orgánico unas moléculas llamadas quelantes, diseñadas para unirse a los REEs.

La clave es que estos quelantes tienen una ligera preferencia por los átomos más pequeños, lo que les permite separar un tipo de REE de otro en función de su tamaño. Aun así, el proceso es bastante ineficiente: sólo un par de puntos porcentuales de enriquecimiento por cada ciclo de extracción. Obtener una muestra suficientemente pura de un elemento concreto para uso industrial requiere muchos ciclos de extracción líquido-líquido, lo que genera muchos residuos químicos.

Wilson y sus coautores de Cornell y la Universidad de Nevada, Reno, desarrollaron quelantes más optimizados y un proceso que no requiere disolvente orgánico. Así se eliminan sustancias que suelen ser inflamables, cancerígenas y tóxicas.

Los autores probaron su método en una solución de disprosio (Dy) y neodimio (Nd). Utilizaron un quelante específico, llamado G-macropa, para unirse a los átomos de Nd más grandes, y después añadieron bicarbonato sódico (también conocido como bicarbonato de sodio) para que el Dy más pequeño precipitara como sal carbonatada. Esto se puede filtrar y procesar para recuperar el metal puro. La disminución de la acidez de la solución restante les permitió separar el Nd del quelante, que puede reutilizarse.

Un solo ciclo de este nuevo proceso puede concentrar el disprosio en un factor superior a 800, frente a menos de 10 en el caso de la extracción líquido-líquido.

"Me quedé muy sorprendido cuando Yangyang, mi postdoctorando, me mostró los datos del análisis elemental", explica Wilson. Después de repetir la prueba para confirmar los resultados, el equipo se dio cuenta de lo bien ajustado que estaba su quelante para este proceso de separación.

Gracias a la colaboración con David Cantú, profesor de la Universidad de Reno, pudieron comprender y comparar la eficacia de G-macropa con la de otros quelantes a nivel molecular. Estos estudios teóricos ayudarán a los científicos a diseñar análogos de segunda generación.

Grandes aplicaciones y pequeños ajustes

Esta eficacia es importante para escalar el proceso, ya que el quelante G-macropa es más complejo, y por tanto caro, que los de uso estándar. El equipo también está explorando quelantes cuya producción pueda resultar menos costosa.

Wilson y sus coautores se centraron en separar el Nd del Dy porque ambos elementos abundan en los residuos electrónicos, sobre todo en los imanes de neodimio. De hecho, realizaron sus experimentos con residuos electrónicos para destacar su potencial para hacer del reciclaje una fuente económicamente viable de REEs.

Están trabajando para adaptar esta técnica a otros conjuntos de elementos de tierras raras, así como para garantizar que funcione con altas concentraciones de REEs más similares a las fuentes industriales.

Los avances en la separación de elementos de tierras raras podrían influir enormemente en la cadena de suministro de estos metales. Estados Unidos posee grandes yacimientos de REEs, pero importantes normativas medioambientales y sanitarias han impedido a las industrias estadounidenses competir con China, donde estas salvaguardias son mucho más laxas.

"Una separación más limpia y eficaz de estos elementos podría abrir potencialmente el suministro nacional de los elementos de tierras raras", afirma Wilson. Esto sería beneficioso tanto para la seguridad nacional como para la economía estadounidense, ya que estos metales raros son cada vez más importantes".