El laboratorio del químico James Tour James Tour en la Universidad de Rice (EE.UU) ha conseguido extraer valiosos elementos de tierras raras (REE, por sus siglas en inglés) de los residuos «con un rendimiento lo suficientemente alto como para resolver los problemas de los fabricantes» que usan estos materiales en sus productos, según informa un comunicado de la Universidad.

El proceso de calentamiento Joule del laboratorio, introducido 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 residuos electrónicos- para recuperar metales de tierras raras, que tienen propiedades magnéticas y electrónicas fundamentales para la electrónica moderna y las tecnologías verdes.

Los investigadores afirman que su proceso es más respetuoso con el medio ambiente, ya que utiliza mucha menos energía y convierte la corriente de ácido que suele utilizarse para recuperar los elementos en un goteo. El estudio ha sido recientemente publicado en Science Advances.

INTERÉS POR EL RECICLAJE DE ELEMENTOS DE TIERRAS RARAS

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

«Estados Unidos solía extraer elementos de tierras raras, pero también se obtienen muchos elementos radiactivos», explica Tour. «No se permite reinyectar el agua, y hay que eliminarla, lo cual es caro y problemático. El día que Estados Unidos eliminó toda la minería de tierras raras, las fuentes extranjeras multiplicaron por diez su precio».

Así que hay muchos incentivos para reciclar lo que ya se ha extraído. Gran parte está apilado o enterrado en las cenizas volantes, el subproducto de las centrales eléctricas de carbón. «Tenemos montañas de ellas», dijo. «El residuo de la quema de carbón son óxidos de silicio, aluminio, hierro y calcio que forman un vidrio alrededor de los oligoelementos, lo que hace que sean muy difíciles de extraer». El residuo de bauxita, a veces llamado lodo rojo, es el subproducto tóxico de la producción de aluminio, mientras que los residuos electrónicos proceden de aparatos obsoletos como ordenadores y teléfonos inteligentes.

Mientras que la extracción industrial de estos residuos suele implicar la lixiviación con ácido fuerte, un proceso que requiere mucho tiempo y no es ecológico, el laboratorio de Rice calienta las cenizas volantes y otros materiales (combinados con negro de humo para mejorar la conductividad) a unos 3.000 grados Celsius (5.432 grados Fahrenheit) en un segundo. El proceso convierte los residuos en «especies REE activadas» altamente solubles.

Según explica Tour, el tratamiento de las cenizas volantes mediante el calentamiento flash Joule «rompe el cristal que recubre estos elementos y convierte los fosfatos de REE en óxidos metálicos que se disuelven mucho más fácilmente». Los procesos industriales utilizan una concentración de ácido nítrico de 15 moles para extraer los materiales; el proceso de Rice utiliza una concentración de ácido clorhídrico mucho más suave, de 0,1 moles, que además da más producto.

UNA ESTRATEGIA GENERAL PARA DIVERSOS RESIDUOS

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

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

Según Bing, la generalidad del proceso lo hace especialmente prometedor, ya que cada año se producen también millones de toneladas de residuos de bauxita y residuos electrónicos.

«El Departamento de Energía ha determinado que se trata de una necesidad crítica que hay que resolver», dice Tour. «Nuestro proceso dice al país que ya no dependemos de la minería perjudicial para el medio ambiente ni de fuentes extranjeras para obtener elementos de tierras raras».

El laboratorio de Tour introdujo el calentamiento flash Joule en 2020 para convertir el carbón, el coque de petróleo y los residuos 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.