La separación selectiva podría ayudar a aliviar la escasez de metales críticos

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Una nueva forma de procesar tierras raras y otros metales clave para separarlos de otros materiales podría reducir el impacto ambiental y los costos.

Cortesía de Noticias del MIT.
Corresponsal de MIT News

Los nuevos métodos de procesamiento desarrollados por investigadores del MIT podrían ayudar a aliviar la escasez inminente de los metales esenciales que alimentan todo, desde teléfonos hasta baterías de automóviles, al facilitar la separación de estos metales raros de los minerales de extracción y materiales reciclados.

Los ajustes selectivos dentro de un proceso químico llamado sulfuración permitieron al profesor de metalurgia Antoine Allanore y su estudiante graduado Caspar Stinn apuntar y separar con éxito los metales raros, como el cobalto en una batería de iones de litio, de los materiales de metales mixtos.

Como informan en la revista Naturaleza, sus técnicas de procesamiento permiten que los metales permanezcan en forma sólida y se separen sin disolver el material. Esto evita los métodos tradicionales pero costosos de separación de líquidos que requieren una gran cantidad de energía. Los investigadores desarrollaron condiciones de procesamiento para 56 elementos y probaron estas condiciones en 15 elementos.

Su enfoque de sulfuración, escriben en el documento, podría reducir los costos de capital de la separación de metales entre un 65 y un 95 por ciento de los óxidos de metales mixtos. Su procesamiento selectivo también podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 60 y un 90 por ciento en comparación con la separación tradicional basada en líquidos.

“Estábamos emocionados de encontrar reemplazos para procesos que tenían niveles realmente altos de uso de agua y emisiones de gases de efecto invernadero, como el reciclaje de baterías de iones de litio, el reciclaje de imanes de tierras raras y la separación de tierras raras”, dice Stinn. “Esos son procesos que fabrican materiales para aplicaciones de sostenibilidad, pero los procesos en sí mismos son muy insostenibles”.

Los hallazgos ofrecen una forma de aliviar la creciente demanda de metales menores como cobalto, litio y elementos de tierras raras que se utilizan en productos de energía “limpia” como automóviles eléctricos, células solares y molinos de viento generadores de electricidad. Según un 2021 reporte Según la Agencia Internacional de Energía, la cantidad promedio de minerales necesarios para una nueva unidad de capacidad de generación de energía ha aumentado en un 50 por ciento desde 2010, a medida que las tecnologías de energía renovable que utilizan estos metales amplían su alcance.

Oportunidad de selectividad

Durante más de una década, el grupo Allanore ha estado estudiando el uso de materiales sulfurosos en el desarrollo de nuevas rutas electroquímicas para la producción de metales. Los sulfuros son materiales comunes, pero los científicos del MIT están experimentando con ellos en condiciones extremas, como temperaturas muy altas, de 800 a 3000 grados Fahrenheit, que se utilizan en plantas de fabricación, pero no en un laboratorio universitario típico.

“Estamos viendo materiales muy bien establecidos en condiciones que son poco comunes en comparación con lo que se ha hecho antes”, explica Allanore, “y es por eso que estamos encontrando nuevas aplicaciones o nuevas realidades”.

En el proceso de sintetizar materiales de sulfuro de alta temperatura para apoyar la producción electroquímica, dice Stinn, “aprendimos que podíamos ser muy selectivos y muy controlados sobre los productos que fabricamos. Y fue con ese entendimiento que nos dimos cuenta, ‘OK, tal vez haya una oportunidad para la selectividad en la separación aquí’ ”.

La reacción química explotada por los investigadores hace reaccionar un material que contiene una mezcla de óxidos metálicos para formar nuevos compuestos o sulfuros de azufre metálico. Al alterar factores como la temperatura, la presión del gas y la adición de carbono en el proceso de reacción, Stinn y Allanore descubrieron que podían crear selectivamente una variedad de sólidos de sulfuro que pueden separarse físicamente mediante una variedad de métodos, incluida la trituración del material y la clasificación. sulfuros de diferentes tamaños o el uso de imanes para separar diferentes sulfuros entre sí.

Los métodos actuales de separación de metales raros se basan en grandes cantidades de energía, agua, ácidos y disolventes orgánicos que tienen costosos impactos ambientales, dice Stinn. “Estamos tratando de utilizar materiales que sean abundantes, económicos y fácilmente disponibles para la separación sostenible de materiales, y hemos expandido ese dominio para incluir ahora azufre y sulfuros”.

Stinn y Allanore utilizaron la sulfuración selectiva para separar metales económicamente importantes como el cobalto en baterías de iones de litio recicladas. También utilizaron sus técnicas para separar el disprosio, un elemento de tierras raras utilizado en aplicaciones que van desde dispositivos de almacenamiento de datos hasta optoelectrónica, de los imanes de boro de tierras raras o de la mezcla típica de óxidos disponibles en la minería de minerales como la bastnaesita.

Aprovechando la tecnología existente

Los metales como el cobalto y las tierras raras solo se encuentran en pequeñas cantidades en los materiales extraídos, por lo que las industrias deben procesar grandes volúmenes de material para recuperar o reciclar una cantidad suficiente de estos metales para que sean económicamente viables, explica Allanore. “Está bastante claro que estos procesos no son eficientes. La mayoría de las emisiones provienen de la falta de selectividad y la baja concentración a la que operan ”.

Al eliminar la necesidad de separación de líquidos y los pasos y materiales adicionales que requiere para disolver y luego volver a precipitar elementos individuales, el proceso de los investigadores del MIT reduce significativamente los costos incurridos y las emisiones producidas durante la separación.

“Una de las cosas buenas de la separación de materiales mediante sulfuración es que se puede aprovechar una gran cantidad de tecnología e infraestructura de procesos existentes”, dice Stinn. “Son nuevas condiciones y nuevas químicas en los estilos y equipos de reactores establecidos”.

El siguiente paso es demostrar que el proceso puede funcionar para grandes cantidades de materia prima, por ejemplo, separando 16 elementos de las corrientes mineras de tierras raras. “Ahora hemos demostrado que podemos manejar tres, cuatro o cinco de ellos juntos, pero aún no hemos procesado un flujo real de una mina existente a una escala que coincida con lo que se requiere para la implementación”, dice Allanore.

Stinn y sus colegas en el laboratorio han construido un reactor que puede procesar alrededor de 10 kilogramos de materia prima por día, y los investigadores están iniciando conversaciones con varias corporaciones sobre las posibilidades.

“Estamos discutiendo qué se necesitaría para demostrar el desempeño de este enfoque con las corrientes de reciclaje y minerales existentes”, dice Allanore.

Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Imagen cortesía de MIT.

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Y ahora, nos vemos en una nueva noticia. ¡Hasta la próxima!

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