09.06.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Rarezas de levitación

La captura magnética de los iones de tierras raras puede conducir a una tecnología práctica para su separación

La Comisión Europea considera críticas algunas materias primas. Entre ellas se encuentran muchos representantes del grupo de los elementos de tierras raras, para los que es inminente un cuello de botella en el suministro y no existen opciones sencillas de sustitución en las aplicaciones tecnológicas. Al no existir actualmente explotaciones mineras económicamente viables en Europa, una fuente importante es el reciclaje de residuos electrónicos que contienen cantidades considerables de estos metales. El inconveniente: el proceso de concentración del material precioso en cantidades considerables depende de productos químicos perjudiciales para el medio ambiente. Los investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) podrían tener una solución a este problema, como informan en el Journal of Physical Chemistry C: utilizan imanes sencillos para atrapar iones de tierras raras en solución.

Los campos magnéticos son una opción habitual para separar las partículas en función de sus diferentes propiedades magnéticas. Se trata de una técnica bien establecida para materiales que se pueden magnetizar fuertemente en un campo magnético aplicado, como el hierro. Pero, ¿se puede aplicar también a materiales magnéticos mucho más débiles, como los iones metálicos de tierras raras paramagnéticos? "La formación de una acumulación localmente confinada de tales iones en la proximidad de campos magnéticos a partir de una solución homogénea es un efecto sorprendente que se ha observado pero que requiere conocimientos físicos", afirma el Dr. Zhe Lei, del Instituto de Dinámica de Fluidos de la HZDR. Su equipo está desentrañando la física detallada subyacente a este complejo fenómeno desde hace tiempo.

De la cartografía de un paisaje a la levitación óptima

La fuerza motriz que actúa sobre las partículas magnetizadas en campos magnéticos depende de la fuerza y la naturaleza del campo, lo que a su vez provoca una magnetización característica para cada material. El equipo de Lei aprovecha este hecho, como explica el investigador: "Para separar eficazmente los iones de tierras raras que estaban originalmente distribuidos por la solución, primero tenemos que asegurarnos de que se acumulen en una sola capa. Lo conseguimos con nuestro imán".

Su fuerza permite poner los objetos en estado de levitación, permitiendo que se acumulen en una capa distinta. La adición de agua al sistema también ayuda a mantener los objetos macroscópicos en suspensión, ya que la flotabilidad ayuda al proceso de elevación. Sin embargo, cuando los investigadores reducen la dimensión de las partículas consideradas al tamaño de los iones, también deben tener en cuenta las colisiones de las moléculas circundantes, que están en constante movimiento térmico en la solución. Su energía cinética supera la energía magnética, y el efecto de elevación "desaparece". Aquí se requiere un proceso adicional: "Hemos comprobado que debe producirse una cierta evaporación de agua en la superficie de la solución para que el enriquecimiento tenga éxito. En el proceso, la densidad de la capa cercana a la superficie recién formada aumenta, lo que provoca una tendencia a mezclarse con la capa inferior. Sin embargo, el gradiente de campo magnético ascendente contrarresta la gravedad y mantiene la zona de enriquecimiento levitando, protegiéndola de la mezcla", informa Lei.
Estos conocimientos podrían aplicarse como tecnología independiente o integrarse en los procesos de extracción con disolventes a escala industrial. Sin embargo, para diseñar un prototipo que haga uso de este principio se requiere una comprensión cuantitativa de la estabilidad del sistema. "Para abordar el problema, necesitábamos fusionar las contribuciones individuales de la gravedad, la flotabilidad y el campo magnético en algo muy parecido a un paisaje: la llamada superficie de energía potencial, una estructura topológica parecida a un mapa de senderismo. Pero en lugar de mostrar montañas y cascadas, nos da una idea de la ubicación de las altas concentraciones de iones metálicos que se forman con el tiempo", describe Lei la parte numérica del viaje.

Los imanes de bajo coste hacen el trabajo

Uno de los retos fundamentales de la tecnología de separación magnética es la disponibilidad de campos magnéticos potentes. Los imanes superconductores son una forma de hacerlo, pero tienen un precio elevado. El equipo de Lei propone un enfoque más económico: un conjunto inteligente de imanes de neodimio, los imanes permanentes más potentes disponibles en el mercado: Un imán de varilla insertado en un imán de anillo de forma que las respectivas magnetizaciones apunten en direcciones opuestas es lo que mejor funciona en términos de un proceso de separación óptimo.

Ahora, examinaron la fuerza del campo que proporciona su conjunto de imanes. Descubrieron que la fuerza del gradiente magnético del conjunto de Lei es unas cincuenta veces más fuerte que la de los sistemas referenciales diseñados en la Universidad de Harvard, en Estados Unidos. "Con el modelado computacional, también pudimos cuantificar la ubicación exacta donde se acumulan nuestras partículas de prueba bajo la influencia del campo magnético, independientemente de su posición inicial en la solución. Paralelamente, medimos estas ubicaciones mediante microscopía. Los datos experimentales coinciden con los resultados del modelo hasta tal punto que, a la inversa, ahora podemos reconstruir de forma rentable la información sobre el campo magnético sólo con mediciones ópticas", resume Lei. Mientras tanto, los investigadores solicitaron la patente de un método para la determinación de la fuerza del gradiente magnético y su distribución espacial.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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