Nuevas investigaciones refuerzan la extracción de tierras raras
Un método más eficiente y respetuoso con el medio ambiente para extraer los elementos de tierras raras que alimentan desde las baterías de los vehículos eléctricos hasta los teléfonos inteligentes podría aumentar el suministro nacional y reducir la dependencia de las costosas importaciones.
Renderizado de canales artificiales.
The University of Texas at Austin
Este nuevo método, desarrollado por investigadores de la Universidad de Texas en Austin, permite separar y extraer estos elementos tan demandados donde hoy no es posible, abriendo nuevas vías para la obtención de tierras raras en medio de las tensiones comerciales mundiales.
"Los elementos de tierras raras son la columna vertebral de las tecnologías avanzadas, pero su extracción y purificación consumen mucha energía y son extremadamente difíciles de aplicar a las escalas necesarias", afirma Manish Kumar, profesor del Departamento Fariborz Maseeh de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Medioambiental y del Departamento McKetta de Ingeniería Química de la Escuela Cockrell de Ingeniería. "Nuestro trabajo pretende cambiar eso, inspirándose en el mundo natural".
La investigación se ha publicado recientemente en ACS Nano. Los investigadores desarrollaron canales de membrana artificiales -poros diminutos incrustados en las membranas- que imitan los mecanismos de transporte selectivo de las proteínas transportadoras que se encuentran en los sistemas biológicos. Estos canales son las vías que utilizan los distintos iones para viajar entre las células.
Cada canal es diferente y sólo deja pasar iones con determinadas características, mientras que impide el paso de otros. Esta selectividad es fundamental para muchos procesos biológicos, como el pensamiento.
Los canales artificiales de los investigadores utilizan una versión modificada de una estructura llamada pilareno para mejorar su capacidad de unir y bloquear iones comunes específicos, al tiempo que transportan iones de tierras raras específicos. El resultado es un sistema que puede transportar selectivamente elementos medios de tierras raras, como el europio (Eu³⁺) y el terbio (Tb³⁺), mientras excluye otros iones como el potasio, el sodio y el calcio.
"La naturaleza ha perfeccionado el arte del transporte selectivo a través de las membranas biológicas", explica Venkat Ganesan, catedrático del Departamento de Ingeniería Química de McKetta y uno de los responsables de la investigación. "Estos canales artificiales son como pequeñas porterías que sólo dejan pasar los iones deseados".
Los elementos de tierras raras se dividen en varias clases (ligeros, medios y pesados), cada una con propiedades distintas que los hacen ideales para aplicaciones específicas. Los elementos medios se utilizan en iluminación y pantallas, incluidos los televisores, y como imanes en tecnologías de energía verde, como turbinas eólicas y baterías de vehículos eléctricos.
El Departamento de Energía de EE.UU. y la Comisión Europea han identificado varios elementos intermedios, entre ellos el europio y el terbio, como materiales críticos en riesgo de interrupción del suministro. Dado que se prevé que la demanda de estos elementos crezca más de un 2.600% de aquí a 2035, encontrar formas sostenibles de extraerlos y reciclarlos es más urgente que nunca.
En los experimentos, los canales artificiales mostraron una preferencia de 40 veces por el europio frente al lantano (un elemento ligero de las tierras raras) y de 30 veces por el europio frente al iterbio (un elemento pesado de las tierras raras). Estos niveles de selectividad son significativamente superiores a los conseguidos con los métodos tradicionales basados en disolventes, que requieren decenas de etapas para lograr resultados similares.
Mediante simulaciones informáticas avanzadas, descubrieron que la selectividad de los canales se debe a interacciones únicas mediadas por agua entre los iones de tierras raras y el canal, que permiten a los canales diferenciar entre iones en función de su dinámica de hidratación, es decir, de cómo las moléculas de agua rodean a los iones e interactúan con ellos.
Kumar y su equipo llevan más de cinco años trabajando en esta investigación. Kumar es experto en separaciones basadas en membranas y aplica sus conocimientos también a la generación de agua limpia.
Los investigadores prevén que su tecnología se integre en sistemas de membranas escalables para uso industrial. El objetivo es facilitar la realización de separaciones iónicas en Estados Unidos, utilizando energía limpia.
Están trabajando en una plataforma para estos canales que permita a los usuarios seleccionar una variedad de iones para recoger. Esto podría incluir otros minerales críticos como el litio, el cobalto, el galio y el níquel.
"Se trata de un primer paso para trasladar las sofisticadas estrategias de reconocimiento y transporte molecular de la naturaleza a procesos industriales robustos, aportando así una alta selectividad a entornos en los que los métodos actuales se quedan cortos", afirma Harekrushna Behera, investigador asociado del laboratorio de Kumar que ha trabajado en el proyecto.
El equipo está formado por investigadores del Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Medioambiental Fariborz Maseeh, del Departamento de Ingeniería Química McKetta y del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales. Ellos son: Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji Oh, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica y Tzu-Yun Hsieh.
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