Nuove tecnologie efficienti ed economiche in fase di sviluppo presso la Purdue University potrebbero consentire l'estrazione di elementi delle terre rare, componenti critici di molti prodotti elettronici e verdi, dalle ceneri di carbone di scarto.
Questa innovazione potrebbe consentire agli Stati Uniti di entrare nel mercato della produzione di elementi di terre rare da 4 miliardi di dollari, riciclando le ceneri di carbone in modo ecologico. Il valore dei prodotti che richiedono metalli delle terre rare è valutato a più di $ 4 trilioni all'anno. Gli elementi delle terre rare (REE) sono costituiti in gran parte da lantanidi (Lns), una serie di 15 elementi metallici.
"I REE hanno molte importanti applicazioni in cose come i magneti permanenti nella generazione di energia e le auto elettriche, batterie, catalizzatori di raffinazione del petrolio, fosfori nei televisori a colori, e molti dispositivi elettronici compresi i cellulari. Si prevede che la domanda di REE crescerà notevolmente nei prossimi decenni, " ha detto Linda Wang, inventore della tecnologia e Maxine Spencer Nichols Professore di ingegneria chimica di Purdue.
"I REE utilizzati negli Stati Uniti sono principalmente importati dalla Cina, che controlla oltre il 90 per cento della fornitura, con ampie implicazioni per l'economia e la sicurezza nazionale degli Stati Uniti.
"Per esempio, dopo che la Cina ha ridotto le quote di esportazione nel 2010, i costi dei magneti in terre rare per una turbina eolica sono aumentati da $ 80, 000 a $ 500, 000. Dopo che la Cina ha allentato le restrizioni all'esportazione 18 mesi dopo, i prezzi sono tornati a livelli inferiori rispetto al 2010, " ha detto. "È altamente desiderabile sviluppare la capacità di produrre REE negli Stati Uniti e diventare indipendenti dai fornitori stranieri".
Separare gli elementi delle terre rare è estremamente difficile perché gli elementi hanno la stessa carica ionica e sono di dimensioni simili, ha detto Wang.
"Gli elementi delle terre rare si trovano nei minerali in concentrazioni molto piccole, qualche migliaio di parti per milione. ampi processi di estrazione mineraria, rettifica, estrazione, e la purificazione sono necessari per trasformare i minerali in metalli delle terre rare di altissima purezza (circa il 99,9% minimo) necessari per applicazioni commerciali, " ha detto. "In genere, vecchie tecnologie degli anni '50 sono utilizzate per la separazione e la purificazione. Di solito richiedono 1, 800 diversi stadi di estrazione in serie e in parallelo per la purificazione. Tali processi possono essere pericolosi, costosi e inefficienti." Wang ha affermato che i metodi di separazione convenzionali hanno anche gravi ripercussioni ambientali.
"Le attuali tecnologie di separazione producono grandi quantità di rifiuti chimici, che non possono essere riciclati economicamente, " ha detto. "Uno dei 10 siti più inquinati al mondo è un lago artificiale in Cina, dove sono immagazzinati gli effluenti di scarto delle estrazioni REE."
Wang ha sviluppato nuove tecniche di separazione cromatografica che potrebbero separare gli elementi delle terre rare prima da altre impurità e poi l'uno dall'altro utilizzando solo poche unità cromatografiche. I processi implicano metodi di eluizione assistita da ligando o cromatografia di spostamento che utilizzano metodi robusti, basso costo, sorbente inorganico titanio o assorbenti polimerici. Leganti nelle fasi mobili
"Questi nuovi processi possono separare efficacemente i REE con purezza e rese superiori al 95%, " Wang ha detto. "L'utilizzo di assorbenti al titanio è ciò che rende questa innovazione unica. Sono robusti ed economici, rendere i processi efficienti e convenienti. Siamo il primo gruppo al mondo che ha sviluppato questa tecnologia. Inoltre, i sottoprodotti del nostro processo includono gel di silice, ossido di alluminio, e altri ossidi metallici di valore commerciale, rendendo l'intero processo redditizio ed economico."
Wang ha affermato che gli Stati Uniti hanno accumulato 1,5 miliardi di tonnellate di ceneri di carbone, che potrebbe essere utilizzato per produrre REE per decenni.
"La cenere di carbone è ricca di elementi delle terre rare, ricco come alcuni dei giacimenti minerari. Gli Stati Uniti producono ogni anno circa 129 milioni di tonnellate di ceneri di carbone. Meno della metà viene riciclata in prodotti di basso valore, " ha detto. "In un esempio, una diga di stoccaggio della cenere di carbone si è rotta e la cenere ha inquinato i fiumi vicini. Ci sono voluti sette anni e 1,1 miliardi di dollari per ripulire".
Wang afferma che la nuova tecnologia potrebbe fornire modi per utilizzare la cenere di carbone che non solo soddisfano le esigenze di REE negli Stati Uniti, ma è vantaggioso per l'ambiente e potrebbe creare posti di lavoro ad alta tecnologia.
"Abbiamo dimostrato la fattibilità di questa tecnologia su scala di laboratorio e crediamo che sarà molto più semplice, più efficiente, e un'opzione di costo del capitale inferiore per la produzione di REE, " Wang ha detto. "Possiamo progettare e ampliare il processo per la produzione; c'è ancora del lavoro da completare per dimostrare queste nuove tecnologie su scala più ampia. Abbiamo avuto successo in molte separazioni cromatografiche impegnative, compresa la purificazione degli isotopi medici, zuccheri, aminoacidi, farmaci chirali, insulina, polimeri, e molti altri. Così, siamo fiduciosi di poter produrre REE di elevata purezza dalle ceneri di carbone."
