Ramesh Bhave dell'Oak Ridge National Laboratory ha co-inventato un processo per recuperare elementi di terre rare di elevata purezza dai magneti scartati dei dischi rigidi dei computer (mostrati qui) e altri rifiuti post-consumo. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Gli elementi delle terre rare sono la "salsa segreta" di numerosi materiali avanzati per l'energia, trasporto, applicazioni per la difesa e le comunicazioni. Il loro più grande uso per l'energia pulita è nei magneti permanenti, che conservano le proprietà magnetiche anche in assenza di campo o corrente inducente.
Ora, I ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno inventato un processo per estrarre elementi di terre rare dai magneti scartati dei dischi rigidi usati e da altre fonti. Hanno brevettato e ampliato il processo nelle dimostrazioni di laboratorio e stanno lavorando con il licenziatario dell'ORNL Momentum Technologies di Dallas per ampliare ulteriormente il processo per produrre lotti commerciali di ossidi di terre rare.
"Abbiamo sviluppato un sistema ad alta efficienza energetica, conveniente, processo ecologico per recuperare materiali critici di alto valore, " ha detto il co-inventore Ramesh Bhave dell'Oak Ridge National Laboratory del DOE, che guida il team di tecnologie a membrana nella divisione di scienze chimiche dell'ORNL. "È un miglioramento rispetto ai processi tradizionali, che richiedono strutture con un grande ingombro, elevati costi di capitale e operativi e una grande quantità di rifiuti generati."
I magneti permanenti aiutano i dischi rigidi del computer a leggere e scrivere dati, azionano motori che muovono auto ibride ed elettriche, accoppiare turbine eoliche con generatori per produrre elettricità, e aiuta gli smartphone a tradurre i segnali elettrici in suoni.
Il processo brevettato recupera più del 97% degli elementi delle terre rare dai magneti scartati con purezza superiore al 99,5% in peso. Il materiale recuperato può essere trasformato in nuovi magneti per l'elettronica e altre applicazioni. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; creato da Syed Islam e Jason Smith
Attraverso il processo brevettato, i magneti sono disciolti in acido nitrico, e la soluzione viene alimentata in continuo attraverso un modulo che supporta membrane polimeriche. Le membrane contengono fibre cave porose con un estraente che funge da "sbirro" chimico di sorta; crea una barriera selettiva e lascia passare solo gli elementi delle terre rare. La soluzione ricca di terre rare raccolta sull'altro lato viene ulteriormente elaborata per produrre ossidi di terre rare con purezza superiore al 99,5%.
È notevole considerando che in genere, Il 70% di un magnete permanente è ferro, che non è un elemento di terre rare. "Siamo essenzialmente in grado di eliminare completamente il ferro e recuperare solo terre rare, " Bhave ha detto. Estrarre gli elementi desiderabili senza coestrarre quelli indesiderati significa che vengono creati meno rifiuti che avranno bisogno di trattamento e smaltimento a valle.
I sostenitori del lavoro includono il Critical Materials Institute del DOE, o CMI, per la ricerca sulle separazioni e l'Office of Technology Transitions del DOE, o OTT, per lo scale-up del processo. ORNL è un membro del team fondatore di CMI, un DOE Energy Innovation Hub guidato dal laboratorio Ames del DOE e gestito dall'Advanced Manufacturing Office. L'"estrazione" da parte di Bhave di una soluzione acida con membrane selettive si unisce ad altre promettenti tecnologie CMI per il recupero di terre rare, compreso un semplice processo che schiaccia e tratta i magneti e un'alternativa priva di acidi.
L'industria dipende da materiali critici, e la comunità scientifica sta sviluppando processi per riciclarli. Però, nessun processo commercializzato ricicla elementi di terre rare puri da magneti di scarto elettronico. Questa è un'enorme opportunità mancata considerando 2,2 miliardi di personal computer, tablet e telefoni cellulari dovrebbero essere spediti in tutto il mondo nel 2019, secondo Gartner. "Tutti questi dispositivi hanno magneti di terre rare al loro interno, "Bha notato.
I magneti delle materie prime per il progetto provenivano da diverse fonti in tutto il mondo. Tim McIntyre di ORNL, che guida un progetto CMI sviluppando la tecnologia robotica per estrarre i magneti dai dischi rigidi, fornito alcuni. Wistron e Okon Metals, entrambi del Texas, e materiali speciali Grishma, dell'India, fornito altri. I magneti più grandi provenivano da macchine per la risonanza magnetica, che utilizzano 110 libbre (50 chilogrammi) di magneti al neodimio-ferro-boro. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Il progetto di Bhave, iniziata nel 2013, è un lavoro di squadra. John Klaehn ed Eric Peterson dell'Idaho National Laboratory del DOE hanno collaborato in una prima fase della ricerca incentrata sulla chimica, e Ananth Iyer, un professore alla Purdue University, successivamente ha valutato la fattibilità tecnica ed economica dello scale-up. All'ORNL, ex borsisti post-dottorato Daejin Kim e Vishwanath Deshmane hanno studiato lo sviluppo e lo scale-up del processo di separazione, rispettivamente. L'attuale squadra ORNL di Bhave, composto da Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell e Priyesh Wagh, si concentra sul potenziamento del processo e sulla collaborazione con i partner del settore che commercializzeranno la tecnologia.
Per garantire che le terre rare possano essere recuperate attraverso un ampio spettro di materie prime, ricercatori hanno sottoposto magneti di varia composizione, provenienti da fonti quali dischi rigidi, macchine per la risonanza magnetica, telefoni cellulari e auto ibride, al processo.
La maggior parte degli elementi delle terre rare sono i lantanidi, elementi con numero atomico compreso tra 57 e 71 nella tavola periodica. "La straordinaria esperienza di ORNL nella chimica dei lantanidi ci ha dato un enorme balzo in avanti, "Bhave ha detto. "Abbiamo iniziato a esaminare la chimica dei lantanidi e i modi in cui i lantanidi vengono estratti selettivamente".
Oltre due anni, i ricercatori hanno adattato la chimica delle membrane per ottimizzare il recupero delle terre rare. Ora, il loro processo recupera più del 97% degli elementi delle terre rare.
Ad oggi il progetto di riciclaggio di Bhave ha portato a un brevetto e a due pubblicazioni (qui e qui) che documentano il recupero di tre elementi delle terre rare:neodimio, praseodimio e disprosio, come una miscela di ossidi.
La seconda fase delle separazioni è iniziata nel luglio 2018 con uno sforzo per separare il disprosio dal neodimio e dal praseodimio. Una miscela dei tre ossidi viene venduta per $ 50 al chilogrammo. Se il disprosio potesse essere separato dalla miscela, il suo ossido potrebbe essere venduto per cinque volte tanto.
La seconda fase del programma esplorerà anche se il processo sottostante dell'ORNL per la separazione delle terre rare può essere sviluppato per separare altri elementi richiesti dalle batterie agli ioni di litio. "L'elevata crescita prevista dei veicoli elettrici richiederà un'enorme quantità di litio e cobalto, "Bha detto.
Sforzi industriali necessari per implementare il processo ORNL nel mercato, finanziato in due anni dal Fondo per la commercializzazione della tecnologia OTT del DOE, iniziata nel febbraio 2019.
L'obiettivo è recuperare centinaia di chilogrammi di ossidi di terre rare ogni mese e convalidare, verificare e certificare che i produttori possano utilizzare i materiali riciclati per realizzare magneti equivalenti a quelli realizzati con materiali vergini.
