Fonti di bassa qualità di elementi delle terre rare (REE), ad esempio da rifiuti industriali, in genere contengono molti elementi delle terre rare e altri metalli mescolati insieme. Un nuovo metodo di estrazione e separazione si basa su una proteina chiamata lanmodulina (LanM) che prima si lega a tutti gli elementi delle terre rare nella fonte. Quindi altri metalli vengono drenati e rimossi. Modificando le condizioni del campione, ad esempio modificando l'acidità o aggiungendo ingredienti chiamati chelanti, i singoli tipi di elementi delle terre rare non vengono più legati e possono essere raccolti. Anche quando un campione ha livelli molto bassi di elementi delle terre rare, questa nuova procedura estrae e separa con successo gli elementi pesanti delle terre rare con elevata purezza. Credito:Dong et al. 2021, Scienze Centrali ACS
Un nuovo metodo migliora l'estrazione e la separazione degli elementi delle terre rare, un gruppo di 17 elementi fondamentali per tecnologie come smartphone e batterie per auto elettriche, da fonti non convenzionali. Una nuova ricerca condotta da scienziati della Penn State e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dimostra come una proteina isolata dai batteri possa fornire un modo più rispettoso dell'ambiente per estrarre questi metalli e separarli da altri metalli e l'uno dall'altro. Il metodo potrebbe eventualmente essere ampliato per aiutare a sviluppare una fornitura nazionale di metalli delle terre rare da rifiuti industriali ed elettronica da riciclare.
"Al fine di soddisfare la crescente domanda di elementi delle terre rare da utilizzare nelle tecnologie emergenti di energia pulita, dobbiamo affrontare diverse sfide nella catena di approvvigionamento, " ha detto Joseph Cotruvo Jr., assistente professore e Louis Martarano Career Development Professor of Chemistry alla Penn State, un membro del Center for Critical Minerals della Penn State, e co-corrispondenti autori dello studio. "Ciò include il miglioramento dell'efficienza e la riduzione del carico ambientale dei processi di estrazione e separazione di questi metalli. In questo studio, dimostriamo un nuovo metodo promettente che utilizza una proteina naturale che potrebbe essere scalata per estrarre e separare gli elementi delle terre rare da fonti di bassa qualità, compresi i rifiuti industriali”.
Poiché gli Stati Uniti attualmente importano la maggior parte delle terre rare di cui hanno bisogno, un nuovo focus è stato posto sulla creazione di una fornitura domestica da fonti non convenzionali, compresi i rifiuti industriali derivanti dalla combustione del carbone e dall'estrazione di altri metalli, nonché i rifiuti elettronici dei telefoni cellulari e molti altri materiali. Queste fonti sono vaste ma considerate "di basso grado, " perché le terre rare sono mescolate con molti altri metalli e la quantità di terre rare presenti è troppo bassa perché i processi tradizionali funzionino bene. Inoltre, gli attuali metodi di estrazione e separazione si basano su prodotti chimici aggressivi, sono ad alta intensità di lavoro, a volte comportano centinaia di passaggi, produrre un volume elevato di rifiuti, e hanno un costo elevato.
Il nuovo metodo sfrutta una proteina batterica chiamata lanmodulina, scoperto in precedenza dal gruppo di ricerca, che è quasi un miliardo di volte migliore nel legarsi agli elementi delle terre rare rispetto ad altri metalli. Un articolo che descrive il processo appare online l'8 ottobre sulla rivista Scienza centrale dell'ACS.
La proteina viene prima immobilizzata su minuscole perline all'interno di una colonna, un tubo verticale comunemente utilizzato nei processi industriali, a cui viene aggiunto il materiale di origine liquido. La proteina si lega quindi agli elementi delle terre rare nel campione, che consente di trattenere nella colonna solo le terre rare e di drenare il liquido rimanente. Quindi, cambiando le condizioni, ad esempio modificando l'acidità o aggiungendo ulteriori ingredienti, i metalli si staccano dalla proteina e possono essere drenati e raccolti. Modificando attentamente le condizioni in sequenza, i singoli elementi delle terre rare potrebbero essere separati.
"Per prima cosa abbiamo dimostrato che il metodo è eccezionalmente efficace nel separare gli elementi delle terre rare da altri metalli, che è essenziale quando si tratta di fonti di bassa qualità che sono un miscuglio di metalli per cominciare, " ha detto Cotruvo. "Anche in una soluzione molto complessa in cui meno dello 0,1% dei metalli sono terre rare - una quantità estremamente bassa - abbiamo estratto e poi separato con successo un gruppo di terre rare più leggere da un gruppo di terre rare più pesanti in un passo. Questa separazione è un passaggio essenziale di semplificazione perché le terre rare devono essere separate in singoli elementi per essere incorporate nelle tecnologie".
Il team di ricerca ha separato l'ittrio (Y) dal neodimio (Nd), entrambi abbondanti nei depositi primari di terre rare e nei sottoprodotti del carbone, con una purezza superiore al 99%. Hanno anche separato il neodimio dal disprosio (Dy), un abbinamento cruciale comune nei rifiuti elettronici, con una purezza superiore al 99,9% in appena uno o due cicli, a seconda della composizione iniziale del metallo.
"L'elevata purezza del neodimio e del disprosio recuperati è paragonabile ad altri metodi di separazione ed è stata ottenuta in altrettanti o meno passaggi senza l'utilizzo di solventi organici aggressivi, " ha detto Ziye Dong, un ricercatore post-dottorato presso LLNL e primo autore dello studio. "Poiché la proteina può essere utilizzata per molti cicli, offre un'interessante alternativa ecologica ai metodi attualmente utilizzati."
I ricercatori non pensano che il loro metodo soppianterà necessariamente l'attuale processo di estrazione liquido-liquido comunemente usato per la produzione di grandi volumi di terre rare più leggere da fonti di alta qualità. Anziché, consentirà un uso efficiente di fonti di bassa qualità e in particolare per l'estrazione e la separazione delle terre rare pesanti più rare e generalmente molto più preziose.
"Altri metodi recenti sono in grado di estrarre elementi di terre rare da fonti di bassa qualità, ma in genere si fermano a un prodotto "totale" che ha tutte le terre rare messe insieme, che ha un valore relativamente scarso e quindi deve essere incanalato in schemi più convenzionali per un'ulteriore purificazione dei singoli elementi delle terre rare, " ha detto Dan Park, scienziato del personale presso LLNL e co-autore corrispondente dello studio. "Il valore sta proprio nella produzione delle singole terre rare e soprattutto degli elementi più pesanti".
"Il nostro processo è particolarmente conveniente perché questi metalli di alto valore possono essere prima purificati dalla colonna, "aggiunse Cotruvo.
I ricercatori hanno in programma di ottimizzare il metodo in modo che siano necessari meno cicli per ottenere i prodotti della massima purezza e quindi che possa essere scalato per l'uso industriale.
"Se possiamo progettare derivati della proteina lanmodulina con una maggiore selettività per elementi specifici, potremmo recuperare e separare tutti i 17 elementi delle terre rare in un numero relativamente piccolo di passaggi, anche dalle miscele più complesse, e senza solventi organici o sostanze chimiche tossiche, che sarebbe un grosso problema, " ha detto Cotruvo. "Il nostro lavoro dimostra che questo obiettivo dovrebbe essere raggiungibile".
