Non è raro nel mondo scientifico che un processo abbia molte applicazioni uniche. Ad esempio, i ricercatori dell'Idaho National Laboratory hanno adottato una tecnologia di trattamento delle acque e l'hanno adattata per un'altra funzione importante dal punto di vista ambientale:la separazione selettiva degli elementi delle terre rare e dei metalli di transizione. Questo processo chimico, recentemente descritto in un Nature Communications articolo, riduce significativamente sia il consumo di energia che di prodotto coinvolti nel recupero degli elementi delle terre rare.

I metalli delle terre rare sono un insieme di elementi metallici chimicamente simili che tendono a trovarsi a basse concentrazioni in natura e possono essere difficili da separare l'uno dall'altro. Sono preziosi per il loro uso nei motori delle auto elettriche, nei dischi rigidi dei computer e nelle turbine eoliche. I metalli di transizione sono una classe di metalli che sono eccellenti conduttori di calore ed elettricità, spesso con punti di fusione elevati e proprietà strutturali uniche, che li rendono essenziali per la produzione di leghe comuni come acciaio e rame, nonché catodi per batterie agli ioni di litio.

Attualmente, la maggior parte dei componenti che trasportano questi metalli vengono semplicemente eliminati. Il nuovo metodo di INL per estrarre questi metalli preziosi prevede l'etere dimetilico, un composto gassoso che è servito come uno dei primi refrigeranti commerciali. Guida la cristallizzazione frazionata, un processo che divide le sostanze chimiche in base alla loro solubilità, per separare gli elementi delle terre rare e i metalli di transizione dai rifiuti dei magneti.

"Questo processo inizia con un magnete che non è più utile, che viene tagliato e macinato in trucioli", ha affermato Caleb Stetson, responsabile sperimentale del progetto. "I trucioli del magnete vengono quindi messi in una soluzione con lixiviants, un liquido utilizzato per estrarre selettivamente i metalli dal materiale. Una volta che i metalli desiderati vengono lisciviati dal materiale nel liquido, possiamo quindi applicare un processo di trattamento."

Il processo guidato dall'etere dimetilico utilizza molta meno energia e pressione rispetto ai metodi tradizionali, generalmente condotti a centinaia di gradi Celsius. La cristallizzazione frazionata può essere effettuata a temperatura ambiente e richiede solo pressioni leggermente elevate di circa cinque atmosfere. In confronto, la pressione in una lattina da 12 once di soda non aperta è di 3,5 atmosfere. Anche il minor fabbisogno di energia e pressione consente di risparmiare denaro.

Le tecnologie concorrenti utilizzano anche "reagenti" chimici aggiunti per guidare le precipitazioni e altre separazioni, che inevitabilmente diventano prodotti di scarto aggiuntivi con conseguenze finanziarie e ambientali. Questo non è il caso della cristallizzazione frazionata a base di etere dimetilico.

Aaron Wilson, il ricercatore principale del progetto, ha selezionato l'etere dimetilico per la sua facilità di recupero, superando una lacuna dei precedenti tentativi di utilizzare i solventi per guidare le separazioni di materiali critici. Abbassando la pressione e poi ricomprimendo il gas alla fine dell'esperimento, il team può recuperare il solvente e riutilizzarlo nei cicli futuri.

Il processo ha anche altri vantaggi. "Può essere difficile regolare le temperature per la cristallizzazione evaporativa, ma questo processo di cristallizzazione frazionata elimina tutte queste sfide", ha affermato Stetson. "Affinché il processo separi frazioni distinte da una soluzione contenente metallo, dobbiamo solo regolare la temperatura di 10 gradi."

Durante lo sviluppo di questo processo a base di solventi per il recupero dei metalli a zero rifiuti, il team ha lavorato a stretto contatto con alcuni dei processi elettrochimici di recupero dei metalli delle terre rare già in atto presso l'INL. Ciò include lo sforzo E-RECOV, che utilizza una cella elettrochimica per recuperare in modo efficiente i metalli dall'elettronica scartata. Anche la riduzione dell'intensità energetica e del profilo dei rifiuti del recupero di materiali critici ha implicazioni significative per la giustizia ambientale. Negli ultimi decenni, l'estrazione primaria, come l'estrazione mineraria e il miglioramento del valore economico del prodotto attraverso l'estrazione, l'estrazione e l'arricchimento di minerali strategici) è stata spostata in paesi sottosviluppati come il Congo, mentre la lavorazione a valle ad alta intensità energetica è stata trasferita in mare aperto in Asia. Gran parte di questa delocalizzazione è stata guidata dall'avversione pubblica per i processi di estrazione di minerali "sporchi" che hanno luogo nel loro cortile. La creazione di un metodo più pulito faciliterà il recupero dei materiali critici a livello nazionale e all'estero senza esporre le comunità svantaggiate a condizioni pericolose.

Inoltre, Wilson e il suo team di ricerca stanno lavorando per affrontare i rifiuti associati alla produzione di gesso sintetico attraverso un progetto per la National Alliance for Water Innovation. Il gesso sintetico, la fonte di quasi il 30% del muro a secco negli Stati Uniti, viene prodotto durante il lavaggio degli ossidi di zolfo dai gas di combustione per prevenire le piogge acide. Il loro team sta isolando i rifiuti dal processo di produzione utilizzando etere dimetilico. Questo trattamento ha il potenziale per creare ancora più prodotti da quello che in origine era semplicemente un problema ambientale.

Il lavoro di recupero delle terre rare e dei metalli di transizione "non sarebbe stato possibile senza la collaborazione di INL all'interno del Critical Materials Institute dell'Ames National Laboratory", ha affermato Stetson. "Questo ci ha permesso di accedere a materiali del mondo reale e di condurre ricerche complete su scala di laboratorio". + Esplora ulteriormente

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