tierras raras

(Foto: Reuters)

Los ingenieros de Penn State recibieron una subvención de la National Science Foundation para recuperar elementos raros de la tierra a partir de fosfoyesos, un subproducto de los fertilizantes almacenado indefinidamente en vertederos abiertos y bombeado a lagos designados.

A pesar de su nombre, los elementos de las tierras raras no son tan raros. Los 17 elementos metálicos son omnipresentes en la naturaleza y son cada vez más comunes en la tecnología, como un componente crítico de los microchips y más. La descripción de “raros” se refiere a lo difícil que es extraerlos en forma utilizable. La técnica habitual para extraerlos de los minerales compuestos suele requerir mucha energía y produce importantes emisiones de carbono, y una gran parte de los elementos de las tierras raras se pierde en los residuos de otros procesos industriales.

Para desarrollar un proceso más sostenible que pueda recuperar los elementos de las tierras raras a partir del fosfoyeso, un subproducto de la producción de fertilizantes, los investigadores de Penn State recibieron una subvención de la Fundación Nacional de la Ciencia de 571.658 dólares durante cuatro años, como parte de una colaboración con la Universidad Case Western Reserve y la Universidad de Clemson, con un total de 1,7 millones de dólares de financiación. Cada universidad está financiada de forma independiente para llevar a cabo un aspecto específico del proyecto, pero éste está coordinado de forma centralizada por los investigadores de Case Western Reserve. Lauren Greenlee, profesora asociada de ingeniería química, dirige el proyecto de Penn State junto con el co-investigador principal Rui Shi, profesor asistente de ingeniería química.

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“En la actualidad, se calcula que hay 200.000 toneladas de elementos de tierras raras atrapadas en los residuos de fosfoyesos sin procesar sólo en Florida”, dijo Greenlee, explicando que los fosfoyesos se canalizan a zanjas y estanques para su almacenamiento indefinido. “Esta fuente de elementos de tierras raras está actualmente sin explotar debido a los retos asociados a las especies radiactivas y a la dificultad de separar los elementos individuales. La visión de este proyecto es descubrir nuevos mecanismos de separación, materiales y procesos para recuperar recursos valiosos, incluyendo elementos de tierras raras, fertilizantes y agua limpia, de los flujos de residuos de la industria de los fertilizantes, allanando el camino para un suministro doméstico sostenible de elementos de tierras raras y un sector agrícola sostenible.”

Greenlee también señaló que Estados Unidos depende en gran medida de fuentes internacionales para el suministro de elementos de tierras raras, y la pandemia de COVID-19 ha provocado largos retrasos en las cadenas de suministro.

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“Es un problema importante que se ve agravado por las complejidades económicas, medioambientales y de seguridad de la obtención y el uso de elementos de tierras raras a nivel internacional”, dijo Greenlee.

El fosfoyeso se forma cuando la roca fosfórica se transforma en fertilizante, y contiene pequeñas cantidades de elementos radiactivos naturales, como el uranio y el torio. Debido a esta radiactividad, el subproducto se almacena indefinidamente, y un almacenamiento inadecuado puede contaminar el suelo, el agua y la atmósfera. Para cosechar los elementos de las tierras raras atrapados en el fosfoyeso, los investigadores proponen un proceso de varias etapas en el que se utilizan péptidos de ingeniería capaces de identificar y separar con precisión los elementos de las tierras raras a través de una membrana especializada.

“Los elementos individuales de las tierras raras tienen tamaños similares y cargas formales idénticas, por lo que los mecanismos tradicionales de separación por membrana son insuficientes”, afirma Greenlee. “Un objetivo técnico clave de esta investigación es descubrir los mecanismos que sustentan la selectividad de los iones péptidos y aprovechar esos mecanismos para diseñar una nueva clase de membranas altamente selectivas”.

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Las investigadoras de Case Western Reserve Christine Duval, investigadora principal y profesora adjunta de Ingeniería Química, y Julie Renner, coinvestigadora principal y profesora adjunta de Ingeniería Química y Biomolecular, desarrollarán las moléculas para que se adhieran a elementos específicos de las tierras raras. Su diseño se guiará por el trabajo de modelado computacional de Rachel Getman, investigadora principal y profesora asociada de ingeniería química y biomolecular en Clemson. Una vez desarrollados los péptidos, Greenlee investigará cómo funcionan en soluciones acuosas, mientras que Shi utilizará herramientas de análisis de sistemas, como el análisis tecnoeconómico y la evaluación del ciclo de vida, para evaluar el impacto medioambiental y la viabilidad económica del sistema propuesto de recuperación de elementos de tierras raras en distintas condiciones de diseño y funcionamiento.

“¿Cuáles son las implicaciones generales de sostenibilidad de este proceso?” preguntó Shi. “Queremos alejarnos de los impactos ambientales actuales para ser más sostenibles, y podemos hacerlo trasladando la investigación fundamental y los resultados a escala de laboratorio a los impactos ambientales y económicos a nivel de sistema. A continuación, podemos integrar los resultados de la sostenibilidad de nuevo en el diseño para guiar los futuros objetivos de investigación, al tiempo que avanzamos en la recuperación de elementos de tierras raras y el procesamiento de fosfoyesos.”

Fuente: SciTech Daily