Los elementos de tierra rara son la “salsa secreta” de los materiales avanzados numerosos para los usos de la energía, del transporte, de la defensa y de comunicaciones. Su uso más grande para la energía limpia está en los imanes permanentes, que conservan propiedades magnéticas incluso en ausencia de un campo de inducción o actual.

Ramesh Bhave de Ridge National Laboratory del roble co-inventó un proceso para recuperar elementos de tierra rara de gran pureza de los imanes desechados de los discos duros del ordenador (mostrados aquí) y de otras basuras del poste-consumidor. Crédito: Carlos Jones /Oak Ridge National Laboratory, departamento de los E.E.U.U. de la energía

Ahora, el Ministerio de los E.E.U.U. de investigadores de la Energía ha inventado un proceso para extraer elementos de tierra rara de los imanes desechados de discos duros usados y de otras fuentes. Han patentado y aumentado proporcionalmente el proceso en demostraciones del laboratorio y están trabajando con las tecnologías del ímpetu del concesionario de ORNL de Dallas para escalar el proceso más lejos para producir los lotes comerciales de óxidos de la tierra rara.

“Hemos desarrollado un económico de energía, rentable, proceso respetuoso del medio ambiente para recuperar los materiales críticos de alto valor,” dijo al coinventor Ramesh Bhave del roble Ridge National Laboratory de la GAMA, que lleva las tecnologías de la membrana combina en la división de las ciencias químicas de ORNL. “Es una mejora sobre los procesos tradicionales, que requieren instalaciones con una huella grande, altos gastos del capital y de explotación y una gran cantidad de basura generados.”

Los imanes permanentes ayudan a discos duros del ordenador a leer y escribir datos, impulsor los motores que se mueven los coches híbridos y eléctricos, las turbinas de viento de los pares con los generadores para hacer electricidad, y los smartphones de la ayuda para traducir señales eléctricas a sonido.

Con el proceso patentado, los imanes se disuelven en ácido nítrico, y la solución se alimenta continuamente a través de las membranas favorables de un polímero del módulo. Las membranas contienen fibras huecos porosas con un solvente de extracción que sirva como “poli de tráfico químico” mediocre; crea una barrera selectiva y deja únicos elementos de tierra rara pasar a través. La solución raro-tierra-rica recogida en el otro lado se procesa más a fondo para rendir los óxidos de la tierra rara en las purezas que exceden de 99,5%.

Eso es notable considerando eso típicamente, el 70% de un imán permanente es el hierro, que no es un elemento de tierra rara. “Podemos esencialmente eliminar el hierro totalmente y recuperar solamente las tierras raras,” Bhave dijo. La extracción de elementos deseables sin indeseables los co-extracciones significa que menos basura está creada que necesitará el tratamiento y la disposición rio abajo.

Los partidarios del trabajo incluyen el instituto de los materiales críticos de la GAMA, o CMI, para la investigación de las separaciones y la oficina de la GAMA de las transiciones de la tecnología, o de OTT, para la escala-para arriba de proceso. ORNL es un miembro de equipo de fundación de CMI, un eje de la innovación de la energía de la GAMA llevado por Ames Laboratory de la GAMA y manejado por la oficina de fabricación avanzada. Bhave “que mina” de una solución ácida con las membranas selectivas se une a otras tecnologías prometedoras CMI para recuperar las tierras raras, incluyendo un proceso simple que machaque y trate imanes y una alternativa sin ácido.

La industria depende de los materiales críticos, y la comunidad científica está desarrollando procesos para reciclarlos. Sin embargo, ningún proceso comercializado recicla elementos de tierra rara puros de los imanes de la electrónico-basura. Eso es una oportunidad perdida enorme que considera 2,2 mil millones ordenadores personales, tabletas y se espera que los teléfonos móviles envíen por todo el mundo en 2019, según Gartner. “Todos estos dispositivos tienen imanes de la tierra rara en ellos,” Bhave observaron.

El proyecto de Bhave, que comenzó en 2013, es un esfuerzo del equipo. John Klaehn y Eric Peterson del laboratorio nacional de Idaho de la GAMA colaboraron en una fase temprana de la investigación centrada en química, y Ananth Iyer, profesor en el Purdue University, evaluó más adelante la viabilidad técnica y económica de la escala-para arriba. En ORNL, los becarios postdoctorales anteriores Daejin Kim y Vishwanath Deshmane estudiaron el desarrollo de proceso y la escala-para arriba de las separaciones, respectivamente. Equipo actual del ORNL de Bhave, comprendiendo Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell y a Priyesh Wagh, focos en el escalamiento encima del proceso y trabajando con los socios de la industria que comercializarán la tecnología.

Para asegurar las tierras raras se podía recuperar a través de una amplia gama de las materias de base, investigadores sujetó los imanes de variar a composición-de sources incluyendo discos duros, máquinas de resonancia magnética de la proyección de imagen, los teléfonos celulares y híbrido coche-al proceso.

La mayoría de los elementos de tierra rara son los lanthanides, elementos con números atómicos entre 57 y 71 en la tabla periódica. “La enorme experiencia de ORNL en química del lantánido nos dio un comienzo enorme del salto,” Bhave dijo. “Comenzamos a mirar las químicas y las maneras del lantánido por las cuales los lanthanides son extraídos selectivamente.”

Durante dos años, los investigadores adaptaron química de la membrana para optimizar la recuperación de tierras raras. Ahora, su proceso se recupera más el de 97% de los elementos de tierra rara.

Hasta la fecha el proyecto de reciclaje de Bhave ha dado lugar a una patente y a dos publicaciones (aquí y aquí) que documentaban la recuperación del elemento-neodimio de la tierra rara tres, praseodimio y dysprosium-como una mezcla de óxidos.

La segunda fase de separaciones comenzó en julio de 2018 con un esfuerzo para separar dysprosium del neodimio y del praseodimio. Una mezcla de las tres ventas de los óxidos para $50 por kilogramo. Si el dysprosium se podría separar de la mezcla, su óxido se podría vender por cinco veces tanto.

La segunda fase del programa también explorará si el proceso subyacente de ORNL para separar las tierras raras se puede desarrollar para separar otros elementos de la en-demanda de las baterías de ión de litio. “El elevado crecimiento previsto de vehículos eléctricos va a requerir una cantidad enorme de litio y cobalto,” Bhave dijo.

Esfuerzos industriales necesarios para desplegar el proceso de ORNL en el mercado, financiado durante dos años por el fondo de la comercialización de la tecnología del OTT de la GAMA, comenzaron en febrero de 2019.

La meta es recuperar centenares de kilogramos de óxidos de la tierra rara cada mes y validar, verificar y certificar que los fabricantes podrían utilizar los materiales reciclados para hacer los imanes equivalentes a ésos hicieron con los materiales virginales.

La oficina de fabricación avanzada, la pieza de la oficina del rendimiento energético y la energía renovable de la GAMA, financiada esta investigación con el CMI, que fue establecida para diversificar la fuente, para desarrollar substitutos, para mejorar la reutilización y el reciclaje y para conducir la investigación crosscutting de materiales críticos. ORNL ha proporcionado la dirección estratégica para estas áreas desde que CMI comenzó en 2013. Esto incluye el abastecimiento de los líderes para las áreas del foco y los proyectos que eso llevó a las nuevas innovaciones en el reciclaje de las aleaciones y del imán del aluminio-cerio.

Fuente: ORNL