Mientras los químicos se esfuerzan por encontrar formas de recuperar metales valiosos de los desechos industriales y los productos electrónicos desechados, un equipo ha encontrado una solución que suena un poco a magia: eliminar la basura con destellos de calor eléctrico.
Los elementos de tierras raras (REEs) presentan una paradoja ambiental. Por un lado, esta docena de metales, como el itrio y el neodimio, son componentes vitales de las turbinas eólicas y los paneles solares, y las fuentes baratas de REE podrían dar un gran impulso a esas tecnologías verdes. Por otro lado, la minería de REE causa miles de millones de dólares en daños ambientales cada año. Debido a que los elementos se encuentran en bajas concentraciones, las empresas mineras tienen que masticar toneladas y toneladas de mineral, despojar y destripar paisajes. Además, los REE a menudo se mezclan con elementos radiactivos y su extracción crea desechos nucleares de bajo nivel.
La electrónica antigua y otros desechos industriales, por el contrario, son ricos en REE. Pero los métodos de reciclaje existentes son ineficientes y costosos, y requieren productos químicos corrosivos como el ácido clorhídrico concentrado. Por cada problema ambiental que REE podría resolver, aparentemente introducen dos más.
El nuevo proceso podría ayudar a romper ese atasco. Hoy en Avances de la ciencia, un equipo dirigido por el químico orgánico James Tour de la Universidad Rice informa que utiliza pulsos de calor eléctrico para facilitar la extracción de REE de los desechos industriales. La técnica es aproximadamente el doble de eficiente que los métodos actuales y utiliza productos químicos mucho más benignos.
“Es un enfoque muy interesante”, dice Amir Sheikhi, ingeniero químico de la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, que estudia la extracción de REE. «Con un tratamiento bastante corto a alta temperatura… estos elementos de tierras raras se liberan».
El equipo de Tour probó su proceso en cenizas volantes, un subproducto gris pulverulento de la quema de carbón que contiene niveles concentrados de REE originalmente presentes en el carbón. Los investigadores mezclaron la ceniza con negro de humo para mejorar la conductividad eléctrica y luego colocaron la mezcla en tubos de cuarzo transparente de 1 a 2 centímetros de ancho y de 5 a 8 centímetros de largo. Los condensadores en los extremos de los tubos enviaron un pulso de corriente, lo que provocó que el tubo emitiera destellos de color amarillo-blanco y produjera una pequeña bocanada de humo. La temperatura de los polvos mezclados se disparó a 3000°C en 1 segundo, luego se enfrió rápidamente.
Ese pico de calor hace dos cosas. Cuando el carbón se quema como combustible, se forman fragmentos microscópicos de vidrio en el interior y atrapan los REE, lo que dificulta su extracción. Pero las ráfagas de calor eléctrico golpean y rompen el vidrio, liberando las tierras raras. El calentamiento instantáneo también induce cambios químicos: los fosfatos de REE se transforman en óxidos de REE, que son más solubles y fácilmente extraíbles.
El dominio de las tierras raras de China
Los elementos de tierras raras son componentes vitales de las tecnologías verdes. Otros países se han quejado de que China utiliza su dominio del mercado para hacer subir los precios al limitar las exportaciones.
Como resultado de estos cambios, el grupo de Tour puede utilizar soluciones menos corrosivas para extraer los REE. El equipo de Tour se las arregla con concentraciones de ácido clorhídrico 120 veces más bajas que los métodos de extracción actuales, y aun así logra extraer el doble. “Está tan diluido”, dice Tour, “que… bueno, yo no lo haría, pero creo que se puede beber [it].”
Además de las cenizas volantes, el equipo de Tour extrajo REE del llamado lodo rojo, un subproducto de la fabricación de aluminio, y de la electrónica. En el último caso, el equipo destripó una computadora portátil vieja y convirtió su placa de circuito en polvo para experimentar.
Muchos funcionarios gubernamentales están interesados en extraer REE de los desechos, en lugar de extraerlos, por razones económicas y ambientales. China ha dominado durante mucho tiempo el mercado internacional de REE, y Japón, la Unión Europea y Estados Unidos se han quejado ante la Organización Mundial del Comercio de que China utiliza su casi monopolio para reducir las exportaciones y hacer subir los precios. (Desde entonces, Japón ha explorado medidas como dragar lodo rico en REE del fondo del océano profundo, lo que no es exactamente ecológico). Depender de un proveedor extranjero para REE pone a los países «en una desventaja económica, si no una desventaja de seguridad natural». dice Steven Winston, un ingeniero químico independiente y ex vicepresidente del Laboratorio Nacional de Idaho que ha estudiado los desechos mineros. El calentamiento instantáneo de los desechos podría abrir un suministro alternativo.
Pero quedan obstáculos. Después de extraer los REE, deben separarse en elementos individuales para diferentes aplicaciones. Eso «sigue siendo un gran desafío», dice Heileen Hsu-Kim, ingeniera ambiental de la Universidad de Duke que estudia la extracción de REE. Las empresas suelen utilizar disolventes orgánicos como el queroseno, que por sí mismos provocan problemas medioambientales o son difíciles de reciclar. Para abordar estas preocupaciones, el equipo de Sheikhi transformó la celulosa biodegradable en filamentos con «pelos» deportivos con grupos funcionales que se unen selectivamente y capturan el neodimio, un componente vital en los imanes de las turbinas eólicas.
Además, el proceso de Tour tendría que ampliarse masivamente para marcar la diferencia. Sheikhi señala que «normalmente, los procesos de alta temperatura son caros». Pero el equipo de Tour argumenta que debido a que el calentamiento rápido es rápido, los costos son bajos, solo $12 por tonelada de cenizas volantes. En cuanto a la ampliación, el equipo desarrolló previamente un proceso de calentamiento instantáneo para transformar neumáticos y plásticos viejos en grafeno, y una empresa derivada ya amplió ese proceso utilizando calentadores instantáneos más grandes.
Si el método de Tour funciona, hay un montón de desechos industriales para eliminar. Cada año, la humanidad produce 40 millones de toneladas de desechos electrónicos, 150 millones de toneladas de lodo rojo y 750 millones de toneladas de cenizas volantes de carbón, muchas de ellas apiladas en montículos gigantes. Teniendo en cuenta que la quema de carbón ayudó a crear nuestro desorden ambiental actual, sería apropiado si la chispa de las tecnologías verdes pudiera extraerse de sus desechos. “No necesitamos quemar más carbón para esto [recycling] proceso para trabajar”, dice Tour. “Tenemos suficientes montañas de esto para siempre”.
