Los metales de tierras raras son fundamentales para la sociedad de alta tecnología en la que vivimos como un componente esencial de los teléfonos móviles, las computadoras y muchos otros dispositivos cotidianos. Pero el aumento de la demanda y la oferta mundial limitada significa que debemos encontrar urgentemente una manera de recuperar estos metales de manera eficiente de los productos descartados.
Los metales de tierras raras se extraen o recuperan actualmente mediante el reciclaje tradicional de desechos electrónicos. Pero existen inconvenientes, como el alto costo, el daño ambiental, la contaminación y los riesgos para la seguridad humana. Aquí es donde entra nuestra investigación en curso.
Nuestro equipo en colaboración con el centro de investigación Tecnalia en España ha desarrollado una forma de utilizar productos químicos respetuosos con el medio ambiente para recuperar metales de tierras raras. Implica un proceso llamado “electrodeposición”, en el que una corriente eléctrica baja hace que los metales se depositen en una superficie deseada.
Esto es importante porque si implementamos nuestro proceso a escala, podemos aliviar la presión sobre el suministro global y reducir nuestra dependencia de la minería.
LA CRECIENTE DEMANDA DE METALES DE TIERRAS RARAS
Metales de tierras raras es el nombre colectivo de un grupo de 17 elementos: 15 de la “serie de lantánidos” en la tabla periódica, junto con los elementos escandio e itrio. Estos elementos tienen propiedades catalíticas, metalúrgicas, nucleares, eléctricas, magnéticas y luminiscentes únicas.
El término “raro” se refiere a su distribución uniforme, pero escasa, en todo el mundo, observada después de que fueron descubiertos por primera vez a finales del siglo XVIII.
Estos minerales son componentes críticos de los dispositivos electrónicos y vitales para muchas tecnologías ecológicas; están en imanes para turbinas de energía eólica y en baterías para vehículos híbridos-eléctricos. De hecho, se requieren hasta 600 kilogramos de metales de tierras raras para operar una sola turbina eólica.
La demanda anual de metales de tierras raras se duplicó a 125.000 toneladas en 15 años, y se prevé que la demanda alcance las 315.000 toneladas en 2030, impulsada por el aumento de la adopción de tecnologías ecológicas y el avance de la electrónica. Esto está creando una enorme presión sobre la producción mundial.
¿No podemos simplemente extraer más metales raros?
Los metales de tierras raras se extraen actualmente a través de la minería, lo que tiene una serie de desventajas.
En primer lugar, es costoso e ineficaz porque extraer incluso una cantidad muy pequeña de metales de tierras raras requiere la explotación de grandes áreas.
En segundo lugar, el proceso puede tener enormes impactos ambientales. La extracción de minerales de tierras raras genera grandes volúmenes de material tóxico y radiactivo, debido a la coextracción de torio y uranio, metales radiactivos que pueden causar problemas para el medio ambiente y la salud humana.
En tercer lugar, la mayor parte de la extracción de metales de tierras raras se produce en China, que produce más del 70% del suministro mundial. Esto genera preocupaciones sobre la disponibilidad a largo plazo, particularmente después de que China amenazó con restringir su suministro en 2019 durante su guerra comercial con EE. UU.
El reciclaje de desechos electrónicos no es la respuesta completa
A través del reciclaje de desechos electrónicos, los metales de tierras raras se pueden recuperar de productos electrónicos como teléfonos móviles, computadoras portátiles y baterías de vehículos eléctricos, una vez que llegan al final de su vida útil.
Por ejemplo, recuperarlos de baterías de vehículos eléctricos implica procesos hidrometalúrgicos tradicionales (tratamiento de medios corrosivos) y pirometalúrgicos (tratamiento térmico). Pero estos tienen varios inconvenientes.
La pirometalurgia consume mucha energía y comprende múltiples etapas que requieren altas temperaturas de trabajo, alrededor de 1000 ℃. También emite contaminantes como dióxido de carbono, dioxinas y furanos a la atmósfera.
Mientras tanto, la hidrometalurgia genera grandes volúmenes de desechos corrosivos, como sustancias altamente alcalinas o ácidas como el hidróxido de sodio o el ácido sulfúrico.
También se aplican procesos de recuperación similares a otras tecnologías de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio.
Por qué nuestra investigación es diferente
Dados estos desafíos, nos propusimos encontrar un método sostenible para recuperar metales de tierras raras, utilizando electrodeposición.
La electrodeposición ya se utiliza para recuperar otros metales. En nuestro caso, hemos diseñado una composición respetuosa con el medio ambiente basada en sistemas de líquido iónico (a base de sal) .
Nos enfocamos en recuperar neodimio, un importante metal de tierras raras debido a sus excelentes propiedades magnéticas, y con una demanda extremadamente alta en comparación con otros metales de tierras raras. Se utiliza en motores eléctricos de automóviles, teléfonos móviles, turbinas eólicas, discos duros y dispositivos de audio.
Los líquidos iónicos son muy estables, lo que significa que es posible recuperar el neodimio sin generar productos secundarios, que pueden afectar la pureza del neodimio.
La novedad de nuestra investigación utilizando líquidos iónicos para electrodeposición es la presencia de agua en la mezcla, lo que mejora la cantidad de neodimio metálico final recuperado.
A diferencia de los métodos informados anteriormente, podemos recuperar metal de neodimio sin usar atmósfera controlada (Se puede definir como la creación de una atmósfera alterada, con el fin de proporcionar una atmósfera adecuada para ralentizar la respiración, disminuir los deterioros fúngicos y fisiológicos y prolongar la duración del almacenamiento.) y a una temperatura de trabajo inferior a 100 ℃. Estas son consideraciones clave para la industrialización de dicha tecnología.
En esta etapa tenemos prueba de concepto a escala de laboratorio utilizando una solución de líquido iónico con agua, recuperando el neodimio en su forma metálica más cara en unas pocas horas. Actualmente estamos buscando ampliar el proceso.
Un paso temprano importante
Con el tiempo, nuestro método podría evitar la necesidad de extraer metales de tierras raras y minimizar la generación de desechos tóxicos y dañinos. También promete ayudar a aumentar los beneficios económicos de la basura electrónica.
Es importante destacar que este método podría adaptarse para recuperar metales en otras aplicaciones al final de su vida útil, como las baterías de iones de litio, ya que un informe de 2019 proyectaba un crecimiento del 11% anual en la producción en Europa.
Nuestra investigación es un paso inicial importante hacia el establecimiento de una ruta de procesamiento limpia y sostenible para metales de tierras raras y el alivio de las presiones sobre estos elementos críticos.
Artículo en inglés.