Extracción ecológica de tierras raras a partir de minerales nacionales para un mundo sostenible

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), de la Universidad Estatal de Pensilvania (PSU) y de la Universidad de Arizona (UA) se han asociado con el colaborador industrial Western Rare Earths (WRE), filial estadounidense de American Rare Earths Limited, para utilizar una proteína natural para extraer y purificar elementos de tierras raras (REEs) a partir de abundantes materias primas nacionales basadas en minerales y materiales de desecho sin dañar el medio ambiente. Podría ofrecer una nueva vía hacia un sector de REE más diversificado y sostenible para Estados Unidos.

Las tierras raras de origen nacional y procesadas son esenciales para la competitividad estadounidense en las industrias de energía limpia y alta tecnología. Estas tierras raras y otros minerales críticos se emplean e muchos dispositivos vitales para una economía de alta tecnología y la seguridad nacional, incluidos los componentes informáticos, los imanes de alta potencia, las turbinas eólicas, los teléfonos móviles, los paneles solares, los superconductores, las baterías de vehículos híbridos/eléctricos, las pantallas LCD, las gafas de visión nocturna y las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Hasta la fecha, los procesos químicos utilizados para extraer, separar y purificar los REEs son perjudiciales para el medio ambiente y no son sostenibles.

En el proyecto, financiado por el Instituto de Materiales Críticos del Departamento de Energía, los investigadores recurrieron a la proteína lanmodulina, que descubrió Joseph Cotruvo, miembro del equipo del Centro de Minerales Críticos de la PSU. Este descubrimiento permitió una extracción cuantitativa y selectiva en un solo paso de los REEs de los residuos electrónicos y del carbón de pre-combustión-capacidades que otros métodos de extracción química no ofrecen.

A través de un esfuerzo de colaboración entre el LLNL, la PSU, la UA y el WRE, el equipo planea desarrollar un método escalable, totalmente acuoso y basado en proteínas para la recuperación de alta pureza de los REEs escandio e itrio a partir de mineral de alanita doméstica de bajo grado y abundante. La circonia estabilizada con itrio (YSZ) es el material de electrolito más extendido en las pilas de combustible SOFC, dada su alta conductividad iónica, resistividad electrónica y estabilidad en un amplio rango de temperaturas. La circonia estabilizada con escandio (ScSZ) es una alternativa atractiva al itrio debido a su mayor conductividad y excelente estabilidad, lo que permite temperaturas de funcionamiento más bajas y una mayor longevidad. El escandio también se utiliza en aleaciones ligeras de aluminio y escandio de alta resistencia que permiten ahorrar combustible en aviones y vehículos.

En la actualidad, China produce la mayor parte de los ETR, incluidos el itrio y el escandio. “La ausencia de un suministro fiable, a gran escala y a largo plazo limita en gran medida las aplicaciones comerciales del escandio”, afirmó el científico del LLNL Dan Park, investigador principal del proyecto. “Tenemos que explorar y explotar nuevas fuentes y tecnologías para establecer una cadena de suministro nacional de escandio e itrio para las tecnologías de energía limpia de próxima generación”.

“Los investigadores afiliados al CMI, al LLNL, a la UA y al Centro de Minerales Críticos de Penn State son la ventaja competitiva para los EE.UU. en su misión de asegurar responsablemente esta cadena de suministro”, mencionó Marty Weems, de Western Rare Earths y presidente para América del Norte de American Rare Earths Limited. “La perspectiva de un proceso sostenible, reutilizable y de elevada eficiencia que podría extraer, separar y purificar el escandio, el itrio y los metales magnéticos individuales de alto valor de las tierras raras podría revolucionar la industria. La simplicidad que vemos en la tecnología podría ser un buen presagio para escalar a la producción industrial. Nos sentimos honrados y humildes de que el CMI y el equipo de investigación nos hayan elegido como miembros del equipo y de que vayan a utilizar nuestras materias primas de Wyoming y Arizona con un contenido ultrabajo de torio. Este proyecto encaja perfectamente con nuestra misión de dotar de recursos al futuro renovable de forma responsable”.

Una ventaja notable de la materia prima de alanita de WRE es el bajo nivel de uranio y torio. Estos elementos radiactivos suelen estar presentes en muchas otras materias primas de REE y suponen una carga medioambiental y económica debido a su radiactividad. El enfoque basado en la lanmodulina del equipo ofrece varias ventajas únicas sobre los métodos anteriores, como la compatibilidad con los lixiviados de baja calidad, la eliminación de disolventes nocivos y la capacidad de lograr una separación de alta pureza de ciertos REE críticos.

El Instituto de Materiales Críticos es un centro de innovación energética del DOE dirigido por el Laboratorio Ames que busca acelerar soluciones científicas y tecnológicas innovadoras para desarrollar cadenas de suministro resistentes y seguras para los metales de tierras raras y otros materiales críticos para el éxito de las tecnologías de energía limpia. El equipo de investigación incluye a Park y Ziye Dong de LLNL, Cotruvo y Sarma Pisupati de Penn State, Hongyue Jin de la Universidad de Arizona y Weems de Western Rare Earths.

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