Elementos de terras raras são o "molho secreto" de vários materiais avançados para energia, transporte, aplicações de defesa e comunicações. Seu maior uso de energia limpa é em ímãs permanentes, que retêm propriedades magnéticas mesmo na ausência de um campo indutor ou corrente.

Agora, Pesquisadores do Departamento de Energia dos EUA inventaram um processo para extrair elementos de terras raras dos ímãs descartados de discos rígidos usados ​​e outras fontes. Eles patentearam e aumentaram o processo em demonstrações de laboratório e estão trabalhando com a licenciada da ORNL, Momentum Technologies de Dallas, para escalar ainda mais o processo para produzir lotes comerciais de óxidos de terras raras.

"Nós desenvolvemos um sistema eficiente de energia, custo-beneficio, processo ambientalmente correto para recuperar materiais críticos de alto valor, "disse o co-inventor Ramesh Bhave do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE, que lidera a equipe de tecnologias de membrana na Divisão de Ciências Químicas do ORNL. "É uma melhoria em relação aos processos tradicionais, que requerem instalações com uma grande pegada, elevados custos de capital e operacionais e uma grande quantidade de resíduos gerados. "

Os ímãs permanentes ajudam os discos rígidos do computador a ler e gravar dados, acionam motores que movem carros híbridos e elétricos, acoplar turbinas eólicas com geradores para produzir eletricidade, e ajudar smartphones a traduzir sinais elétricos em som.

Por meio do processo patenteado, ímãs são dissolvidos em ácido nítrico, e a solução é alimentada continuamente através de um módulo que suporta membranas poliméricas. As membranas contêm fibras ocas porosas com um extrator que atua como uma espécie de "guarda de trânsito" químico; ele cria uma barreira seletiva e permite que apenas elementos de terras raras passem. A solução rica em terras raras coletada do outro lado é posteriormente processada para produzir óxidos de terras raras em purezas superiores a 99,5%.

Isso é notável, considerando que, normalmente, 70% de um ímã permanente é ferro, que não é um elemento de terra rara. "Somos essencialmente capazes de eliminar o ferro completamente e recuperar apenas terras raras, "Bhave disse. Extrair os elementos desejáveis ​​sem co-extrair os indesejáveis ​​significa que menos resíduos são criados que precisarão de tratamento e descarte a jusante.

Apoiadores do trabalho incluem o Instituto de Materiais Críticos do DOE, ou CMI, para pesquisa de separações e Escritório de Transições de Tecnologia do DOE, ou OTT, para aumento de escala do processo. ORNL é um membro fundador da equipe CMI, um DOE Energy Innovation Hub liderado pelo Laboratório Ames do DOE e gerenciado pelo Advanced Manufacturing Office. A "mineração" de Bhave de uma solução ácida com membranas seletivas junta-se a outras tecnologias CMI promissoras para a recuperação de terras raras, incluindo um processo simples que esmaga e trata os ímãs e uma alternativa sem ácido.

A indústria depende de materiais críticos, e a comunidade científica está desenvolvendo processos para reciclá-los. Contudo, nenhum processo comercializado recicla elementos de terras raras puros de ímãs de lixo eletrônico. Essa é uma grande oportunidade perdida, considerando 2,2 bilhões de computadores pessoais, tablets e telefones celulares devem ser lançados em todo o mundo em 2019, de acordo com o Gartner. "Todos esses dispositivos têm ímãs de terras raras, "Bhave anotou.

O projeto de Bhave, que começou em 2013, é um esforço de equipe. John Klaehn e Eric Peterson, do Laboratório Nacional de Idaho do DOE, colaboraram em uma fase inicial da pesquisa com foco na química, e Ananth Iyer, um professor da Purdue University, posteriormente avaliou a viabilidade técnica e econômica do aumento de escala. No ORNL, Os ex-bolsistas de pós-doutorado Daejin Kim e Vishwanath Deshmane estudaram o desenvolvimento e a ampliação do processo de separação, respectivamente. A equipe ORNL atual de Bhave, compreendendo Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell e Priyesh Wagh, concentra-se em expandir o processo e trabalhar com parceiros da indústria que comercializarão a tecnologia.

Para garantir que terras raras possam ser recuperadas em um amplo espectro de matérias-primas, pesquisadores submeteram ímãs de composição variada - de fontes, incluindo discos rígidos, máquinas de imagem por ressonância magnética, telefones celulares e carros híbridos - para o processo.

A maioria dos elementos de terras raras são lantanídeos, elementos com números atômicos entre 57 e 71 na tabela periódica. "A enorme experiência do ORNL em química dos lantanídeos nos deu um grande salto inicial, "Bhave disse." Começamos a examinar as químicas dos lantanídeos e as maneiras pelas quais os lantanídeos são extraídos seletivamente.

Mais de dois anos, os pesquisadores adaptaram a química da membrana para otimizar a recuperação de terras raras. Agora, seu processo recupera mais de 97% dos elementos de terras raras.

Até o momento, o projeto de reciclagem de Bhave resultou em uma patente e duas publicações (aqui e aqui) documentando a recuperação de três elementos de terras raras - neodímio, praseodímio e disprósio - como uma mistura de óxidos.

A segunda fase de separações começou em julho de 2018 com um esforço para separar disprósio de neodímio e praseodímio. Uma mistura dos três óxidos custa US $ 50 o quilo. Se o disprósio pudesse ser separado da mistura, seu óxido poderia ser vendido por cinco vezes mais.

A segunda fase do programa também irá explorar se o processo subjacente do ORNL para separar terras raras pode ser desenvolvido para separar outros elementos em demanda de baterias de íon de lítio. "O alto crescimento esperado de veículos elétricos exigirá uma quantidade enorme de lítio e cobalto, "Bhave disse.

Esforços industriais necessários para implantar o processo ORNL no mercado, financiado ao longo de dois anos pelo Fundo de Comercialização de Tecnologia OTT do DOE, começou em fevereiro de 2019.

O objetivo é recuperar centenas de quilos de óxidos de terras raras a cada mês e validar, verificar e certificar que os fabricantes podem usar os materiais reciclados para fazer ímãs equivalentes aos feitos com materiais virgens.