Não é incomum no mundo científico que um processo tenha muitas aplicações exclusivas. Por exemplo, pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho pegaram uma tecnologia de tratamento de água e a adaptaram para outra função ambientalmente importante – separar seletivamente elementos de terras raras e metais de transição. Este processo químico, recentemente descrito em uma Nature Communications artigo, reduz significativamente o consumo de energia e produto envolvido na recuperação de elementos de terras raras.
Os metais de terras raras são uma coleção de elementos metálicos quimicamente semelhantes que tendem a ocorrer em baixas concentrações na natureza e podem ser difíceis de separar uns dos outros. Eles são valiosos para uso em motores de carros elétricos, discos rígidos de computadores e turbinas eólicas. Os metais de transição são uma classe de metais que são excelentes condutores de calor e eletricidade, muitas vezes com altos pontos de fusão e propriedades estruturais únicas, tornando-os essenciais para a produção de ligas comuns como aço e cobre, bem como cátodos de baterias de íons de lítio.

Atualmente, a maioria dos componentes que carregam esses metais são simplesmente descartados. O novo método do INL para extrair esses metais valiosos envolve o éter dimetílico, um composto gasoso que serviu como um dos primeiros refrigerantes comerciais. Ele conduz a cristalização fracionada - um processo que divide substâncias químicas com base em sua solubilidade - para separar elementos de terras raras e metais de transição de resíduos magnéticos.

"Esse processo começa com um ímã que não é mais útil, que é cortado e moído em aparas", disse Caleb Stetson, líder experimental do projeto. "As aparas magnéticas são então colocadas em uma solução com lixiviantes, um líquido usado para extrair seletivamente metais do material. Uma vez que os metais desejados são lixiviados do material para o líquido, podemos então aplicar um processo de tratamento."

O processo acionado por éter dimetílico usa muito menos energia e pressão do que os métodos tradicionais, normalmente conduzidos a centenas de graus Celsius. A cristalização fracionada pode ser realizada à temperatura ambiente e requer apenas pressões ligeiramente elevadas de cerca de cinco atmosferas. Em comparação, a pressão em uma lata fechada de 12 onças de refrigerante é de 3,5 atmosferas. As menores necessidades de energia e pressão também economizam dinheiro.

Tecnologias concorrentes também usam "reagentes" químicos adicionados para conduzir a precipitação e outras separações, que inevitavelmente se tornam resíduos adicionais com consequências financeiras e ambientais. Este não é o caso da cristalização fracionada à base de éter dimetílico.

Aaron Wilson, o principal investigador do projeto, selecionou o éter dimetílico por sua facilidade de recuperação, superando uma falha de tentativas anteriores de usar solventes para conduzir separações críticas de materiais. Ao diminuir a pressão e recomprimir o gás no final do experimento, a equipe pode recuperar o solvente e reutilizá-lo em ciclos futuros.

O processo também tem outras vantagens. "Pode ser difícil ajustar as temperaturas para a cristalização evaporativa, mas esse processo de cristalização fracionada elimina todos esses desafios", disse Stetson. "Para o processo de separar frações distintas de uma solução contendo metal, precisamos apenas ajustar a temperatura em 10 graus."

Ao desenvolver este processo à base de solvente para recuperação de metal sem desperdício, a equipe trabalhou em estreita colaboração com alguns dos processos eletroquímicos de recuperação de metais de terras raras já em vigor no INL. Isso inclui o esforço E-RECOV, que usa uma célula eletroquímica para recuperar com eficiência metais de eletrônicos descartados. A redução da intensidade energética e do perfil de resíduos da recuperação de materiais críticos também tem implicações significativas na justiça ambiental. Nas últimas décadas, a extração primária, como a mineração e o aumento do valor econômico do produto por meio da extração estratégica de minério, mineração e beneficiamento) foi transferida para nações subdesenvolvidas como o Congo, enquanto o processamento downstream intensivo em energia foi transferido para a Ásia. Grande parte desse offshoring foi impulsionado pela aversão pública aos processos de extração mineral "sujos" que ocorrem em seu quintal. A criação de um método mais limpo facilitará a recuperação de materiais críticos no país e no exterior sem expor comunidades carentes a condições perigosas.

Além disso, Wilson e sua equipe de pesquisa estão trabalhando para lidar com os resíduos associados à produção de gesso sintético por meio de um projeto para a National Alliance for Water Innovation. O gesso sintético, a fonte de quase 30% da parede seca nos EUA, é produzido ao esfregar óxidos de enxofre do gás de combustão para evitar chuva ácida. Sua equipe está isolando os resíduos do processo de fabricação usando éter dimetílico. Este tratamento tem o potencial de criar ainda mais produtos a partir do que originalmente era apenas um problema ambiental.

O trabalho de recuperação de elementos de terras raras e metais de transição "não teria sido possível sem a colaboração do INL no Instituto de Materiais Críticos do Laboratório Nacional de Ames", disse Stetson. "Isso nos permitiu acessar materiais do mundo real e realizar pesquisas abrangentes em escala de laboratório". + Explorar mais

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