Según Justin Wilson, profesor de química en la Universidad de California en Santa Bárbara, el mundo necesitará muchos más metales exóticos en los próximos años. Pero no se refiere al litio, al cobalto ni siquiera al berilio. Wilson está interesado en el disprosio, que está tan escondido en la tabla periódica que se te perdonaría pensar que lo inventó él.
Los elementos de tierras raras (REE), como el disprosio, se utilizan ampliamente en la electrónica moderna. Tanto es así que el Departamento de Energía de Estados Unidos los clasifica como “minerales importantes”. Y si bien no son tan raros como los metales nobles como el platino o el oro, son difíciles de obtener a partir de depósitos naturales. También comparten propiedades químicas muy similares, lo que hace tremendamente difícil aislarlos unos de otros.
Pero un equipo dirigido por Wilson y el investigador postdoctoral Yang Yanggao acaba de desarrollar una técnica para purificar REE específicos a temperatura ambiente sin depender de los compuestos tóxicos y cáusticos utilizados para esta tarea. Los hallazgos, publicados en la revista Angewandte Chemie, prometen una forma más segura y eficiente de procesar estos metales de las operaciones mineras y recuperarlos de los desechos electrónicos.
Elementos útiles ocultos a la vista del público.
Los elementos de tierras raras incluyen el escandio, el itrio y los lantánidos, la primera de dos filas que los editores eliminan de la tabla periódica para que quepa en una sola página. Los lantánidos (y los actínidos debajo de ellos) en realidad se ubican en el extremo derecho de la segunda columna. Quizás estés familiarizado con el neodimio REE porque este metal se utiliza para fabricar imanes increíblemente fuertes. Wilson también tiene intereses en el neodimio.
Estos elementos comparten muchas propiedades químicas, lo que dificulta su distinción entre sí. Todos ellos forman iones con una carga +3 y todos prefieren unirse con no metales en la segunda fila de la tabla periódica (como el oxígeno y el nitrógeno). Afortunadamente, difieren ligeramente en su radio o tamaño iónico. Sin embargo, sus tamaños siguen siendo bastante similares, con sólo un cambio del 16% en el radio a lo largo de la serie.
A pesar de sus propiedades físicas y químicas similares, los REE tienen sus propias propiedades distintivas. Las diferencias en el número y disposición de los electrones de valencia dotan a cada uno de estos elementos de propiedades magnéticas y ópticas distintas. Sólo separándolos en muestras puras podremos aprovechar estas propiedades únicas.
Técnicas de afinación
El estándar actual de la industria para separar REE se llama extracción líquido-líquido, que combina un solvente orgánico (como queroseno o benceno) y un solvente a base de agua. “En este punto, es como un aderezo para ensalada, donde tienes dos fases y no se mezclan”, dijo Wilson. Por eso, los químicos añaden moléculas llamadas quelantes a disolventes orgánicos que están diseñados para unirse a los REE.
La clave es que estos quelantes tienen una ligera preferencia por los átomos pequeños, lo que les permite separar un tipo de REE de otro según su tamaño. Sin embargo, el proceso es ineficiente: sólo un pequeño porcentaje de enriquecimiento por cada ciclo de extracción. La obtención de una muestra suficientemente pura de un determinado elemento para uso industrial requiere muchos ciclos de extracción líquido-líquido, generando una gran cantidad de residuos químicos.
Wilson y sus coautores en Cornell y la Universidad de Nevada, Reno, desarrollaron quelantes aún mejores y un proceso que no requiere solventes orgánicos. Elimina sustancias que a menudo son inflamables, cancerígenas y tóxicas.
Los autores probaron su método en soluciones de disprosio (Dy) y neodimio (Nd). Usaron un quelante especial, llamado G-macropa, para unir los átomos de Nd más grandes, y luego agregaron bicarbonato de sodio (también conocido como bicarbonato de sodio) para precipitar el Dy más pequeño como una sal de carbonato. Puede filtrarse y procesarse fácilmente para recuperar el metal puro. Al reducir la acidez de la solución restante, pudo separar el Nd del quelante, que luego podría reutilizarse.
Un ciclo de este nuevo proceso puede concentrar disprosio en un factor de más de 800, en comparación con menos de 10 para la extracción líquido-líquido.
“(Me sorprendió mucho) cuando mi postdoctorado, Yang Yang, me mostró los datos del análisis primario”, dijo Wilson. Después de repetir la prueba para confirmar los resultados, el equipo se dio cuenta de lo bien que se adaptaba su quelante a este proceso de separación.
Al colaborar con el profesor de la ONU en Reno, David Canto, pudieron comprender y comparar la eficacia de G. macropaa con otros quelantes a nivel molecular. Estos estudios teóricos ayudarán a los científicos a diseñar análogos de segunda generación.
Grandes aplicaciones y pequeños ajustes
Esta eficiencia es importante para ampliar el proceso porque el quelante G-macropa es más complejo y, por tanto, más caro que el uso estándar. El equipo también está buscando quelantes que puedan ser menos costosos de producir.
Wilson y sus coautores se centraron en separar el Nd del Dy porque ambos elementos abundan en los desechos electrónicos, especialmente en los imanes de neodimio. De hecho, llevaron a cabo sus experimentos con desechos electrónicos para enfatizar el potencial del reciclaje como fuente económicamente viable de REE.
Están trabajando para adaptar la técnica a otros conjuntos de elementos de tierras raras, así como para garantizar que funcione con concentraciones más altas de REE similares que las fuentes industriales.
Los avances en el aislamiento de tierras raras podrían tener un impacto importante en la cadena de suministro de estos metales. Estados Unidos tiene grandes reservas de REE, pero importantes regulaciones ambientales y sanitarias han impedido que las industrias estadounidenses compitan con China, donde estas protecciones son mucho más laxas.
“Una separación más limpia y eficiente de estos elementos podría potencialmente abrir el suministro interno de elementos de tierras raras”, dijo Wilson. Esto sería una victoria para la seguridad nacional y la economía estadounidense a medida que estos metales exóticos se vuelven más importantes que nunca.
