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Oct 23, 2023

Cómo la ciencia podría facilitar el reciclaje de elementos de tierras raras

Reciclaje de elementos de tierras raras de productos de alta tecnología existentes, como discos duros

El reciclaje de elementos de tierras raras de productos de alta tecnología existentes, como unidades de disco duro, podría ayudar a satisfacer la demanda de estos metales valiosos.

JORG GREUEL/PHOTODISC/GETTY IMAGES PLUS

Por Erin Wayman

20 enero 2023 a las 8:00 am

Nuestras vidas modernas dependen de elementos de tierras raras, y es posible que algún día pronto no tengamos suficiente para satisfacer la creciente demanda.

Debido a sus propiedades especiales, estos 17 elementos metálicos son ingredientes cruciales en pantallas de computadora, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos, lámparas fluorescentes compactas, máquinas de imágenes médicas, láseres, fibra óptica, pigmentos, polvos para pulir, catalizadores industriales y la lista sigue y sigue. (SN en línea: 16/01/23). En particular, las tierras raras son una parte esencial de los imanes de alta potencia y las baterías recargables en los vehículos eléctricos y las tecnologías de energía renovable necesarias para llevar al mundo a un futuro con bajas o cero emisiones de carbono.

En 2021, el mundo extrajo 280 000 toneladas métricas de tierras raras, aproximadamente 32 veces más de lo que se extraía a mediados de la década de 1950. Y la demanda solo va a aumentar. Para 2040, estiman los expertos, necesitaremos hasta siete veces más tierras raras que las que necesitamos hoy.

Satisfacer ese apetito no será fácil. Los elementos de tierras raras no se encuentran en depósitos concentrados. Los mineros deben excavar grandes cantidades de mineral, someterlo a procesos físicos y químicos para concentrar las tierras raras y luego separarlas. La transformación consume mucha energía y es sucia, requiere productos químicos tóxicos y, a menudo, genera una pequeña cantidad de desechos radiactivos que deben eliminarse de manera segura. Otra preocupación es el acceso: China tiene casi un monopolio tanto en la extracción como en el procesamiento; Estados Unidos tiene solo una mina activa (SN Online: 1/1/23).

Para la mayoría de los trabajos que realizan las tierras raras, no existen buenos sustitutos. Entonces, para ayudar a satisfacer la demanda futura y diversificar quién controla el suministro, y tal vez incluso hacer que la recuperación de tierras raras sea "más ecológica", los investigadores están buscando alternativas a la minería convencional.

Las propuestas incluyen todo, desde extraer los metales de los desechos del carbón hasta ideas realmente extravagantes como extraer la luna. Pero el enfoque con más probabilidades de hacer mella de inmediato es el reciclaje. "El reciclaje va a jugar un papel muy importante y central", dice Ikenna Nlebedim, científica de materiales en el Laboratorio Nacional Ames en Iowa y el Instituto de Materiales Críticos del Departamento de Energía. "Eso no quiere decir que vamos a reciclar para salir del desafío de los materiales críticos".

Aún así, en el mercado de imanes de tierras raras, por ejemplo, dentro de unos 10 años, el reciclaje podría satisfacer hasta una cuarta parte de la demanda de tierras raras, según algunas estimaciones. "Eso es enorme", dice.

Pero antes de que las tierras raras de un portátil viejo puedan reciclarse con la misma regularidad que el aluminio de una lata de refresco vacía, hay que superar obstáculos tecnológicos, económicos y logísticos.

El reciclaje parece una forma obvia de obtener más tierras raras. Es una práctica estándar en los Estados Unidos y Europa reciclar del 15 al 70 por ciento de otros metales, como hierro, cobre, aluminio, níquel y estaño. Sin embargo, hoy en día, solo alrededor del 1 por ciento de los elementos de tierras raras en productos viejos se reciclan, dice Simon Jowitt, geólogo económico de la Universidad de Nevada, Las Vegas.

"El cableado de cobre se puede reciclar en más cableado de cobre. El acero se puede reciclar en más acero", dice. Pero muchos productos de tierras raras son "inherentemente poco reciclables".

El esquema proporcionaría valiosos metales de tierras raras y ayudaría a limpiar el sucio legado de la minería del carbón.

Las tierras raras a menudo se mezclan con otros metales en pantallas táctiles y productos similares, lo que dificulta su eliminación. De alguna manera, reciclar tierras raras de artículos desechados se asemeja al desafío de extraerlos del mineral y separarlos entre sí. Los métodos tradicionales de reciclaje de tierras raras también requieren productos químicos peligrosos como el ácido clorhídrico y mucho calor y, por lo tanto, mucha energía. Además de la huella ambiental, el costo de la recuperación puede no valer la pena dado el pequeño rendimiento de las tierras raras. Una unidad de disco duro, por ejemplo, puede contener solo unos pocos gramos; algunos productos ofrecen solo miligramos.

Sin embargo, los químicos y los científicos de materiales están tratando de desarrollar enfoques de reciclaje más inteligentes. Sus técnicas ponen a trabajar a los microbios, eliminan los ácidos de los métodos tradicionales o intentan eludir la extracción y la separación.

Un enfoque se apoya en socios microscópicos. La bacteria Gluconobacter produce naturalmente ácidos orgánicos que pueden extraer tierras raras, como el lantano y el cerio, de los catalizadores usados ​​en la refinación del petróleo o de los fósforos fluorescentes que se usan en la iluminación. Los ácidos bacterianos son menos dañinos para el medio ambiente que el ácido clorhídrico u otros ácidos tradicionales de lixiviación de metales, dice Yoshiko Fujita, biogeoquímico del Laboratorio Nacional de Idaho en Idaho Falls. Fujita lidera la investigación sobre reutilización y reciclaje en el Critical Materials Institute. "También pueden degradarse de forma natural", dice ella.

En los experimentos, los ácidos bacterianos pueden recuperar solo entre una cuarta parte y la mitad de las tierras raras de los catalizadores y fósforos gastados. El ácido clorhídrico puede hacerlo mucho mejor, en algunos casos extrayendo hasta el 99 por ciento. Pero la lixiviación de base biológica aún podría ser rentable, informaron Fujita y sus colegas en 2019 en ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

En una planta hipotética que recicla 19.000 toneladas métricas de catalizador usado al año, el equipo estimó ingresos anuales de aproximadamente $1,75 millones. Pero alimentar a las bacterias que producen el ácido en el sitio es un gran gasto. En un escenario en el que las bacterias se alimentan de azúcar refinada, los costes totales de producción de las tierras raras son de aproximadamente 1,6 millones de dólares al año, lo que deja unas ganancias de unos 150.000 dólares. Sin embargo, cambiar de azúcar a tallos de maíz, cáscaras y otros restos de la cosecha reduciría los costos en alrededor de $500,000, elevando las ganancias a alrededor de $650,000.

Otros microbios también pueden ayudar a extraer tierras raras y llevarlas aún más lejos. Hace algunos años, los investigadores descubrieron que algunas bacterias que metabolizan las tierras raras producen una proteína que se adhiere preferentemente a estos metales. Esta proteína, lanmodulina, puede separar las tierras raras entre sí, como el neodimio del disprosio, dos componentes de los imanes de tierras raras. Un sistema basado en lanmodulina podría eliminar la necesidad de muchos solventes químicos que se usan típicamente en dicha separación. Y los desechos que quedan, la proteína, serían biodegradables. Pero se desconoce si el sistema funcionará a escala comercial.

Otro enfoque que ya se está comercializando omite los ácidos y utiliza sales de cobre para extraer las tierras raras de los imanes desechados, un objetivo valioso. Los imanes de neodimio-hierro-boro son aproximadamente un 30 por ciento de tierras raras en peso y la aplicación individual más grande de los metales en el mundo. Una proyección sugiere que la recuperación del neodimio en los imanes de las unidades de disco duro de EE. UU. podría cubrir alrededor del 5 por ciento de la demanda mundial fuera de China antes de que finalice la década.

Nlebedim dirigió un equipo que desarrolló una técnica que utiliza sales de cobre para filtrar tierras raras de desechos electrónicos triturados que contienen imanes. Sumergir los desechos electrónicos en una solución de sal de cobre a temperatura ambiente disuelve las tierras raras en los imanes. Se pueden extraer otros metales para su propio reciclaje, y el cobre se puede reutilizar para hacer más solución salina. A continuación, las tierras raras se solidifican y, con la ayuda de productos químicos adicionales y calentamiento, se transforman en minerales en polvo llamados óxidos de tierras raras. El proceso, que también se ha utilizado en material sobrante de la fabricación de imanes que normalmente se desperdicia, puede recuperar entre el 90 y el 98 por ciento de las tierras raras, y el material es lo suficientemente puro como para fabricar nuevos imanes, ha demostrado el equipo de Nlebedim.

En el mejor de los casos, usar este método para reciclar 100 toneladas de material magnético sobrante podría producir 32 toneladas de óxidos de tierras raras y generar más de $ 1 millón en ganancias, según sugiere un análisis económico del método.

Ese estudio también evaluó los impactos ambientales del enfoque. En comparación con la producción de un kilogramo de óxido de tierras raras a través de uno de los principales tipos de extracción y procesamiento que se utilizan actualmente en China, el método de la sal de cobre tiene menos de la mitad de la huella de carbono. Produce un promedio de aproximadamente 50 kilogramos de dióxido de carbono equivalente por kilogramo de óxido de tierras raras frente a 110, informó el equipo de Nlebedim en 2021 en ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Las tierras raras hacen posibles los teléfonos inteligentes y otras tecnologías, pero plantean grandes desafíos. Lea más de esta serie:

Pero no es necesariamente más verde que todas las formas de minería. Un punto conflictivo es que el proceso requiere hidróxido de amonio tóxico y tostado, lo que consume mucha energía y aún libera algo de dióxido de carbono. El grupo de Nlebedim ahora está ajustando la técnica. “Queremos descarbonizar el proceso y hacerlo más seguro”, dice.

Mientras tanto, la tecnología parece lo suficientemente prometedora como para que TdVib, una empresa de Iowa que diseña y fabrica materiales y productos magnéticos, la haya licenciado y construido una planta piloto. El objetivo inicial es producir dos toneladas de óxidos de tierras raras por mes, dice Daniel Bina, presidente y director ejecutivo de TdVib. La planta reciclará las tierras raras de los discos duros antiguos de los centros de datos.

Noveon Magnetics, una empresa de San Marcos, Texas, ya fabrica imanes reciclados de neodimio, hierro y boro. En la fabricación típica de imanes, las tierras raras se extraen, se transforman en aleaciones metálicas, se muelen hasta obtener un polvo fino, se magnetizan y se les da forma de imán. Noveon elimina esos dos primeros pasos, dice el CEO de la compañía, Scott Dunn.

Después de desmagnetizar y limpiar los imanes desechados, Noveon los muele directamente hasta convertirlos en polvo antes de reconstruirlos como nuevos imanes. A diferencia de otros métodos de reciclaje, no es necesario extraer y separar primero las tierras raras. El producto final puede ser un imán reciclado en más del 99 por ciento, dice Dunn, con una pequeña adición de elementos vírgenes de tierras raras, la "salsa secreta", como él dice, que permite a la empresa ajustar los atributos de los imanes.

En comparación con la extracción y fabricación de imanes tradicionales, el método de Noveon reduce el uso de energía en aproximadamente un 90 por ciento, informaron Miha Zakotnik, director de tecnología de Noveon, y otros investigadores en 2016 en Environmental Technology & Innovation. Otro análisis de 2016 estimó que por cada kilogramo de imán producido mediante el método de Noveon, se emiten alrededor de 12 kilogramos de dióxido de carbono equivalente. Eso es aproximadamente la mitad de los gases de efecto invernadero que los imanes convencionales.

Dunn se negó a compartir qué volumen de imanes produce actualmente Noveon o cuánto cuestan sus imanes. Pero los imanes se están utilizando en algunas aplicaciones industriales, para bombas, ventiladores y compresores, así como en algunas herramientas eléctricas de consumo y otros dispositivos electrónicos.

Incluso cuando los investigadores superan los obstáculos tecnológicos, todavía existen barreras logísticas para el reciclaje. "No tenemos los sistemas para recolectar productos al final de su vida útil que contienen tierras raras", dice Fujita, "y existe el costo de desmantelar esos productos". Para una gran cantidad de desechos electrónicos, antes de que pueda comenzar el reciclaje de tierras raras, debe llegar a los fragmentos que contienen esos metales preciosos.

Noveon tiene un proceso semiautomático para quitar imanes de unidades de disco duro y otros dispositivos electrónicos.

Apple también está tratando de automatizar el proceso de reciclaje. El robot Daisy de la compañía puede desmantelar iPhones. Y en 2022, Apple anunció un par de robots llamados Taz y Dave que facilitan el reciclaje de tierras raras. Taz puede reunir módulos que contienen imanes que normalmente se pierden durante la trituración de productos electrónicos. Dave puede recuperar imanes de motores táctiles, la tecnología de Apple para proporcionar a los usuarios una respuesta táctil cuando, por ejemplo, tocan la pantalla de un iPhone.

Incluso con ayudas robóticas, sería mucho más fácil si las empresas diseñaran productos de una manera que facilitara el reciclaje, dice Fujita.

No importa cuán bueno sea el reciclaje, Jowitt no ve forma de evitar la necesidad de aumentar la minería para alimentar a nuestra sociedad hambrienta de tierras raras. Pero está de acuerdo en que el reciclaje es necesario. "Estamos lidiando con recursos intrínsecamente finitos", dice. "Es mejor que intentemos extraer lo que podamos en lugar de tirarlo al vertedero".

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Y. Fujita, SK McCall y D. Ginosar. Reciclaje de tierras raras: Perspectivas y avances recientes. Boletín SRA. vol. 47, marzo de 2022, pág. 283. doi: 10.1557/s43577-022-00301-w.

SM Jowitt. Economía mineral de los elementos de tierras raras. Boletín SRA. vol. 47, marzo de 2022, pág. 276. doi: 10.1557/s43577-022-00289-3.

NAChowdhury et al. Reciclaje sostenible de elementos de tierras raras a partir de virutas magnéticas de NdFeB: perspectivas tecnoeconómicas y ambientales. ACS Química e Ingeniería Sostenible. Publicado en línea el 17 de noviembre de 2021. doi.org: 10.1021/acssuschemeng.1c05965.

H. Jin et al. Biolixiviación de elementos de tierras raras a partir de materiales de desecho industriales utilizando desechos agrícolas. ACS Química e Ingeniería Sostenible. Publicado en línea el 20 de agosto de 2019. doi: 10.1021/acssuschemeng.9b02584.

H. Jin et al. Evaluación comparativa del ciclo de vida de los imanes de NdFeB: producción virgen versus reciclaje de imán a imán. Procedimiento CIRP. Publicado en línea el 27 de julio de 2016. doi: 10.1016/j.procir.2016.03.013.

M. Zakotnik et al. Análisis del uso de energía en el reciclaje de imanes de Nd-Fe-B. Tecnología e Innovación Ambiental. vol. 5, abril de 2016, pág. 117. doi: 10.1016/j.eti.2016.01.002.

Erin Wayman es la editora gerente de contenido impreso y de formato largo en Science News. Tiene una maestría en antropología biológica de la Universidad de California, Davis y una maestría en escritura científica de la Universidad Johns Hopkins.

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