Mentre i chimici si affannano per trovare modi per recuperarli dai rifiuti industriali e dall’elettronica scartata, un team ha trovato una soluzione che suona un po’ come magica.

 

Gli elementi delle terre rare (REE) presentano un paradosso ambientale. Da un lato, questa dozzina di metalli, come l’ittrio e il neodimio, sono componenti vitali delle turbine eoliche e dei pannelli solari, e fonti più economiche di REE potrebbero dare a quelle tecnologie verdi un enorme impulso.

Dall’altro, le REE minerarie causano miliardi di dollari di danni ambientali ogni anno. Poiché gli elementi si trovano in basse concentrazioni, le compagnie minerarie devono sbriciolare tonnellate e tonnellate di minerale, spogliando e sventrando interi paesaggi.

Inoltre, le REE sono spesso mescolate con elementi radioattivi e la loro estrazione crea scorie nucleari a basso livello. La vecchia elettronica e altri rifiuti industriali, al contrario, sono ricchi di REE. Ma i metodi di riciclaggio esistenti sono inefficienti e costosi e richiedono sostanze chimiche corrosive come l’acido cloridrico concentrato. Per ogni problema ambientale che le REE potrebbero risolvere, apparentemente ne introducono altri due.

Il nuovo processo potrebbe aiutare a rompere quell’ingorgo. A spiegarlo su Science Advances è lo studio dei ricercatori guidati dal chimico organico James Tour della Rice University. E il team riferisce di utilizzare impulsi di calore elettrico per rendere più facile estrarre REE dai rifiuti industriali.

La tecnica è circa due volte più efficiente dei metodi attuali e utilizza sostanze chimiche molto più benigne. “È un approccio molto interessante – commenta Amir Sheikhi, ingegnere chimico presso la Pennsylvania State University che studia l’estrazione di REE -. Con un trattamento piuttosto breve e ad alta temperatura … questi elementi delle terre rare sono liberati”.

Il team di Tour ha testato il processo sulla “cenere volante”, un sottoprodotto grigio polveroso della combustione del carbone che contiene livelli concentrati delle REE originariamente presenti nel carbone. I ricercatori hanno mescolato la cenere con il nerofumo per migliorare la conduttività elettrica; quindi, hanno posizionato la miscela in tubi di quarzo trasparente larghi da 1 a 2 centimetri e lunghi da 5 a 8 centimetri.

I condensatori alle estremità dei tubi inviavano un impulso di corrente attraverso la miscela, facendo lampeggiare il tubo giallo-bianco e producendo un piccolo sbuffo di fumo. La temperatura delle polveri miscelate è salita a 3.000 gradi °C in un secondo, per poi raffreddarsi rapidamente.

Il picco di calore forma microscopici pezzi di vetro all’interno del carbone bruciato come combustibile. I microscopici pezzi di vetro intrappolano i REE, rendendoli difficili da estrarre. Ma le esplosioni di calore elettrico frantumano il vetro, liberando le terre rare. Il riscaldamento flash induce anche cambiamenti chimici: i fosfati delle REE si trasformano in ossidi di REE, che sono più solubili e facilmente estraibili.

Come risultato di questi cambiamenti, il gruppo di Tour può utilizzare soluzioni meno corrosive per estrarre i REE. Per esempio, con concentrazioni di acido cloridrico 120 volte inferiori rispetto a quelle degli attuali metodi di estrazione, riuscendo peraltro a estrarre il doppio di REE.

Oltre alle ceneri volanti, il team di Tour ha estratto REE dal cosiddetto fango rosso, uno scarto della produzione di alluminio, e dall’elettronica. In quest’ultimo caso, il team ha sventrato un vecchio laptop e ha macinato il suo circuito stampato in polvere per la sperimentazione del metodo di estrazione.

L’interesse è molto alto: immaginate l’impatto economico e ambientale che deriverebbe da un recupero delle REE dai rifiuti, piuttosto che estrarle distruggendo paesaggi. La Cina ha a lungo dominato il mercato internazionale delle REE e il Giappone, l’Unione Europea e gli Stati Uniti si sono lamentati con l’Organizzazione Mondiale del Commercio che la Cina usa il suo quasi monopolio per ridurre le esportazioni e far salire i prezzi.

Da allora il Giappone ha esplorato misure come il dragaggio del fango ricco di REE dal fondo dell’oceano profondo, metodo che però non è esattamente ecologico. Affidarsi a un fornitore straniero per le REE mette i Paesi “in uno svantaggio economico se non in uno svantaggio naturale per la sicurezza”, afferma Steven Winston, ingegnere chimico indipendente ed ex vicepresidente dell’Idaho National Laboratory che ha studiato i rifiuti minerari. Il riscaldamento flash dei rifiuti potrebbe aprire una fornitura alternativa, utilizzabile da tutti i Paesi rendendoli indipendenti da un fornitore unico.

Ma gli ostacoli rimangono. Dopo che le REE sono state estratte, devono essere separate in singoli elementi per diverse applicazioni. Questa “è ancora una grande sfida”, afferma Heileen Hsu-Kim, ingegnere ambientale della Duke University che studia l’estrazione di REE. Le aziende di solito usano solventi organici, come il cherosene, che a loro volta causano problemi ambientali o sono difficili da riciclare.

Per affrontare tali preoccupazioni, il team di Sheikhi ha modellato la cellulosa biodegradabile in filamenti tipo “capelli” con gruppi funzionali che si legano selettivamente e catturano il neodimio, un componente vitale nei magneti nelle turbine eoliche.

Inoltre, il processo di Tour dovrebbe essere notevolmente ridimensionato per fare la differenza. Sheikhi sottolinea che “in genere, i processi ad alta temperatura sono costosi”. Ma il team di Tour sostiene che, poiché il riscaldamento flash è veloce, i costi sono bassi, solo 12 dollari per tonnellata di ceneri volanti.

Per quanto riguarda il ridimensionamento, il team ha precedentemente sviluppato un processo di riscaldamento flash per trasformare vecchi pneumatici e materie plastiche in grafene, e una società spin-off ha già reso più economico e sostenibile tale processo utilizzando riscaldatori flash più grandi.

Se il metodo di Tour funziona, c’è un’enorme miniera di rifiuti industriali da riciclare. Ogni anno, l’umanità produce 40 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici, 150 milioni di tonnellate di fango rosso e 750 milioni di tonnellate di ceneri volanti di carbone, in gran parte ammucchiate in tumuli giganti.

Considerando che la combustione del carbone ha contribuito a creare il nostro attuale caos ambientale, sarebbe opportuno che la scintilla per le tecnologie verdi potesse essere estratta dai suoi rifiuti.

 

 

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