L'estrazione degli elementi delle terre rare è sostenuta da una nuova ricerca
Un approccio più efficiente e rispettoso dell'ambiente per estrarre gli elementi delle terre rare che alimentano qualsiasi cosa, dalle batterie dei veicoli elettrici agli smartphone, potrebbe aumentare l'offerta nazionale e ridurre la dipendenza dalle costose importazioni.
Rendering di canali artificiali.
The University of Texas at Austin
Questo nuovo metodo, sviluppato dai ricercatori dell'Università del Texas di Austin, consente di separare ed estrarre questi elementi molto richiesti dove oggi non è possibile, aprendo nuove strade per la raccolta di terre rare in mezzo alle tensioni commerciali globali.
"Gli elementi delle terre rare sono la spina dorsale delle tecnologie avanzate, ma la loro estrazione e purificazione richiedono molta energia e sono estremamente difficili da implementare alle scale richieste", ha dichiarato Manish Kumar, professore del Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettonica e Ambientale Fariborz Maseeh della Cockrell School of Engineering e del Dipartimento di Ingegneria Chimica McKetta. "Il nostro lavoro mira a cambiare questa situazione, ispirandosi al mondo naturale".
La ricerca è stata recentemente pubblicata su ACS Nano. I ricercatori hanno sviluppato canali di membrana artificiali - minuscoli pori incorporati nelle membrane - che imitano i meccanismi di trasporto selettivo delle proteine di trasporto presenti nei sistemi biologici. Questi canali sono le strade utilizzate da diversi ioni per viaggiare tra le cellule.
Ogni canale è diverso dall'altro e lascia passare solo gli ioni con determinate caratteristiche, tenendone fuori altri. Questa selettività è fondamentale per molti processi biologici, compreso il modo in cui il nostro cervello pensa.
I canali artificiali dei ricercatori utilizzano una versione modificata di una struttura chiamata pillararene per migliorare la loro capacità di legare e bloccare specifici ioni comuni e di trasportare specifici ioni di terre rare. Il risultato è un sistema in grado di trasportare selettivamente elementi medi delle terre rare, come l'europio (Eu³⁺) e il terbio (Tb³⁺), mentre esclude altri ioni come il potassio, il sodio e il calcio.
"La natura ha perfezionato l'arte del trasporto selettivo attraverso le membrane biologiche", ha dichiarato Venkat Ganesan, professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica McKetta e uno dei responsabili della ricerca, "Questi canali artificiali sono come piccoli guardiani, che lasciano passare solo gli ioni desiderati".
Gli elementi delle terre rare sono suddivisi in diverse classi (leggeri, medi e pesanti), ciascuna con proprietà diverse che li rendono ideali per applicazioni specifiche. Gli elementi medi sono utilizzati nell'illuminazione e nei display, compresi i televisori, e come magneti nelle tecnologie energetiche verdi, come le turbine eoliche e le batterie dei veicoli elettrici.
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la Commissione Europea hanno identificato diversi elementi intermedi, tra cui l'europio e il terbio, come materiali critici a rischio di interruzione dell'approvvigionamento. Poiché si prevede che la domanda di questi elementi crescerà di oltre il 2.600% entro il 2035, trovare modi sostenibili per estrarli e riciclarli è più urgente che mai.
Negli esperimenti, i canali artificiali hanno mostrato una preferenza di 40 volte per l'europio rispetto al lantanio (un elemento leggero delle terre rare) e di 30 volte per l'europio rispetto all'itterbio (un elemento pesante delle terre rare). Questi livelli di selettività sono significativamente più alti di quelli ottenuti con i metodi tradizionali basati sui solventi, che richiedono decine di fasi per ottenere risultati simili.
Utilizzando simulazioni al computer avanzate, hanno scoperto che la selettività dei canali è guidata da interazioni uniche mediate dall'acqua tra gli ioni delle terre rare e il canale, che permettono ai canali di differenziare gli ioni in base alla loro dinamica di idratazione, ovvero in base a come le molecole d'acqua circondano e interagiscono con gli ioni.
Kumar e il suo team lavorano a questa ricerca da oltre cinque anni. Kumar è un esperto di separazioni a membrana e ha applicato queste conoscenze anche alla produzione di acqua pulita.
I ricercatori prevedono di integrare la loro tecnologia in sistemi di membrane scalabili per uso industriale, con l'obiettivo di facilitare la separazione degli ioni negli Stati Uniti, utilizzando energia pulita.
Stanno lavorando a una piattaforma per questi canali che permetta agli utenti di selezionare una varietà di ioni da raccogliere. Ciò potrebbe includere altri minerali critici come litio, cobalto, gallio e nichel.
"Questo è un primo passo verso la traduzione delle sofisticate strategie di riconoscimento e trasporto molecolare della natura in robusti processi industriali, portando così un'alta selettività in ambienti in cui i metodi attuali sono insufficienti", ha dichiarato Harekrushna Behera, ricercatore associato nel laboratorio di Kumar che ha lavorato al progetto.
Il team comprende ricercatori del Dipartimento di Ingegneria civile, architettonica e ambientale Fariborz Maseeh, del Dipartimento di Ingegneria chimica McKetta e del Dipartimento di Chimica del College of Natural Sciences. Sono: Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji Oh, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica, Tzu-Yun Hsieh.
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