Extração de elementos de terras raras reforçada por nova investigação
Uma abordagem mais eficiente e amiga do ambiente para a extração de elementos de terras raras que alimentam tudo, desde baterias de veículos eléctricos a smartphones, poderá aumentar a oferta interna e diminuir a dependência de importações dispendiosas.
Renderização de canais artificiais.
The University of Texas at Austin
Este novo método, desenvolvido por investigadores da Universidade do Texas, em Austin, permite separar e extrair estes elementos, que são muito procurados, onde atualmente não é possível, abrindo novos caminhos para a recolha de elementos de terras raras no meio de tensões comerciais globais.
"Os elementos de terras raras são a espinha dorsal das tecnologias avançadas, mas a sua extração e purificação consomem muita energia e são extremamente difíceis de implementar às escalas necessárias", afirmou Manish Kumar, professor do Departamento de Engenharia Civil, Arquitetónica e Ambiental Fariborz Maseeh da Cockrell School of Engineering e do Departamento de Engenharia Química McKetta. "O nosso trabalho visa mudar isso, inspirado no mundo natural".
A investigação foi recentemente publicada na revista ACS Nano. Os investigadores desenvolveram canais de membrana artificiais - poros minúsculos incorporados nas membranas - que imitam os mecanismos de transporte seletivo das proteínas de transporte existentes nos sistemas biológicos. Estes canais são as vias utilizadas por diferentes iões para viajar entre as células.
Cada canal é diferente, deixando passar apenas iões com determinadas caraterísticas e mantendo outros de fora. Esta seletividade é fundamental para muitos processos biológicos, incluindo a forma como o nosso cérebro pensa.
Os canais artificiais dos investigadores utilizam uma versão modificada de uma estrutura denominada pilareno para melhorar a sua capacidade de ligar e bloquear iões comuns específicos enquanto transportam iões de terras raras específicos. O resultado é um sistema que pode transportar seletivamente elementos de terras raras médias, como európio (Eu³⁺) e térbio (Tb³⁺), enquanto exclui outros íons como potássio, sódio e cálcio.
"A natureza aperfeiçoou a arte do transporte seletivo através das membranas biológicas", disse Venkat Ganesan, professor do Departamento de Engenharia Química da McKetta e um dos líderes da investigação. "Estes canais artificiais são como pequenos porteiros, permitindo apenas a passagem dos iões desejados."
Os elementos de terras raras estão divididos em várias classes (leves, médios e pesados), cada uma com propriedades diferentes que os tornam ideais para aplicações específicas. Os elementos médios são utilizados em iluminação e ecrãs, incluindo televisores, e como ímanes em tecnologias de energia verde, como turbinas eólicas e baterias de veículos eléctricos.
O Departamento de Energia dos Estados Unidos e a Comissão Europeia identificaram vários elementos intermédios, incluindo o európio e o térbio, como materiais críticos em risco de rutura de fornecimento. Prevê-se que a procura destes elementos cresça mais de 2600% até 2035, pelo que é mais urgente do que nunca encontrar formas sustentáveis de os extrair e reciclar.
Em experiências, os canais artificiais mostraram uma preferência de 40 vezes pelo európio em relação ao lantânio (um elemento leve de terras raras) e de 30 vezes pelo európio em relação ao itérbio (um elemento pesado de terras raras). Estes níveis de seletividade são significativamente mais elevados do que os alcançados pelos métodos tradicionais baseados em solventes, que requerem dezenas de fases para obter resultados semelhantes.
Utilizando simulações informáticas avançadas, descobriram que a seletividade dos canais é determinada por interações únicas mediadas pela água entre os iões de terras raras e o canal. Estas interações permitem que os canais diferenciem os iões com base na sua dinâmica de hidratação - a forma como as moléculas de água rodeiam e interagem com os iões.
Kumar e a sua equipa trabalham nesta investigação há mais de cinco anos. Kumar é um perito em separações baseadas em membranas, aplicando esse conhecimento também à produção de água limpa.
Os investigadores prevêem que a sua tecnologia seja integrada em sistemas de membranas escaláveis para uso industrial. O objetivo é facilitar a realização de separações de iões nos EUA, utilizando energia limpa.
Estão a trabalhar numa plataforma para estes canais que permite aos utilizadores selecionar uma variedade de iões a recolher. Isto poderá incluir outros minerais críticos como o lítio, o cobalto, o gálio e o níquel.
"Este é um primeiro passo para traduzir as sofisticadas estratégias de reconhecimento e transporte molecular da natureza em processos industriais robustos, levando assim uma elevada seletividade a locais onde os métodos actuais são insuficientes", afirmou Harekrushna Behera, um investigador associado do laboratório de Kumar que trabalhou no projeto.
A equipa inclui investigadores do Departamento de Engenharia Civil, Arquitetónica e Ambiental Fariborz Maseeh, do Departamento de Engenharia Química McKetta e do Departamento de Química da Faculdade de Ciências Naturais. São eles: Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji Oh, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica, Tzu-Yun Hsieh.
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