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Jun 07, 2024

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

El reciclaje de tierras raras procedentes de productos de alta tecnología existentes, como unidades de disco duro, podría ayudar a satisfacer la demanda de estos valiosos metales. JORG GREUEL/PHOTODISC/GETTY IMAGES PLUS Por Erin Wayman Enero

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

JORG GREUEL/FOTODISCO/GETTY IMAGES PLUS

Por Erin Wayman

20 de enero de 2023 a las 8:00 am

Nuestras vidas modernas dependen de elementos de tierras raras y algún día, pronto, es posible que no tengamos suficientes 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 de pulido, catalizadores industriales... 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 de los vehículos eléctricos y las tecnologías de energía renovable necesarias para llevar al mundo a un futuro con bajas o nulas 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 no hará más que aumentar. Para 2040, estiman los expertos, necesitaremos hasta siete veces más tierras raras que hoy.

Satisfacer ese apetito no será fácil. Los elementos de tierras raras no se encuentran en depósitos concentrados. Los mineros deben excavar enormes cantidades de mineral, someterlo a procesos físicos y químicos para concentrar las tierras raras y luego separarlas. La transformación requiere 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 minería 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 la oferta (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 de todo, desde extraer metales de los desechos del carbón hasta ideas realmente extravagantes como explotar la luna. Pero el enfoque que con mayor probabilidad tendrá un efecto inmediato es el reciclaje. "El reciclaje va a desempeñar un papel muy importante y central", dice Ikenna Nlebedim, científica de materiales del Laboratorio Nacional Ames en Iowa y del Instituto de Materiales Críticos del Departamento de Energía. "Eso no quiere decir que vayamos 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 una vieja computadora portátil puedan reciclarse con tanta regularidad como el aluminio de una lata de refresco vacía, existen obstáculos tecnológicos, económicos y logísticos que superar.

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

“El cableado de cobre se puede reciclar para obtener más cableado de cobre. El acero se puede reciclar para obtener más acero”, afirma. Pero muchos productos de tierras raras son "intrínsecamente poco reciclables".

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

Las tierras raras suelen mezclarse con otros metales en las pantallas táctiles y productos similares, lo que dificulta su eliminación. En cierto modo, reciclar tierras raras a partir de artículos desechados se asemeja al desafío de extraerlas del mineral y separarlas entre sí. Los métodos tradicionales de reciclaje de tierras raras también requieren productos químicos peligrosos como el ácido clorhídrico y mucho calor y, por tanto, mucha energía. Además de la huella ambiental, el costo de recuperación puede no valer la pena dada la pequeña producción de tierras raras. Una unidad de disco duro, por ejemplo, puede contener sólo unos pocos gramos; algunos productos ofrecen solo miligramos.

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

Un enfoque se basa en socios microscópicos. Las bacterias Gluconobacter producen de forma natural ácidos orgánicos que pueden extraer tierras raras, como el lantano y el cerio, de los catalizadores usados ​​en el refinado de petróleo o de los fósforos fluorescentes utilizados 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 dirige la investigación sobre reutilización y reciclaje en el Critical Materials Institute. "También pueden degradarse de forma natural", afirma.

En experimentos, los ácidos bacterianos pueden recuperar sólo entre un cuarto y la mitad de las tierras raras de los catalizadores y fósforos gastados. El ácido clorhídrico puede funcionar mucho mejor: en algunos casos extrae 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 los ingresos anuales en aproximadamente 1,75 millones de dólares. Pero alimentar a las bacterias que producen el ácido in situ es un gran gasto. En un escenario en el que las bacterias se alimentan de azúcar refinada, los costos totales de producción de tierras raras son de aproximadamente 1,6 millones de dólares al año, lo que deja alrededor de sólo 150.000 dólares en ganancias. Sin embargo, cambiar del azúcar a tallos, cáscaras y otros restos de la cosecha de maíz reduciría los costos en unos 500.000 dólares, elevando las ganancias a unos 650.000 dólares.

Otros microbios también pueden ayudar a extraer tierras raras y llevarlas aún más lejos. Hace unos años, los investigadores descubrieron que algunas bacterias que metabolizan las tierras raras producen una proteína que se agarra preferentemente a estos metales. Esta proteína, lanmodulina, puede separar 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 disolventes químicos que normalmente se utilizan en dicha separación. Y los desechos que queden (la proteína) serían biodegradables. Pero se desconoce si el sistema tendrá éxito a escala comercial.

Otro enfoque que ya se está comercializando evita 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 contienen aproximadamente un 30 por ciento de tierras raras en peso y constituyen la mayor aplicación de estos metales en el mundo. Una proyección sugiere que la recuperación del neodimio en los imanes de los discos duros estadounidenses podría satisfacer por sí solo alrededor del 5 por ciento de la demanda mundial fuera de China antes de finales de la década.

Nlebedim dirigió un equipo que desarrolló una técnica que utiliza sales de cobre para lixiviar tierras raras a partir de desechos electrónicos triturados que contienen imanes. Al sumergir los desechos electrónicos en una solución de sal de cobre a temperatura ambiente se disuelven las tierras raras de los imanes. Se pueden extraer otros metales para su propio reciclaje y el cobre se puede reutilizar para producir 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 con 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, según ha demostrado el equipo de Nlebedim.

En el mejor de los casos, utilizar 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 de dólares en ganancias, 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 mediante uno de los principales tipos de minería y procesamiento utilizados actualmente en China, el método de la sal de cobre tiene menos de la mitad de la huella de carbono. Produce un promedio de alrededor de 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 ecológico 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 aun así libera algo de dióxido de carbono. El grupo de Nlebedim ahora está modificando la técnica. “Queremos descarbonizar el proceso y hacerlo más seguro”, afirma.

Mientras tanto, la tecnología parece lo suficientemente prometedora como para que TdVib, una empresa de Iowa que diseña y fabrica materiales y productos magnéticos, le haya otorgado la licencia y haya construido una planta piloto. El objetivo inicial es producir dos toneladas de óxidos de tierras raras al mes, afirma Daniel Bina, presidente y director general de TdVib. La planta reciclará tierras raras de viejos discos duros de 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 completa esos dos primeros pasos, dice el director ejecutivo de la empresa, 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 las tierras raras primero. El producto final puede ser más del 99 por ciento de un imán reciclado, 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 minería y fabricación de imanes tradicionales, el método de Noveon reduce el uso de energía en aproximadamente un 90 por ciento, informaron Miha Zakotnik, directora 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 productos 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". En el caso de una gran cantidad de desechos electrónicos, antes de que pueda comenzar el reciclaje de tierras raras, es necesario llegar a los fragmentos que contienen esos metales preciosos.

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

Apple también está intentando automatizar el proceso de reciclaje. El robot Daisy de la empresa 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 recolectar módulos que contienen imanes que normalmente se pierden durante la destrucción de dispositivos electrónicos. Dave puede recuperar imanes de motores táctiles, la tecnología de Apple para proporcionar a los usuarios retroalimentación táctil cuando, por ejemplo, tocan la pantalla de un iPhone.

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

No importa qué tan bueno sea el reciclaje, Jowitt no ve la necesidad de incrementar la minería para alimentar a nuestra sociedad hambrienta de tierras raras. Pero está de acuerdo en que el reciclaje es necesario. "Estamos tratando con recursos intrínsecamente finitos", afirma. "Será mejor que intentemos extraer lo que podamos en lugar de simplemente tirarlo al vertedero".

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Y. Fujita, SK McCall y D. Ginosar. Reciclaje de tierras raras: perspectivas y avances recientes. Boletín MRS. 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 MRS. vol. 47, marzo de 2022, pág. 276. doi: 10.1557/s43577-022-00289-3.

NA Chowdhury et al. Reciclaje sostenible de elementos de tierras raras a partir de virutas de imanes 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 y col. 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 y col. 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 y otros. 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 en jefe de contenido impreso y extenso en Science News. Tiene una maestría en antropología biológica de la Universidad de California, Davis y una maestría en redacción científica de la Universidad Johns Hopkins.

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