A pesar de su nombre, los elementos de tierras raras no son tan raros. Los 17 elementos metálicos son de naturaleza omnipresente y se están volviendo aún más comunes en la tecnología, como un componente crítico de los microchips y más.
La descripción de "raras" se refiere a lo difícil que es extraerlos en una forma utilizable. La técnica normal para extraerlos de minerales compuestos suele consumir mucha energía y produce importantes emisiones de carbono, y una gran parte de los elementos de tierras raras se pierden en los desechos de otros procesos industriales.
“Hoy, se estima que 200,000 toneladas de elementos de tierras raras están atrapadas en desechos de yeso fosforado sin procesar solo en Florida”, dijo Greenlee, explicando que el yeso fosforado se canaliza a zanjas y estanques para su almacenamiento indefinido. “Esta fuente de elementos de tierras raras está actualmente sin explotar debido a los desafíos asociados con las especies radiactivas y la dificultad de separar los elementos individuales. La visión de este proyecto es descubrir nuevos mecanismos de separación, materiales y procesos para recuperar recursos valiosos, incluidos elementos de tierras raras, fertilizantes y agua limpia, de los flujos de desechos de la industria de fertilizantes, allanando el camino para un suministro doméstico sostenible de elementos de tierras raras. y un sector agrícola sostenible ".
Greenlee también señaló que Estados Unidos depende en gran medida de fuentes internacionales para el suministro de elementos de tierras raras, y la pandemia de COVID-19 ha causado retrasos prolongados en las cadenas de suministro.
“Es un problema importante que se ve agravado por las complejidades económicas, ambientales y de seguridad de la obtención y el uso de elementos de tierras raras a nivel internacional”, dijo Greenlee.
El yeso fosforado se forma cuando la roca de fosfato se procesa en fertilizante y contiene pequeñas cantidades de elementos radiactivos naturales, como uranio y torio. Debido a esta radiactividad, el subproducto se almacena indefinidamente y un almacenamiento inadecuado puede contaminar el suelo, el agua y la atmósfera. Para recolectar los elementos de tierras raras atrapados en yeso fosforado, los investigadores proponen un proceso de varias etapas que utiliza péptidos diseñados capaces de identificar y separar con precisión los elementos de tierras raras a través de una membrana especializada.
“Los elementos individuales de tierras raras tienen tamaños similares y cargas formales idénticas, por lo que los mecanismos tradicionales de separación de membranas son insuficientes”, dijo Greenlee. "Un objetivo técnico clave de esta investigación es descubrir los mecanismos que sustentan la selectividad péptido-iónico y aprovechar esos mecanismos para diseñar una nueva clase de membranas altamente selectivas".
Las investigadoras de Case Western Reserve, Christine Duval, investigadora principal y profesora asistente de ingeniería química, y Julie Renner, co-investigadora principal y profesora asistente de ingeniería química y biomolecular, desarrollarán las moléculas para que se adhieran a elementos específicos de tierras raras.
Su diseño estará guiado por el trabajo de modelado computacional de Rachel Getman, investigadora principal y profesora asociada de ingeniería química y biomolecular en Clemson. Una vez que se desarrollen los péptidos, Greenlee investigará cómo funcionan en las soluciones de agua, mientras que Shi utilizará herramientas de análisis de sistemas, incluido el análisis tecnoeconómico y la evaluación del ciclo de vida, para evaluar los impactos ambientales y la viabilidad económica de la propuesta de recuperación de elementos de tierras raras. sistema bajo diversas condiciones de diseño y funcionamiento.
"¿Cuáles son las implicaciones generales de sostenibilidad de este proceso?" Preguntó Shi. “Queremos alejarnos de los impactos ambientales actuales para ser más sostenibles, y podemos hacerlo traduciendo la investigación fundamental y los resultados a escala de laboratorio en impactos ambientales y económicos a nivel de sistemas. Luego, podemos integrar los resultados de sustentabilidad en el diseño para guiar los objetivos de investigación futuros mientras avanzamos en la recuperación de elementos de tierras raras y el procesamiento de fosfoyeso ".
El proyecto propuesto también complementará otras investigaciones de Penn State, incluido el trabajo que utiliza moléculas de proteínas naturales para extraer elementos agrupados de tierras raras de otras fuentes de desechos industriales.
"Para nuestro proyecto, la hipótesis es que las moléculas de agua asociadas con los péptidos que se unen a los elementos de tierras raras se reorganizan, y podemos controlar con precisión esa reorganización para que sea más eficiente en función del elemento de tierras raras individual", dijo Greenlee, y señaló que su equipo Examinará las interacciones a nivel atómico utilizando espectroscopía de absorción de rayos X para validar cómo las moléculas intercambian átomos a medida que se unen. "Con el modelado y la experimentación, continuaremos iterando para asegurarnos de que entendemos cómo funcionan juntas las moléculas".
Para desarrollar un proceso más sostenible que pueda recuperar elementos de tierras raras del yeso fosforado, un subproducto de la producción de fertilizantes, los investigadores de Penn State recibieron una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias por cuatro años y US$ 571,658 como parte de una colaboración con Case Western Reserve University y Clemson University por un total de US$ 1,7 millones en financiación.
Cada universidad recibe fondos de forma independiente para perseguir un aspecto específico del proyecto, pero el proyecto está coordinado de manera centralizada por investigadores de Case Western Reserve. Lauren Greenlee, profesora asociada de ingeniería química, está liderando el esfuerzo de Penn State con el co-investigador principal Rui Shi, profesor asistente de ingeniería química.
