Metalli rari: I metalli delle terre rare sono fondamentali per la società high-tech in cui viviamo come componente essenziale di telefoni cellulari, computer e molti altri dispositivi di uso quotidiano. Ma l’aumento della domanda e l’offerta globale limitata significano che dobbiamo trovare urgentemente un modo per recuperare questi metalli in modo efficiente dai prodotti scartati.
I metalli delle terre rare vengono attualmente estratti o recuperati tramite il tradizionale riciclaggio dei rifiuti elettronici. Ma ci sono degli svantaggi, tra cui costi elevati, danni ambientali, inquinamento e rischi per la sicurezza umana. È qui che entra in gioco la nostra continua ricerca .
L’Istituto per i Materiali di Frontiera in collaborazione con il centro di ricerca Tecnalia in Spagna ha sviluppato un modo per utilizzare sostanze chimiche rispettose dell’ambiente per recuperare i metalli delle terre rare. Si tratta di un processo chiamato “elettrodeposizione”, in cui una bassa corrente elettrica fa sì che i metalli si depositino su una superficie desiderata.
L’Istituto di cui si parlava sopra è un centro di ricerca multiculturale, che laurea più di 30 dottorandi all’anno e forma 80 post-doc in qualsiasi momento. I nostri ricercatori lavorano con l’industria per affrontare le sfide materiali nei settori energetico, minerario, ambientale, sanitario, dei trasporti, tessile e manifatturiero.
Questo è importante perché se implementiamo il nostro processo su larga scala, possiamo alleviare la pressione sull’offerta globale e ridurre la nostra dipendenza dall’estrazione mineraria.
Metalli delle terre rare è il nome collettivo di un gruppo di 17 elementi: 15 dalla “serie dei lantanidi” nella tavola periodica, insieme agli elementi scandio e ittrio. Questi elementi hanno proprietà catalitiche, metallurgiche, nucleari, elettriche, magnetiche e luminescenti uniche.
Il termine “raro” si riferisce alla loro distribuzione uniforme, ma scarsa, in tutto il mondo, notata dopo che furono scoperti per la prima volta alla fine del XVIII secolo.
Questi minerali sono componenti critici dei dispositivi elettronici e vitali per molte tecnologie verdi; sono in magneti per turbine eoliche e in batterie per veicoli ibridi-elettrici. In effetti, per far funzionare una sola turbina eolica sono necessari fino a 600 chilogrammi di metalli delle terre rare .
La domanda annuale di metalli delle terre rare è raddoppiata a 125.000 tonnellate in 15 anni e si prevede che la domanda raggiungerà 315.000 tonnellate nel 2030, guidata dalla crescente diffusione delle tecnologie verdi e dal progresso dell’elettronica. Questo sta creando un’enorme pressione sulla produzione globale.
Non possiamo semplicemente estrarre metalli più rari?
I metalli delle terre rare vengono attualmente estratti attraverso l’estrazione mineraria, che presenta una serie di svantaggi.
In primo luogo, è costoso e inefficiente perché l’estrazione anche di una quantità molto piccola di metalli delle terre rare richiede l’estrazione di grandi aree.
In secondo luogo, il processo può avere enormi impatti ambientali. L’estrazione di minerali delle terre rare genera grandi volumi di materiale tossico e radioattivo, a causa della coestrazione di torio e uranio, metalli radioattivi che possono causare problemi all’ambiente e alla salute umana.
In terzo luogo, la maggior parte delle attività estrattive per i metalli delle terre rare avviene in Cina, che produce oltre il 70% dell’offerta globale. Ciò solleva preoccupazioni sulla disponibilità a lungo termine, in particolare dopo che la Cina ha minacciato di limitare la sua fornitura nel 2019 durante la sua guerra commerciale con gli Stati Uniti.
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Il riciclaggio dei rifiuti elettronici non è la risposta completa
Attraverso il riciclaggio dei rifiuti elettronici, i metalli delle terre rare possono essere recuperati da prodotti elettronici come telefoni cellulari, laptop e batterie di veicoli elettrici, una volta raggiunta la fine della loro vita.
Ad esempio, il loro recupero dalle batterie dei veicoli elettrici comporta processi idrometallurgici tradizionali (trattamento con mezzi corrosivi) e pirometallurgici (trattamento termico). Ma questi hanno diversi inconvenienti.
La pirometallurgia è ad alta intensità energetica, coinvolge più fasi che richiedono temperature di lavoro elevate, intorno ai 1.000 ℃. Emette anche sostanze inquinanti come anidride carbonica, diossine e furani nell’atmosfera.
Nel frattempo, l’idrometallurgia genera grandi volumi di rifiuti corrosivi, come sostanze altamente alcaline o acide come l’idrossido di sodio o l’acido solforico.
Processi di recupero simili vengono applicati anche ad altre tecnologie di immagazzinamento dell’energia, come le batterie agli ioni di litio.
Metalli rari: perché la nostra ricerca è diversa
Alla luce di queste sfide, ci siamo proposti di trovare un metodo sostenibile per recuperare i metalli delle terre rare, utilizzando l’elettrodeposizione.
L’elettrodeposizione è già utilizzata per recuperare altri metalli. Nel nostro caso, abbiamo progettato una composizione ecologica basata su sistemi di liquidi ionici (a base di sale) .
Ci siamo concentrati sul recupero del neodimio, un importante metallo delle terre rare grazie alle sue eccezionali proprietà magnetiche e molto richiesto rispetto ad altri metalli delle terre rare. Viene utilizzato nei motori elettrici di automobili, telefoni cellulari, turbine eoliche, dischi rigidi e dispositivi audio.
I liquidi ionici sono altamente stabili, il che significa che è possibile recuperare il neodimio senza generare prodotti collaterali, che possono influire sulla purezza del neodimio.
La novità della nostra ricerca che utilizza liquidi ionici per l’elettrodeposizione è la presenza di acqua nella miscela, che migliora la quantità del neodimio metallico finale recuperato.
A differenza dei metodi riportati in precedenza, possiamo recuperare il neodimio metallico senza utilizzare atmosfera controllata e a una temperatura di lavoro inferiore a 100 ℃. Queste sono considerazioni chiave per l’industrializzazione di una tale tecnologia.
In questa fase abbiamo il proof of concept su scala di laboratorio utilizzando una soluzione di liquido ionico con acqua, recuperando in poche ore il neodimio nella sua forma metallica più costosa. Attualmente stiamo cercando di aumentare il processo.
Un primo passo importante sui metalli rari
Col tempo, il nostro metodo potrebbe evitare la necessità di estrarre metalli delle terre rare e ridurre al minimo la generazione di rifiuti tossici e nocivi. Promette inoltre di contribuire ad aumentare i ritorni economici dei rifiuti elettronici.
È importante sottolineare che questo metodo potrebbe essere adattato per recuperare metalli in altre applicazioni di fine vita, come le batterie agli ioni di litio, poiché un rapporto del 2019 prevedeva una crescita dell’11% all’anno della produzione in Europa.
La nostra ricerca è un importante primo passo verso la creazione di un percorso di lavorazione pulito e sostenibile per i metalli delle terre rare e per alleviare le pressioni su questi elementi critici.
