- El equipo de investigación desarrolló un material esponjoso para capturar elementos de tierras raras en aguas residuales industriales.
- Se utiliza la tecnología de marcos organometálicos para mejorar la recuperación selectiva de metales de tierras raras.
- El material puede capturar eficazmente elementos de tierras raras incluso a altas concentraciones, con pérdidas mínimas.
- Se requiere más investigación en el futuro para mejorar la selectividad y durabilidad del material.
Investigadores estadounidenses han desarrollado un material en forma de esponja para capturar elementos de tierras raras de aguas residuales industriales. El equipo de la universidad suiza no solo ve las aguas residuales como un material que necesita tratamiento, sino como un reservorio de valiosos materiales de tierras raras que se pueden reciclar. Esta innovación podría abrir la posibilidad de recuperar minerales clave con suministro limitado en diferentes regiones. El profesor Karl F. Hasselman de la Universidad Suiza de Ingeniería Civil y Ambiental, y autor de correspondencia de este estudio, afirmó: "Podemos comenzar a ver las aguas residuales industriales como un recurso que contiene materiales valiosos recuperables, en lugar de simplemente algo que necesita ser tratado."
Tecnología de marcos organometálicos
El concepto de química de coordinación metálica suena simple, pero en realidad no es fácil. Además de los elementos de tierras raras, las aguas residuales industriales contienen otros metales, como hierro, sodio y aluminio, en concentraciones mucho más altas. Estas altas concentraciones dificultan la separación de elementos traza, lo que a menudo interfiere con la recuperación selectiva de metales raros. Para superar este desafío, los investigadores se basaron en los principios de la química de coordinación para construir una membrana extremadamente porosa. Este método utiliza marcos organometálicos (MOFs), un material que se forma al conectar átomos metálicos con moléculas orgánicas, creando un material esponjoso de alta porosidad.
Los científicos luego realizaron una modificación química en las paredes de los pequeños poros para mejorar el rendimiento.
En los experimentos, el MOF estable en agua fue modificado con un ligando orgánico, el ácido fosfórico de metilo y diacetato (PMIDA). Dentro de los pequeños poros del MOF, el PMIDA actúa como un gancho químico, uniéndose fuertemente a los iones de tierras raras cargados positivamente. El equipo de investigación utilizó este material superporoso para probar la capacidad de captura de tres metales raros: neodimio, molibdeno y torio. A la máxima concentración de ligando, el PMIDA puede capturar hasta 160 mg de neodimio, 175 mg de molibdeno y 195 mg de torio por gramo de material. Estas capacidades de recuperación son al menos el doble de las cantidades reportadas previamente utilizando métodos similares.
Aumentar la cantidad de ligando PMIDA mejoró el rendimiento general del material, mejorando aún más su rendimiento al cambiar los sitios de unión disponibles.
Los resultados de simulación mostraron que la adición de ligandos adicionales permite que los grupos de unión se agrupen alrededor de un solo ion de tierras raras dentro del poro. Esta disposición forma compuestos más fuertes y estables, mejorando la capacidad y la estabilidad estructural. El profesor Liu comentó: "Es particularmente interesante que no solo podemos ver si el material captura elementos de tierras raras, sino que también podemos entender por qué sucede esto. Al combinar experimentos con simulaciones moleculares, podemos observar el interior del poro y entender cómo cambiar la cantidad de ligandos afecta la forma en que se unen estos iones."
Capacidad de captura selectiva del material
Otro hallazgo importante es que el material puede capturar metales de tierras raras de manera selectiva y eficiente en presencia de materiales no deseados (como el hierro). El informe de investigación señala que incluso cuando la concentración de hierro es 100 veces mayor que la de los elementos de tierras raras, la cantidad de absorción de tierras raras solo disminuye aproximadamente un 0.3%. En una prueba, la absorción de tierras raras fue solo un 0.3% menor que cuando no había hierro presente. Además de la técnica de captura, los investigadores también examinaron la liberación de elementos traza. Un tratamiento ligero con ácido clorhídrico diluido permite extraer fácilmente los elementos traza, lo que facilita la reutilización de materiales valiosos.
Esto es solo el comienzo, y se necesita más investigación para mejorar la selectividad, durabilidad y capacidad de regeneración del material durante el proceso de extracción. Sin embargo, el equipo sigue siendo optimista acerca de los MOFs, ya que estos materiales podrían ofrecer una alternativa más sostenible a los métodos de extracción de solventes líquido-líquido para recuperar elementos de tierras raras. Este estudio ha sido publicado en ACS Applied Materials & Interfaces.
Potencial del material esponjoso en el reciclaje ambiental
Este estudio muestra la aplicación innovadora de materiales en forma de esponja en el tratamiento de aguas residuales industriales, especialmente en la recuperación de elementos de tierras raras. A medida que la demanda global de elementos de tierras raras aumenta, los métodos de extracción tradicionales enfrentan desafíos relacionados con el impacto ambiental y el desperdicio de recursos. Este nuevo material no solo puede capturar eficazmente elementos de tierras raras, sino que también mantiene su eficiencia en presencia de otros metales, mostrando su potencial en aplicaciones prácticas. La investigación futura seguirá mejorando su rendimiento para abordar la creciente demanda de reciclaje de recursos.