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O mundo vai precisar de muitos metais estranhos nos próximos anos, de acordo com o professor de química Justin Wilson da UC Santa Barbara. Mas ele não está falando de lítio, cobalto ou mesmo berílio. Wilson está interessado em disprósio, que está tão escondido na tabela periódica que você seria perdoado por pensar que ele o inventou.
Elementos de terras raras (REEs) como o disprósio têm muitos usos de nicho na eletrônica moderna. Tanto que o Departamento de Energia dos EUA os classifica como “minerais críticos”. E embora não sejam tão raros quanto metais nobres como platina ou ouro, são difíceis de obter de depósitos naturais. Eles também compartilham propriedades químicas extremamente semelhantes, tornando-os diabolicamente difíceis de isolar um do outro.
Mas uma equipe liderada por Wilson e o pesquisador de pós-doutorado Yangyang Gao acaba de desenvolver uma técnica para purificar certos REEs em temperatura ambiente sem depender dos compostos tóxicos e cáusticos atualmente usados para a tarefa. Os resultados, publicados no periódico Angewandte Chemie, prometem uma maneira mais segura e eficaz de processar esses metais de operações de mineração e recuperá-los de resíduos eletrônicos.
Elementos úteis fora dos olhos do público
Elementos de terras raras incluem escândio, ítrio e os lantanídeos — a primeira das duas linhas que os editores excluem da tabela periódica para que caiba em uma única página. Os lantanídeos (e os actinídeos abaixo deles) na verdade se encaixam logo à direita da segunda coluna. Você pode estar familiarizado com o neodímio REE como o metal usado para fazer ímãs incrivelmente fortes. Wilson também está interessado em neodímio.
Esses elementos compartilham muitas propriedades químicas, o que os torna difíceis de separar uns dos outros. Todos eles formam íons com carga +3, e todos preferem se ligar a não metais na segunda linha da tabela periódica (como oxigênio e nitrogênio). Felizmente, eles diferem ligeiramente em seu raio iônico, ou tamanho. No entanto, seus tamanhos ainda são bastante semelhantes, com apenas uma mudança de 16% no raio ao longo da série.
Apesar de suas propriedades físicas e químicas semelhantes, os REEs têm suas características distintivas. Diferenças no número e arranjo de elétrons de valência conferem a cada um desses elementos propriedades magnéticas e ópticas distintas. Somente isolando-os em amostras puras podemos tirar vantagem dessas características únicas.
Afinando a técnica
O padrão atual da indústria para separar REEs uns dos outros é chamado de extração líquido-líquido, que combina um solvente orgânico (como querosene ou benzeno) e um solvente à base de água. “É como molho para salada neste ponto, onde você tem duas fases e elas não se misturam”, disse Wilson. Então, os químicos adicionam moléculas chamadas quelantes ao solvente orgânico que são projetadas para se ligar aos REEs.
A chave é que esses quelantes têm uma ligeira preferência por átomos menores, o que os permite separar um tipo de REE de outro com base no tamanho. Ainda assim, o processo é bastante ineficiente: apenas alguns por cento de enriquecimento para cada ciclo de extração. Obter uma amostra suficientemente pura de um elemento específico para uso industrial requer muitos ciclos de extração líquido-líquido, o que gera muito resíduo químico.
Wilson e seus coautores em Cornell e na University of Nevada, Reno, desenvolveram quelantes mais otimizados e um processo que não requer um solvente orgânico. Isso elimina substâncias que são frequentemente inflamáveis, cancerígenas e tóxicas.
Os autores testaram seu método em uma solução de disprósio (Dy) e neodímio (Nd). Eles usaram um quelante específico, chamado G-macropa, para se ligar aos átomos maiores de Nd, e então adicionaram bicarbonato de sódio (também conhecido como bicarbonato de sódio) para fazer com que o Dy menor precipitasse como um sal de carbonato. Isso pode ser simplesmente filtrado e processado para recuperar o metal puro. A diminuição da acidez da solução restante permitiu que eles separassem o Nd do quelante, que pode então ser reutilizado.
Um único ciclo desse novo processo pode concentrar disprósio por um fator de mais de 800, em comparação com menos de 10 para extração líquido-líquido.
“[I was very surprised] quando meu pós-doutorado, Yangyang, me mostrou os dados da análise elementar”, disse Wilson. Após repetir o teste para confirmar os resultados, a equipe percebeu o quão bem ajustado seu quelante era para esse processo de separação.
Ao colaborar com David Cantu, um professor da UN Reno, eles foram capazes de entender e comparar a eficácia do G-macropa com outros quelantes em um nível molecular. Esses estudos teóricos ajudarão os cientistas a projetar análogos de segunda geração.
Grandes aplicações e pequenos ajustes
Essa eficiência é importante para dimensionar o processo porque o quelante G-macropa é mais complexo e, portanto, mais caro do que os de uso padrão. A equipe também está explorando quelantes que podem ser menos caros de produzir.
Wilson e seus coautores se concentraram em separar Nd de Dy porque os dois elementos são abundantes em lixo eletrônico, particularmente aqueles ímãs de neodímio. De fato, eles realizaram seus experimentos em lixo eletrônico para enfatizar seu potencial para tornar a reciclagem uma fonte economicamente viável de REEs.
Eles estão trabalhando para adaptar essa técnica a outros conjuntos de elementos de terras raras, bem como garantir que ela funcione com altas concentrações de REEs, mais semelhantes às fontes industriais.
Avanços na separação de elementos de terras raras podem impactar massivamente a cadeia de suprimentos desses metais. Os Estados Unidos têm grandes depósitos de REEs, mas importantes regulamentações ambientais e de saúde impediram que as indústrias americanas competissem com a China, onde essas salvaguardas são muito mais frouxas.
“Uma separação mais limpa e eficiente desses elementos poderia potencialmente abrir suprimentos domésticos de elementos de terras raras”, disse Wilson. Isso seria um ganho para a segurança nacional e para a economia americana, já que esses metais estranhos se tornam cada vez mais importantes.
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