Recupero di terre rare dai rifiuti elettronici grazie a nanotecnologie sostenibili

UNIVERSITY PARK, Pa. — I produttori si affidano a elementi delle terre rare, come il neodimio, per creare potenti magneti utilizzati nei motori per l'elettronica, tra cui auto ibride, generatori di aerei, altoparlanti, dischi rigidi e cuffie in-ear. Ma i depositi minerali contenenti neodimio sono difficili da raggiungere e si trovano solo in pochi luoghi sulla Terra.

Con la crescente necessità di neodimio da diverse industrie, l'attenzione si è rivolta al riciclaggio degli elementi trovati nei vecchi computer e circuiti stampati, altrimenti noti come rifiuti elettronici, per soddisfare la domanda. Ma separare gli elementi preziosi da altri minerali e componenti trovati nei rifiuti elettronici si rivela una sfida.

In un recente articolo sul Chemical Engineering Journal, Amir Sheikhi, assistente professore di ingegneria chimica e ingegneria biomedica, presso la Penn State, descrive in dettaglio una nuova nanotecnologia per separare il neodimio utilizzando la cellulosa vegetale, che si trova nella carta, nel cotone e nella polpa. Patrictia Wamea, un ex membro del laboratorio di Sheikhi che si è laureata a maggio con un master in scienze, è stata coautrice del documento e ha vinto il premio annuale Best Paper Award del Penn State Department of Chemical Engineering nell'autunno 2021 per i suoi contributi.

Nel processo, i nanocristalli di cellulosa pelosa, nanoparticelle derivate da fibrille di cellulosa, si legano selettivamente agli ioni di neodimio, separandoli da altri ioni, come ferro, calcio e sodio, secondo Sheikhi. Le nanoparticelle sono conosciute come "pelose" a causa delle catene di cellulosa attaccate alle loro due estremità, che svolgono funzioni chimiche critiche.

Per fare ciò, i ricercatori hanno caricato negativamente gli strati pelosi delle nanoparticelle per attrarre e legarsi con gli ioni di neodimio caricati positivamente, con conseguente aggregazione delle particelle in pezzi più grandi che possono quindi essere efficacemente riciclati e riutilizzati.

"Il processo è efficace nella sua capacità di rimozione, selettività e velocità", ha affermato Sheikhi. "Può separare il neodimio in pochi secondi rimuovendo selettivamente l'elemento da alcune delle impurità testate".

Secondo Sheikhi, gli attuali processi di riciclaggio degli elementi delle terre rare sono dannosi per l'ambiente. Spesso usano condizioni altamente acide per estrarre gli elementi nelle reazioni chimiche. Il processo di Sheikhi è ecologico grazie al suo uso di cellulosa, che è una risorsa rinnovabile poco costosa. Il tradizionale processo di estrazione è pericoloso e costoso, con impatti ambientali dannosi derivanti dall'estrazione a cielo aperto.

"L'utilizzo della cellulosa come agente principale è una soluzione sostenibile, economica e pulita", ha affermato Sheikhi. "Utilizzando questo processo, gli Stati Uniti saranno in grado di competere con altri giganti come la Cina per recuperare materiali di terre rare e produrli in modo indipendente".

La Cina è il principale esportatore di neodimio, secondo Sheikhi, esportando oltre il 70% della fornitura mondiale di materiale.

Oltre ai rifiuti elettronici, gli elementi delle terre rare come il neodimio possono essere estratti da acque reflue industriali, code minerarie e magneti permanenti che non sono più in uso. In futuro, Sheikhi ha affermato di sperare che il processo di adsorbimento a base di cellulosa possa essere applicato anche a tali fonti.

"Questo contributo al riciclaggio delle terre rare avrà un impatto strategico ed economicamente fattibile su diversi settori", ha affermato Sheikhi. “Più neodimio ricicliamo, più possiamo produrre veicoli elettrici e ibridi e turbine eoliche, con conseguente minore impatto sull'ambiente”.