Ímanes comuns podem ajudar a recuperar elementos de terras raras em meios aquáticos

Ímanes sólidos comuns, fabricados com ligas à base de ferro, podem ajudar a concentrar elementos de terras raras em meios aquáticos, onde estes se podem acumular e formar cristais.

A investigação apresenta uma forma inovadora e mais limpa de recuperar materiais necessários às tecnologias modernas.

Metais em movimento

Numa célula com líquido colocada junto de um íman, os iões de terras raras juntam-se em faixas concentradas, em vez de permanecerem distribuídos uniformemente.

Ao observar a formação dessas faixas no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL), Giovanna Ricchiuti demonstrou que os gradientes magnéticos, por si só, podem estar na origem da separação.

O efeito foi além de uma simples deslocação dos iões para mais perto do íman: criou zonas distintas onde os metais ficaram muito mais concentrados do que no líquido circundante.

Esta primeira fase de triagem é essencial para enfrentar o desafio de separar metais quase idênticos.

Terras raras sustentam a tecnologia moderna

Os elementos de terras raras são essenciais ao funcionamento de telemóveis, turbinas, baterias e equipamento de defesa, pois as suas propriedades invulgares permitem fabricar componentes compactos e de elevado desempenho.

«Existe uma procura urgente de elementos de terras raras devido aos recentes avanços tecnológicos e às perturbações nas cadeias de abastecimento», afirmou Ricchiuti.

A separação de muitos lantanídeos, uma família de metais de terras raras estreitamente aparentados, é difícil porque, em solução, estes se comportam quase como gémeos químicos.

Essa semelhança faz com que materiais valiosos permaneçam presos em fluxos de resíduos, dos quais continuam a ser difíceis de recuperar de forma simples e económica.

Metais escondidos em resíduos industriais

As cinzas de carvão, os rejeitados de minas e a água produzida - águas residuais salgadas provenientes de poços de petróleo e gás - podem conter vestígios de terras raras.

As instalações atuais recorrem normalmente a solventes líquidos ou resinas especializadas e a etapas químicas repetidas para separar metais semelhantes.

«Os métodos tradicionais de separação usam grandes quantidades de solventes orgânicos», disse Ivani Jayalath, doutoranda na Universidade do Mississippi.

Cada etapa adicional aumentava os custos e o consumo de energia, além de produzir mais resíduos líquidos, antes mesmo de o metal chegar a uma fábrica.

Uma pequena diferença útil

A nova abordagem explorou a suscetibilidade magnética, uma medida da intensidade da resposta de uma substância a um campo magnético.

Na mesma solução, os iões pesados, como os do disprósio - um metal de terras raras usado em ímanes de elevado desempenho -, sofreram uma atração mais forte do que os iões mais leves, como os do lantânio.

Um campo cuja intensidade variava no espaço podia deslocar um grupo em direção ao íman, enquanto o outro ficava para trás ou se afastava.

Esse pequeno contraste magnético deu aos engenheiros uma nova forma de fazer a triagem. Antes, a utilização exclusiva da química oferecia uma capacidade de separação muito reduzida.

Ondas revelam movimentos ocultos

No PNNL, a equipa recorreu à interferometria de Mach-Zehnder, um método a laser que permite acompanhar pequenas alterações de densidade num líquido.

À medida que os iões se deslocavam, o instrumento registou zonas de enriquecimento junto do íman e zonas de depleção, onde o líquido perdia esses iões.

Ricchiuti explicou que o campo magnético provoca ondas móveis de concentração iónica, formando regiões onde os iões se agrupam.

Outros são afastados através de um equilíbrio entre o movimento magnético, a difusão e as forças elétricas geradas no interior do líquido.

Os padrões semelhantes a ondas mostraram que o íman não se limitava a manter os iões no mesmo lugar: redistribuía-os continuamente ao longo do tempo.

A retroação molda o fluxo

A atração magnética era apenas parte do fenómeno, pois a redistribuição dos iões também gerou potenciais eletroquímicos, diferenças locais semelhantes a tensões elétricas no interior do líquido.

Quando a carga se tornou desigual, campos elétricos gerados no próprio líquido contrariaram a difusão e ajudaram a organizar os iões em movimento.

O modelo apresentado no estudo explicou como um íman permanente fraco podia ainda assim criar movimento a longa distância, sem alimentação externa.

A retroação elétrica transformou um simples íman numa ferramenta ativa de separação, em vez de um objeto inerte junto ao copo de laboratório.

Cristais assinalam a mudança

Quando foi adicionado oxalato, uma substância química comum, os iões metálicos concentrados começaram a formar um composto sólido diretamente na superfície do íman, facilitando a sua recolha.

A cristalização foi útil porque um sólido é mais fácil de separar do que o mesmo metal dissolvido num grande volume de líquido.

Junto ao íman, as concentrações subiram para três a quatro vezes as da solução no seu conjunto, o suficiente para favorecer a passagem ao estado sólido.

O resultado mostrou que os ímanes podem ajudar a transformar o metal dissolvido numa forma sólida que pode ser recolhida.

Menos energia, menos produtos químicos

«A utilização de ímanes oferece uma forma simples e potencialmente mais sustentável de apoiar os processos de separação», afirmou Jayalath.

Como os ímanes permanentes não precisam de alimentação elétrica contínua, o método apontou para um menor consumo de energia em operação do que os sistemas acionados por tensão elétrica.

As primeiras estimativas técnico-económicas sugerem que tal poderá reduzir os custos com produtos químicos face aos métodos atualmente utilizados para terras raras que respondem ao magnetismo.

Estas poupanças provisórias ajudam a explicar por que motivo um resultado de laboratório já poderá despertar um interesse significativo na indústria.

Maior escala traz mais complexidade

Este foi um estudo inicial e a equipa utilizou soluções simplificadas, em vez da química mais complexa presente nos resíduos industriais.

Os fluxos de resíduos reais podem conter iões concorrentes, partículas em suspensão e níveis variáveis de acidez, fatores que poderão complicar o efeito magnético.

Os sistemas de grande dimensão também terão de ser cuidadosamente concebidos para que os ímanes, os percursos do fluxo e as etapas de recolha de cristais continuem a funcionar com volumes industriais.

Estas limitações definem as próximas prioridades para a expansão à escala industrial, sem pôr em causa a capacidade dos gradientes magnéticos passivos para provocar um transporte útil.

Rumo a uma obtenção mais limpa

Um íman barato, disposto segundo a geometria adequada, consegue mover metais escassos, alterar o líquido à sua volta e iniciar a sua conversão em sólidos recuperáveis.

Se os testes futuros conseguirem lidar com fluxos de resíduos reais, a abordagem poderá ajudar a criar cadeias de abastecimento nacionais, desperdiçando muito menos produtos químicos.