A estrutura da celulose modificada possibilita um avanço na extração de disprósio

Pesquisadores da Penn State desenvolveram um nanomaterial inovador à base de plantas que muda fundamentalmente a forma como os elementos de terras raras podem ser separados. O avanço centra-se numa estrutura de celulose especialmente projetada, capaz de isolar seletivamente o disprósio — um elemento de terras raras pesadas, essencial para semicondutores, motores elétricos e geradores avançados. Este progresso resolve um dos desafios mais persistentes na ciência dos materiais: a separação eficiente de metais de terras raras que possuem propriedades químicas quase idênticas.

Nanomaterial à Base de Plantas Destina-se a Elementos de Terras Raras Pesadas

A equipa de investigação modificou a celulose ao nível molecular, criando partículas cristalinas em escala nanométrica, com aproximadamente 100 nanómetros de comprimento. Ao contrário dos sistemas convencionais de separação industrial, que requerem grandes quantidades de solventes químicos e múltiplos ciclos repetidos para atingir níveis de pureza aceitáveis, esta estrutura de celulose funciona através de um mecanismo de adsorção seletiva. Quando a nanocelulose é introduzida em soluções aquosas contendo uma mistura de elementos de terras raras, como neodímio e disprósio, a celulose modificada demonstra uma preferência notável por capturar elementos de terras raras mais pesados — especialmente o disprósio — deixando os elementos mais leves para trás.

A tecnologia representa uma evolução do trabalho anterior da equipa com compostos à base de celulose para recuperar neodímio de resíduos eletrónicos. Ao refinar a estrutura de celulose ao nível molecular, os investigadores expandiram a sua abordagem para o desafio mais difícil de separar elementos de terras raras pesados dos mais leves.

Superando Técnicas Tradicionais de Separação de Terras Raras

A vantagem competitiva torna-se evidente ao comparar este método com os processos industriais tradicionais. As instalações comerciais de separação de terras raras geralmente requerem mais de 60 etapas sequenciais de extração para produzir uma pureza de grau magnético. Estas fábricas industriais consomem quantidades enormes de solventes químicos e geram resíduos ambientais consideráveis. Em contraste, a abordagem com estrutura de celulose consegue uma separação seletiva através de uma única etapa de tratamento à base de água.

“Separar elementos de terras raras entre si tem sido extremamente difícil devido às suas estruturas químicas quase idênticas”, explicou Amir Sheikhi, professor associado de engenharia química na Penn State. “Desenvolvemos um método fiável para isolar elementos pesados como o disprósio de elementos mais leves como o neodímio, eliminando as consequências ambientais negativas das abordagens atuais de separação.”

Escalabilidade da Tecnologia: Perspectivas Comerciais e Benefícios Ambientais

A perspetiva de procura reforça o potencial de mercado desta tecnologia. Previsões da indústria sugerem que a procura por disprósio poderá aumentar cerca de 2.500% nos próximos 25 anos, à medida que as tecnologias avançadas se proliferam. Atualmente, a China domina o processamento global de terras raras, especialmente para elementos de terras raras pesados, essenciais para ímanes de alta temperatura e aplicações de defesa — uma concentração que cria vulnerabilidades na cadeia de abastecimento para outros países e indústrias.

Se for bem-sucedida na escala, esta tecnologia baseada na estrutura de celulose poderá reduzir drasticamente o consumo de químicos nas operações de recuperação de terras raras e diminuir significativamente a pegada ambiental destes processos historicamente tóxicos. A abordagem simplificada requer uma infraestrutura mínima em comparação com as instalações tradicionais de separação, potencialmente permitindo uma capacidade de processamento regional e reduzindo a dependência global de centros de produção centralizados.

Futuras investigações irão focar na melhoria adicional da estrutura de celulose e na testagem da sua capacidade de isolar seletivamente outros elementos de terras raras além do disprósio, criando potencialmente uma plataforma universal para a separação de terras raras em toda a tabela periódica de materiais críticos.