Ímanes permanentes comuns concentram elementos de terras raras em ambientes subaquáticos

Os ímanes sólidos comuns, feitos de ligas à base de ferro, conseguem ajudar a concentrar elementos de terras raras em meios subaquáticos, onde estes podem acumular-se e chegar a cristalizar.

Este trabalho abre uma via inovadora e mais limpa para recuperar materiais essenciais às tecnologias actuais.

Metais em movimento

Numa célula líquida colocada junto a um íman, os iões de terras raras não se mantêm distribuídos de forma homogénea: começam a organizar-se em faixas de maior concentração.

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 ser o motor desta separação.

O fenómeno não se limitou a aproximar os iões do íman. Em vez disso, originou zonas bem definidas onde a concentração de metais se tornava muito superior à do líquido circundante.

Esse pré-triagem é determinante quando o problema é separar metais quase indistinguíveis entre si.

Terras raras alimentam a tecnologia moderna

Os elementos de terras raras são fundamentais para manter em funcionamento telemóveis, turbinas, baterias e equipamento de defesa, porque as suas propriedades invulgares permitem componentes compactos e de elevado desempenho.

“Há uma procura urgente por 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 com relações muito próximas - é difícil porque, em solução, se comportam quase como gémeos químicos.

Essa semelhança quase perfeita tem mantido material valioso preso em correntes de resíduos que continuam a resistir a uma recuperação simples e de baixo custo.

Metais escondidos em sobras industriais

Cinzas de carvão, rejeitos de mina e água produzida - águas residuais salinas provenientes de poços de petróleo e gás - podem conter vestígios de terras raras.

As unidades industriais actuais recorrem, em geral, a solventes líquidos ou a resinas especializadas, repetindo etapas químicas para conseguir separar metais semelhantes.

“Os métodos de separação tradicionais usam grandes quantidades de solventes orgânicos”, disse Ivani Jayalath, estudante de doutoramento na Universidade do Mississippi.

Cada etapa adicional aumenta os custos, consome energia e gera mais resíduos líquidos, antes mesmo de o metal chegar a uma fábrica.

Uma vantagem útil, embora subtil

A nova abordagem tira partido da suscetibilidade magnética, isto é, da medida de quão intensamente uma substância responde a um campo magnético.

Iões mais pesados, como o disprósio - um metal de terras raras utilizado em ímanes de alto desempenho - sentem uma atracção mais forte do que iões mais leves, como o lantânio, quando estão no mesmo líquido.

Quando o campo varia no espaço, pode empurrar um grupo na direcção do íman, enquanto outro fica para trás ou se afasta.

Essa pequena diferença magnética deu aos engenheiros uma nova “alavanca” de separação. Antes, depender apenas da química oferecia uma capacidade de separação muito limitada.

Ondas revelam movimento invisível

No PNNL, a equipa recorreu à interferometria de Mach-Zehnder, uma técnica laser usada para acompanhar alterações mínimas de densidade no líquido.

À medida que os iões se deslocavam, o instrumento registou zonas de enriquecimento perto do íman e zonas de empobrecimento, onde o líquido ficava mais pobre nesses iões.

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

Outros iões são afastados por um equilíbrio entre transporte magnético, difusão e forças eléctricas geradas no interior do líquido.

Os padrões em forma de onda mostraram que o íman não estava apenas a “reter” iões, mas a redistribuí-los continuamente ao longo do tempo.

O feedback molda o fluxo

A atracção magnética foi apenas parte do mecanismo, porque a reorganização dos iões também criou potenciais electroquímicos - diferenças locais semelhantes a uma tensão eléctrica dentro do líquido.

Quando a carga se tornava desigual, campos eléctricos auto-gerados contrariavam a difusão e ajudavam a organizar os iões em migração.

O modelo do artigo descreveu como um íman permanente fraco ainda assim consegue promover movimento a longa distância, sem necessidade de energia externa.

Esse feedback eléctrico transformou um íman simples numa ferramenta activa de separação, em vez de um objecto inerte ao lado do copo de laboratório.

Cristais assinalam a mudança

Quando foi adicionado um reagente comum chamado oxalato, os iões metálicos concentrados começaram a formar um composto sólido mesmo na superfície do íman, tornando-os mais fáceis de recolher.

A cristalização foi benéfica porque um sólido separa-se com muito mais facilidade do que o mesmo metal dissolvido num grande volume de líquido.

Perto do íman, as concentrações subiram para três a quatro vezes as da solução a granel, o suficiente para empurrar o sistema na direcção desse estado sólido.

O resultado indicou que os ímanes podem ajudar a transferir o metal de um estado dissolvido para uma forma sólida recolhível.

Menos energia, menos químicos

“Usar ímanes oferece uma forma simples e potencialmente mais sustentável de apoiar processos de separação”, disse Jayalath.

Como os ímanes permanentes não precisam de alimentação eléctrica contínua, o método aponta para um consumo energético operacional mais baixo do que sistemas accionados por tensão.

Estimativas tecnoeconómicas iniciais sugerem que isto resultaria em custos químicos inferiores, quando comparado com os métodos padrão actuais para terras raras que respondem a campos magnéticos.

Essas poupanças provisórias ajudam a explicar porque um resultado de laboratório já pode atrair interesse industrial significativo.

Escalar aponta para maior complexidade

Este foi um estudo inicial, e a equipa trabalhou com soluções simplificadas, em vez da química complexa encontrada em resíduos industriais.

Correntes reais de resíduos podem conter iões concorrentes, partículas em suspensão e acidez variável, factores que podem complicar o efeito magnético.

Sistemas de grande escala também exigirão desenho cuidadoso para que ímanes, percursos de escoamento e etapas de recolha de cristais continuem a funcionar em volumes industriais.

Esses limites definem a agenda futura de escalonamento, em vez de anularem o potencial de gradientes magnéticos passivos capazes de impulsionar um transporte útil.

Rumo a uma obtenção mais limpa

Um íman barato, com a geometria adequada, consegue deslocar metais escassos, reorganizar o líquido à sua volta e iniciar a sua conversão em sólidos recuperáveis.

Se os próximos testes conseguirem lidar com correntes reais de resíduos, a abordagem poderá reforçar cadeias de fornecimento internas, desperdiçando muito menos químicos.