Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), do Departamento de Energia dos EUA, descobriram um “camaleão” químico que pode aprimorar o processo de purificação de metais de terras raras usados em energia limpa, medicina e segurança nacional.
Composto facilita acesso a metais chamados lantanídeos
O estudo, realizado em colaboração com a Universidade Vanderbilt, é o mais recente de uma série de esforços da Divisão de Ciências Químicas do ORNL para facilitar o acesso a metais chamados lantanídeos, amplamente utilizados em produtos e aplicações que vão desde a imagem biomédica até a produção industrial e eletrônica. Os lantanídeos, juntamente com dois outros elementos, são conhecidos coletivamente como metais de terras raras.
Apesar do nome, a maioria dos metais de terras raras não é tão rara. Os lantanídeos ocorrem naturalmente em depósitos de minério e, em muitos casos, são tão comuns quanto o cobre e o chumbo. No entanto, suas poderosas propriedades só são úteis quando um lantanídeo específico é separado da mistura de outros metais presentes quando são extraídos. Para ser aplicado de forma eficiente, o metal precisa ser altamente purificado. O que é raro, nesse caso, é a dificuldade de realizar essa purificação.
“É um grande desafio, porque os íons de lantanídeos são muito semelhantes em tamanho e propriedades químicas”, explicou Subhamay Pramanik, ex-pesquisador de pós-doutorado do ORNL e atualmente radioquímico do grupo de Química de Nanomateriais do ORNL. “Eles diferem apenas em pequenos detalhes, o que torna necessária uma separação muito precisa para isolar lantanídeos puros.”
Para isolar um metal específico de uma solução de minerais de terras raras, cientistas e a indústria utilizam ligantes, compostos químicos que se ligam seletivamente a um determinado metal na solução. Esses compostos são misturados em um solvente orgânico e, em seguida, combinados com uma solução aquosa da mistura de lantanídeos. Assim como o óleo, os solventes orgânicos não se misturam com a água, separando-se em camadas. Se o composto conseguir capturar o metal desejado, ele o puxa para a camada orgânica, permitindo que o metal seja posteriormente processado e purificado.
Nos sistemas de separação convencionais, um ligante geralmente tem preferência por lantanídeos mais leves ou mais pesados. No entanto, os pesquisadores descobriram um ligante que pode realizar diferentes separações, o que é uma característica inovadora e única. Eles também identificaram os mecanismos que permitem isso.
Os processos industriais de separação atuais ocorrem em etapas, com os lantanídeos sendo separados em uma ordem específica, dos mais pesados para os mais leves ou vice-versa. Esse processo é demorado, caro e gera uma quantidade significativa de resíduos, muitas vezes prejudiciais ao meio ambiente.
É aqui que entra o “camaleão”. Ao estudar um ligante já existente, semelhante aos compostos utilizados nesse processo, os cientistas descobriram algo único: um ligante que altera seu comportamento dependendo das condições experimentais. Assim como um camaleão muda de cor para se adaptar ao ambiente, esse composto muda seu comportamento conforme a concentração de ácido na solução e o tempo de interação. Por exemplo, em um ambiente mais ácido, o ligante tende a se ligar preferencialmente a um lantanídeo mais pesado.
“Nos sistemas de separação convencionais, um ligante geralmente tem preferência por lantanídeos mais leves ou mais pesados”, disse Santa Jansone-Popova, do ORNL, que co-liderou o estudo. “Descobrimos que o mesmo composto pode realizar várias separações diferentes, o que é emocionante e único. E identificamos os mecanismos pelos quais isso ocorre.”
A utilização do mesmo composto para separar diferentes lantanídeos pode reduzir o número de etapas necessárias no processo, que é comum e caro. Dependendo das condições, o ligante em estudo pode separar lantanídeos pesados, leves e de peso intermediário, em qualquer ordem.
Outros ligantes não exibem esse comportamento. No entanto, até agora, os cientistas também desconheciam que esse ligante possuía essa capacidade. O ligante camaleão se assemelha a outros compostos bem estabelecidos, mas seu comportamento é completamente diferente. Agora que essa capacidade foi descoberta, o ligante pode ser estudado em maior profundidade, e mais compostos com comportamentos semelhantes podem ser identificados.
“Apenas porque a estrutura de um ligante é semelhante à de outro, isso não significa que ele se comportará da mesma forma, e essa compreensão avança o conhecimento e empurra os limites do que sabemos”, afirmou Ilja Popovs, do ORNL, co-líder do estudo. “Isso tem o potencial de tornar os processos de separação mais rápidos, limpos e eficientes, reduzindo o número de etapas, proporcionando maior seletividade e pureza e levando a processos mais ecológicos.”
Este trabalho foi patrocinado pelos programas de Química de Materiais e Ciência da Separação do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE).
