En muchas costas de todo el mundo, es común ver montones de conchas de ostras y mejillones desechados: los restos de una industria pesquera mundial que produce millones de toneladas de desechos cada año. Al mismo tiempo, escondido en depósitos rocosos lejos de la costa, abunda un tipo de recurso muy diferente: las tierras raras. Estos metales tienen una demanda cada vez mayor, ya que son esenciales para tecnologías como las turbinas eólicas, los vehículos eléctricos y la mayoría de la electrónica moderna.
La nueva investigación de mi equipo explora una conexión interesante entre estos desechos y los elementos de tierras raras que se necesitan de manera crítica. Descubrimos que las conchas marinas comunes, en particular las de ostras, pueden capturar y atrapar elementos de tierras raras del agua. Al hacerlo, las conchas marinas pasan de ser residuos a una herramienta potencial para limpiar la contaminación relacionada con la transición a la energía verde.
La gente en Japón suele describir las tierras raras como las “vitaminas de la industria moderna” porque, al igual que las vitaminas en el cuerpo, son esenciales para muchas tecnologías modernas, pero sólo se necesitan pequeñas cantidades. La extracción y procesamiento de minerales de tierras raras puede generar aguas residuales contaminadas, donde estos elementos pueden filtrarse al medio ambiente.
En nuestros laboratorios del Trinity College Dublin, hemos estado investigando si los desechos de conchas marinas podrían ayudar a abordar este problema. Recogimos conchas de ostras, mejillones y berberechos de las playas irlandesas, las limpiamos y las trituramos hasta convertirlas en granos pequeños. Luego, estos fragmentos se colocaron en agua que contenía elementos de tierras raras (específicamente lantano, neodimio y disprosio) en concentraciones similares a las que se encuentran en la contaminación industrial grave.
Lo que sucede a continuación no es inmediatamente visible a simple vista, pero bajo el microscopio es sorprendente y hermoso. En la superficie de cada grano de cáscara comienza una reacción química. El carbonato de calcio que forma la cáscara comienza a disolverse, mientras que en su lugar comienzan a cristalizar nuevos minerales que contienen elementos de tierras raras. Con el tiempo, se forma una fina capa, como una especie de “piel” mineral que recubre el grano.
Utilizando un microscopio de alta resolución, observamos este proceso en detalle. Los pequeños cristales aparecen primero como estructuras en forma de agujas, luego crecen y se fusionan en una corteza continua. En algunos casos, esta costra eventualmente bloquea una mayor reacción, cerrando efectivamente el proceso.
Pero no todas las conchas se comportan de la misma manera: resulta que las conchas de ostras tienen una estructura interna única. Están formados por capas finas y regiones calcáreas porosas que permiten que el agua y los elementos disueltos circulen más libremente. Esto significa que la reacción no se detiene en la superficie. En cambio, continúa hacia adentro, reemplazando gradualmente todo el caparazón.
En las condiciones adecuadas, 1 g de conchas de ostras puede capturar y encerrar hasta aproximadamente 1,5 g de elementos de tierras raras presentes en la solución. En lugar de simplemente adherirse a la superficie, estos elementos se convierten en parte de un mineral de carbonato nuevo y estable.
Del control de la contaminación a la recuperación de recursos
Muchos materiales utilizados en el tratamiento del agua dependen de la adsorción, el proceso mediante el cual los contaminantes se unen o “adsorben” a una superficie. Pero en este caso, es un proceso llamado transformación mineral completa que incorpora elementos de tierras raras en cristales sólidos. Esto hace que sea mucho menos probable que sean liberados nuevamente al medio ambiente.
Una vez capturados, estos elementos podrían seguir caminos diferentes. El material podría potencialmente procesarse más para recuperar los metales. Debido a que están concentrados en una fase sólida, en principio podrían utilizarse métodos de extracción química establecidos para reciclarlos. Potencialmente, esos depósitos de desechos podrían usarse no sólo para limpiar la contaminación, sino también para recuperar recursos valiosos que de otro modo se perderían.
No faltan conchas marinas. La naturaleza los hace gratis. La acuicultura mundial de moluscos produce grandes cantidades de desechos de moluscos cada año, muchos de los cuales terminan en vertederos o se almacenan cerca de las costas. Las conchas trituradas podrían usarse en sistemas de filtración, lechos de tratamiento o barreras permeables, donde el agua contaminada fluye a través de material reactivo. Estos enfoques ya se utilizan habitualmente en el tratamiento del agua, por ejemplo para la eliminación de metales pesados del agua de mar.
El desafío radica en mantener la eficiencia. Algunos tipos de caparazones desarrollan rápidamente revestimientos impermeables que limitan su eficacia. Nuestros resultados sugieren que las conchas de ostra, gracias a su estructura, son particularmente adecuadas para superar esta limitación.
Hacer que esta tecnología funcione a mayor escala dependerá menos de encontrar nuevos materiales y más de diseñar sistemas que permitan que la mayor cantidad de agua posible entre en contacto con las superficies activas, evitando al mismo tiempo que esas superficies se bloqueen o pierdan eficacia con el tiempo.
Este enfoque por sí solo no reducirá la necesidad de extraer elementos de tierras raras. La demanda mundial de estos materiales es enorme y está creciendo muy rápidamente. Sin embargo, esto no hace que esta solución sea insignificante. Puede ayudar a respaldar un enfoque menos derrochador y más “circular” para los materiales críticos al ofrecer una manera de capturar elementos de tierras raras de los flujos de desechos, reducir la contaminación ambiental y potencialmente recuperar parte de lo que actualmente se pierde durante el procesamiento.
Ampliar este enfoque desde el laboratorio a aplicaciones del mundo real requiere pruebas en condiciones más complejas, ya que las aguas residuales industriales contienen mezclas de metales, química variable y sistemas de flujo. Se necesitan estudios a escala piloto para evaluar el rendimiento, la durabilidad y la rapidez con la que los fragmentos de proyectiles desarrollan una capa mineral rica en tierras raras, como una armadura, que bloquea una mayor reacción con el agua.
Las preguntas prácticas también importan: ¿cuánto procesamiento (limpieza, trituración) es realmente necesario? ¿Se puede realizar de manera rentable a escala? Si el objetivo es la recuperación de tierras raras, se deben desarrollar métodos eficientes para extraerlas de los minerales recién formados. Abordar estos desafíos determinará si esto se convierte en una solución viable a gran escala.
Juan Diego Rodríguez-Blanco, Profesor Asociado Ussher en Nanomineralogía, Trinity College de Dublín
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