Reversible Acidification Enables Closed-Loop Total Separation of Olivine
Este estudio presenta un proceso de acidificación reversible mediante oscilación de presión utilizando SO₂ para lograr una separación total en ciclo cerrado de la olivina en óxidos de hierro y magnesio de alta pureza, reciclando los reactivos y reduciendo significativamente los costos energéticos en comparación con los métodos existentes.
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Imagina que la Tierra es un gigantesco cofre del tesoro rocoso, pero en lugar de oro y joyas, está relleno de rocas que parecen grava inútil. Estas rocas, llamadas silicatos, están por todas partes en los montones de desechos mineros y depósitos naturales. Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que eran basura. Pero dentro de estas rocas hay ingredientes ocultos: magnesio, hierro y sílice. Si pudiéramos desbloquearlos, el magnesio podría ayudar a absorber el dióxido de carbono del aire para luchar contra el cambio climático, el hierro podría convertirse en acero y la sílice podría fabricar cemento o chips de computadora. El problema es que extraer estos ingredientes suele ser un proceso sucio, costoso y de desperdicio. Es como intentar separar un tazón de nueces y pasas mezcladas ahogándolas en un tanque de ácido y luego vertiendo todo el desastre, consumiendo una tonelada de productos químicos y creando una montaña de lodo tóxico. Los científicos han estado buscando una manera de hacer esto de forma limpia, como un truco de magia donde los ingredientes se separan por sí solos sin necesidad de un equipo de limpieza química.
Este artículo presenta un nuevo y astuto truco utilizando un gas llamado dióxido de azufre (SO2) y un interruptor de presión. Piensa en el proceso de disolución de la roca como una botella de soda. Si agitas una botella de soda y mantienes la tapa apretada (alta presión), el gas permanece disuelto en el líquido, haciéndolo efervescente y ácido. Si destapas la tapa (bajas la presión), el gas escapa, el líquido se vuelve menos ácido y las cosas que estaban disueltas pueden de repente convertirse en sólidos y caer del líquido. Los investigadores descubrieron que podían usar este "cambio de presión" con el gas SO2 para disolver las rocas y luego hacer que los diferentes metales caigan del líquido uno por uno, como clasificar juguetes por color simplemente cambiando la iluminación de la habitación. Demostraron que, al aumentar la presión a 3.5 atmósferas, podían disolver la roca rápidamente. Luego, al reducir lentamente la presión, primero podían hacer que el hierro cayera como un sólido y luego hacer que el magnesio cayera, dejando atrás sílice pura. Lo mejor de todo es que podían calentar los sólidos para liberar el gas SO2 nuevamente, reciclarlo y usarlo una y otra vez, creando un ciclo cerrado que no desperdicia productos químicos. El costo energético para ejecutar todo este ciclo es de aproximadamente 430 kJ por mol de óxido de magnesio producido, lo cual es mucho menor que otros métodos que utilizan ácidos fuertes como el ácido nítrico.
Los investigadores comenzaron probando si este gas realmente podía comerse la roca. Tomaron roca de olivina natural, la trituraron en trozos del tamaño de arena y la colocaron en un tanque con agua y gas SO2 a una presión de 3.5 atmósferas y una temperatura de 80 °C. Descubrieron que la roca se disolvía rápidamente, convirtiéndose en un líquido lleno de iones de magnesio y hierro, mientras dejaba atrás una sustancia blanca y gelatinosa que resultó ser sílice pura y reactiva. Esta sílice era tan pura que podía usarse para fabricar cemento. También notaron que la roca se disolvía tan rápido con este gas SO2 como lo hacía con el fuerte ácido nítrico, lo cual es algo importante porque el SO2 es un ácido más débil.
A continuación, abordaron la parte difícil: separar el hierro del magnesio. Normalmente, necesitarías añadir diferentes productos químicos para hacer que un metal caiga al agua mientras el otro permanece en ella. En su lugar, el equipo simplemente jugó con la presión. Descubrieron que, a medida que bajaban la presión del SO2, el pH del agua cambiaba, causando que los metales precipitaran (se convirtieran en sólidos) en diferentes momentos. Al bajar la presión, el hierro se convirtió en un sólido primero, dejando el magnesio disuelto en el agua. Al hacer esto en unos pocos pasos, pudieron enriquecer el hierro sólido al 94% de pureza y la solución de magnesio al 99.9% de pureza. Incluso mapearon exactamente cuánta presión se necesitaba para obtener la separación perfecta, creando una guía de cómo construir una máquina que pudiera hacer esto de forma continua, como una línea de ensamblaje de fábrica donde la presión cambia a medida que los materiales se mueven a través de diferentes etapas.
Finalmente, demostraron que este proceso es un verdadero ciclo. Tomaron los sulfitos de hierro y magnesio sólidos que crearon y los calentaron. Este calor rompió los sólidos, convirtiéndolos de nuevo en óxidos metálicos puros (que son los productos valiosos) y liberando el gas SO2. Este gas podía entonces capturarse y utilizarse para disolver más rocas, lo que significa que no necesitaban seguir comprando nuevos productos químicos. Calcularon que la energía necesaria para ejecutar todo este ciclo es de unos 430 kJ por mol de óxido de magnesio, lo cual es significativamente menor que los 1,240 kJ por mol requeridos por otros métodos que utilizan ácido nítrico. Los autores sugieren que este enfoque de "acidificación reversible" podría cambiar las reglas del juego para convertir rocas de desecho en recursos valiosos sin el enorme desperdicio químico y las facturas de energía que suelen acompañarlo.
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