Reversible Acidification Enables Closed-Loop Total Separation of Olivine
Questo studio presenta un processo di acidificazione reversibile a inversione di pressione utilizzando SO₂ per ottenere una separazione a ciclo chiuso e totale dell'olivina in ossidi di ferro e magnesio ad alta purezza, riciclando i reagenti e riducendo significativamente i costi energetici rispetto ai metodi esistenti.
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Immaginate che la Terra sia un enorme scrigno di tesori roccioso, ma invece dell'oro e dei gioielli, sia stipata di rocce che sembrano ghiaia inutile. Queste rocce, chiamate silicati, si trovano ovunque nei cumuli di scarti minerari e nei depositi naturali. Per molto tempo, gli scienziati hanno pensato a loro come a spazzatura. Ma dentro queste rocce si nascondono ingredienti preziosi: magnesio, ferro e silice. Se riuscissimo a estrarli, il magnesio potrebbe aiutare ad assorbire l'anidride carbonica dall'aria per combattere il cambiamento climatico, il ferro potrebbe essere trasformato in acciaio e la silice potrebbe servire per produrre cemento o chip per computer. Il problema è che estrarre questi ingredienti è solitamente un processo disordinato, costoso e sprecone. È come cercare di separare una ciotola di noci e uvetta mescolate facendole annegare in una vasca di acido e poi buttando via tutto il miscuglio, consumando una quantità enorme di prodotti chimici e creando una montagna di fango tossico. Gli scienziati hanno cercato un modo per farlo in modo pulito, come un trucco di magia dove gli ingredienti si separano da soli senza bisogno di una squadra di pulizia chimica.
Questo articolo presenta un nuovo ingegnoso trucco che utilizza un gas chiamato biossido di zolfo (SO2) e un interruttore di pressione. Pensate al processo di dissoluzione della roccia come a una bottiglia di soda. Se scuotete una bottiglia di soda e tenete il tappo stretto (alta pressione), il gas rimane disciolto nel liquido, rendendolo frizzante e acido. Se togliete il tappo (abbassando la pressione), il gas sfugge, il liquido diventa meno acido e le cose che erano disciolte potrebbero improvvisamente diventare solidi e cadere fuori dal liquido. I ricercatori hanno scoperto che potevano usare questo "cambio di pressione" con il gas SO2 per sciogliere le rocce e poi far cadere fuori dal liquido i diversi metalli uno alla volta, come smistare giocattoli per colore semplicemente cambiando l'illuminazione della stanza. Hanno dimostrato che, aumentando la pressione a 3,5 atmosfere, potevano sciogliere la roccia rapidamente. Poi, lasciando scendere lentamente la pressione, potevano prima far cadere il ferro come solido e poi far cadere il magnesio, lasciando dietro di sé silice pura. La cosa migliore è che potevano riscaldare i solidi per rilasciare il gas SO2, riciclandolo e usandolo ancora e ancora, creando un ciclo chiuso che non spreca prodotti chimici. Il costo energetico per gestire l'intero ciclo è di circa 430 kJ per mole di ossido di magnesio prodotto, che è molto inferiore ad altri metodi che utilizzano acidi forti.
I ricercatori hanno iniziato testando se questo gas potesse effettivamente "mangiare" la roccia. Hanno preso una roccia naturale di olivina, l'hanno frantumata in pezzi grandi quanto la sabbia e l'hanno messa in un serbatoio con acqua e gas SO2 a una pressione di 3,5 atmosfere e una temperatura di 80 °C. Hanno scoperto che la roccia si scioglieva rapidamente, trasformandosi in un liquido pieno di ioni di magnesio e ferro, lasciando dietro di sé una sostanza bianca e gelatinosa che si è rivelata essere silice pura e reattiva. Questa silice era così pura che poteva essere utilizzata per produrre cemento. Hanno anche notato che la roccia si scioglieva con lo stesso ritmo con questo gas SO2 rispetto all'acido nitrico forte, il che è un grande passo avanti, dato che il SO2 è un acido più debole.
Successivamente, si sono occupati della parte difficile: separare il ferro dal magnesio. Di solito, sarebbe necessario aggiungere diversi prodotti chimici per far precipitare un metallo nell'acqua mentre l'altro rimane disciolto. Invece, il team ha semplicemente giocato con la pressione. Hanno scoperto che, man mano che abbassavano la pressione del SO2, il pH dell'acqua cambiava, facendo sì che i metalli precipitassero (diventassero solidi) in momenti diversi. Quando hanno abbassato la pressione, il ferro è diventato solido per primo, lasciando il magnesio disciolto nell'acqua. Facendo questo in pochi passaggi, sono stati in grado di arricchire il solido di ferro fino al 94% di purezza e la soluzione di magnesio fino al 99,9% di purezza. Hanno persino mappato esattamente quanta pressione fosse necessaria per ottenere la separazione perfetta, creando una guida su come costruire una macchina che potesse fare questo in modo continuo, come una catena di montaggio in fabbrica dove la pressione cambia man mano che i materiali si muovono attraverso diverse fasi.
Infine, hanno dimostrato che questo processo è un vero ciclo. Hanno preso i solfiti di ferro e magnesio creati e li hanno riscaldati. Questo calore ha scomposto i solidi, trasformandoli nuovamente in ossidi metallici puri (che sono i prodotti preziosi) e rilasciando il gas SO2. Questo gas poteva quindi essere catturato e usato per sciogliere altre rocce, il che significa che non avevano bisogno di continuare a comprare nuovi prodotti chimici. Hanno calcolato che l'energia necessaria per gestire l'intero ciclo è di circa 430 kJ per mole di ossido di magnesio, che è significativamente inferiore ai 1.240 kJ per mole richiesti da altri metodi che utilizzano l'acido nitrico. Gli autori suggeriscono che questo approccio di "acidificazione reversibile" potrebbe essere una svolta per trasformare le rocce di scarto in risorse preziose senza il massiccio spreco di prodotti chimici e le enormi bollette energetiche che di solito accompagnano tali processi.
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