Así es cómo consiguen extraer minerales sin excavar

La escasez de agua se agrava cada vez más a nivel mundial debido al crecimiento demográfico y al cambio climático, que incrementan la demanda de agua dulce. Por ello, la desalinización del agua de mar está atrayendo cada vez más atención, especialmente en regiones áridas. Sin embargo, las plantas desalinizadoras también generan grandes volúmenes de salmuera altamente concentrada. A nivel mundial, se producen aproximadamente 50 billones de litros de salmuera al año, una cantidad que supera la del agua dulce producida por la desalinización.

Esta salmuera suele diluirse y verterse de nuevo al mar, a pesar de contener elementos útiles como sodio y magnesio en concentraciones superiores a las del agua de mar. El magnesio, en particular, se utiliza en una amplia gama de industrias, como la automotriz, la aeroespacial, la de baterías, la cementera y la de materiales refractarios. Los métodos convencionales de recuperación de magnesio pueden requerir grandes cantidades de productos químicos o electricidad y generar residuos secundarios.

La idea

Un equipo de investigación integrado por el estudiante de doctorado Toranosuke Horikawa, de la Facultad de Ingeniería, y el profesor asociado Masatoshi Kondo, del Laboratorio de Energía Cero Emisiones de Carbono del Instituto de Investigación Integrada de Science Tokyo, ha estado desarrollando un método alternativo basado en estaño líquido. Sus trabajos previos demostraron que, al poner en contacto directo la salmuera de desalinización con estaño líquido caliente, el agua se evapora y puede recuperarse como agua destilada, mientras que elementos como el magnesio, el sodio, el calcio y el potasio son absorbidos por el metal líquido.

Un desafío pendiente era que el cloro y el azufre de la salmuera también se incorporaban al estaño. Estos elementos pueden reaccionar con el magnesio para formar compuestos como el sulfato de magnesio, lo que limita el abanico de aplicaciones industriales del material recuperado. Por lo tanto, el equipo introdujo un proceso de desgasificación al vacío para eliminar estos componentes no metálicos no deseados antes de recuperar el magnesio.

En los experimentos, se fundieron aproximadamente 8 g de estaño a 573-673 K (aproximadamente 300-400 °C), y se suministró salmuera artificial preparada con agua pesada (utilizada para el seguimiento de isótopos en el análisis de gases) sobre la superficie del líquido a un ritmo de 0,1 mL por minuto. El agua se evaporó y se recogió por separado, mientras que el magnesio, el sodio, el cloro, el azufre y otros componentes derivados de la salmuera se incorporaron al estaño líquido.

El estaño impregnado con salmuera se calentó a alto vacío (aproximadamente 10⁻³ Pa ) desde 573 o 673 K hasta 973 K (unos 700 °C) a una velocidad de 2,5 K por minuto, manteniéndose a esa temperatura durante unos 10 minutos. El análisis de gases reveló la liberación de especies que contenían cloro y azufre, como HCl, DCl, Cl₂ , SO₂ y H₂S . A partir del cambio en la masa del estaño líquido antes y después del tratamiento, se estimó que se había eliminado entre el 59 % y el 67 % de los componentes gaseosos derivados de la salmuera.

El vacío, la clave

Tras la desgasificación al vacío, el estaño se enfrió lentamente manteniendo el vacío. A medida que disminuía la temperatura, la solubilidad de los elementos disueltos en el estaño líquido se redujo y se formaron precipitados mediante la recuperación por enfriamiento (precipitación inducida por solubilidad). Las observaciones microscópicas mostraron que se formaron regiones ricas en magnesio y en sodio en diferentes ubicaciones, lo que indica que los elementos pudieron separarse durante el enfriamiento.

Al procesar 20 ml de salmuera a 673 K, la concentración de magnesio en el precipitado alcanzó aproximadamente 280 veces la de la salmuera original, y la relación Mg/Na aumentó unas 5300 veces. Se estimó que la cantidad de magnesio recuperado equivalía a más del 99 % del magnesio absorbido por el estaño líquido. La microscopía electrónica y la difracción de electrones retrodispersados ​​demostraron, además, que la fase cristalina principal en el precipitado rico en magnesio era MgO.

Dado que el proceso separa y concentra el magnesio sin necesidad de añadir grandes cantidades de productos químicos alcalinos, puede reducir el consumo de químicos y la generación de residuos secundarios en comparación con los métodos de precipitación convencionales. El calor necesario para el proceso de estaño líquido podría obtenerse mediante energía solar térmica concentrada o calor residual industrial a alta temperatura.

Un diseño conceptual estimó que, en condiciones idealizadas, la electricidad necesaria para la desgasificación al vacío sería de aproximadamente 1,7 kWh por kilogramo de magnesio recuperado. Para un módulo solar diseñado para una región soleada y con escasez de agua como Egipto, se estimó que un concentrador solar de 15 m de diámetro tendría el potencial de producir unos 970 kg de agua dulce y recuperar unos 2,8 kg de magnesio al día.

Los investigadores describen el concepto general como «minería sin excavación»: obtener recursos valiosos no de yacimientos recién extraídos, sino de corrientes de agua que actualmente se consideran residuos. El siguiente paso consiste en desarrollar un sistema continuo en el que el estaño líquido circule a través de la producción de agua dulce, la desgasificación al vacío, la precipitación y recuperación de magnesio, y la reutilización del estaño. Antes de su implementación práctica, también será necesario evaluar la estabilidad a largo plazo, la compatibilidad con los materiales estructurales, la purificación del magnesio recuperado, el consumo de energía y la viabilidad económica.