Terre Rare e Profitti abbondanti – parte 2: Neodimio

La nostra escursione nel mondo delle Terre Rare (REE), continuerà prendendo in esame alcuni elementi chiave di questo gruppo la cui importanza è spiegata dalla seguente frase di Deng Xiao Ping: “Il Medio Oriente ha il petrolio, la Cina ha le Terre Rare.”

Neodimio
Costo, puro: $ 420 per 100 g.

Il Neodimio, simbolo chimico Nd, numero atomico 60, configurazione [Xe]4f4 6s2, peso atomico 144,242 uma, è un metallo di transizione della serie dei Lantanidi, tenero (VH = 343 MPa), argenteo che imbrunisce all’aria a causa della rapida ossidazione, paramagnetico (antiferromagnetico sotto i 20 K, http://en.wikipedia.org/wiki/Antiferromagnetic), presente in quantità significative nella monazite e nella basnäsite dove non si trova mai da solo, ma sempre mescolato con altri lantanidi. Come si è detto il nome “Terre Rare” non deriva dalla rarità (scarsezza) dell’elemento, infatti il Neodimio non è più raro del cobalto, del nickel o del rame, ma dalla difficoltà di ottenerlo (almeno nel 19°-20° secolo) raffinato, ovvero separato dalle altre REE e ad alta purezza. Come tutte le Terre rare, infatti il Neodimio ha scarsa tendenza a “concentrarsi” ovvero non si presenta in filoni o giacimenti sfruttabili, ma disperso sul “terreno”. Di fatto il Neodimio e le altre REE sono ampiamente distribuiti nella crosta terrestre; il Neodimio è presente in quantità di 38 mg/Kg ed esattamente per 0,84 ppm (per avere un ordine di misura, l’argento è pari a 0,05 ppm, l’oro è 0,16 ppm, il piombo è 0,23 ppm, il ferro invece è pari a 319.000 ppm, il magnesio è 154.000 ppm e il silicio è 161.000 ppm [cfr.: http://quake.mit.edu/hilstgroup/CoreMantle/EarthCompo.pdf]; in sostanza c’è più Neodimio che Piombo),
Nei pochi depositi di minerale sfruttabile, le prime quattro REE (Lantanio, Cerio, Praseodimio e Neodimio) costituiscono tra l’ 80 e il 99% della quantità totale di REE del giacimento. In genere la presenza del Neodimio nel Mischmetal (lega di minerali di REE che presenta proporzioni naturalmente variabili dei vari elementi, in genere composta da Cerio 50%, Lantanio 25% e da Neodimio e Praseodimio) è intorno al 18%.
Il Neodimio metallico è un elemento elettropositivo che reagisce rapidamente con l’ossigeno per dare Ossido di Neodimio (III) e infatti brucia a 150 °C. Di conseguenza la polvere di Neodimio è infiammabile ed esplosiva.
Il Neodimio inoltre reagisce con l’acqua bollente dando Idrossido di Neodimio e Idrogeno, reagisce vigorosamente con gli alogeni (Fluoro, Cloro, Bromo, Iodio) allo stato gassoso e si scioglie facilmente in acido solforico diluito dando una soluzione lilla contenente lo ione Nd 3+, il solfato di Neodimio. Una proprietà dei composti del Neodimio è quella di cambiare colore a seconda del tipo di luce che li colpisce.
Il Neodimio minerale si presenta come una miscela di vari isotopi di cui due sono radioattivi. Il decadimento degli isotopi radioattivi avviene per cattura elettronica, decadimento positronico e decadimento beta negativo. Il principale prodotto di decadimento prima del Neodimio stabile, sono isotopi radioattivi del Praseodimio e isotopi del Promezio.

Il comportamento dei composti del Neodimio con la luce fece sì che il primo uso commerciale del Nd fosse nella produzione di lampadine (1927 Moser Glasswork). L’aggiunta diossido di Neodimio nella pasta di vetro fuso dava al bulbo della lampadina una colorazione blu pallido in presenza di luce fluorescente e rosaviolaceo in presenza di luce a incandescenza o luce diurna.
Un altro uso del comportamento del Neodimio con la luce fu la sua applicazione nei laser. Cristalli dopati di Neodimio (neodymium-doped yttrium aluminum garnet nei ND:YAG lasers) sono usati per generare raggi laser infrarossi ad alta potenza che vengono convertiti in raggi laser verdi nei laser commerciali DPSS e nei puntatori laser.

Il Neodimio ha però visto la sua richiesta salire alle stelle soprattutto per le sue caratteristiche magnetiche. I magneti di Neodimio sono i più forti magneti permanenti conosciuti. Un magnete di neodimio di pochi grammi può spostare un oggetto di un migliaio di volte il suo peso. I magneti di neodimio vanno maneggiati con grande attenzione perché tendono a unirsi velocemente e con forza tanto grande che può causare danni permanenti. E’ infatti riportato almeno un caso di una persona che ha perso la punta delle dita quando i due magneti che stava usando alla distanza di 50 cm. sono scattati unendosi (Swain, Frank (March 6, 2009). “How to remove a finger with two super magnets”. Seed Media Group LLC. http://scienceblogs.com/sciencepunk/2009/03/how_to_remove_a_finger_with_tw.php. Retrieved 2009-06-28).

Lo sviluppo delle tecnologie informatiche e della Green Economy hanno reso il Neodimio un metallo essenziale. Magneti al neodimio infatti, sono meno costosi, più leggeri e più forti di magneti al samario-cobalto, ma non ne sono superiori nelle prestazioni visto che i magneti al neodimio perdono il loro magnetismo ad alte temperature e tendono ad arrugginire, cosa che i magneti samario-cobalto non fanno. I magneti al neodimio sono un componente fondamentale degli hard disk dove piccola massa, piccolo volume e forti campi magnetici sono necessari. Ma è soprattutto nei motori elettrici che il Neodimio ha mostrato la sua importanza.
Il Neodimio è infatti il componente fondamentale delle turbine eoliche e dei motori delle automobili elettriche e ibride che sono state proposte come la risposta alternativa ai combustibili fossili accusati del cambiamento climatico.
Le automobili elettriche e ibride letteralmente gozzovigliano col neodimio, in particolare con la lega di neodimio e piccole quantità di terbio e disprosio (altre due REE) che permettono al neodimio di mantenere le sue proprietà magnetiche alle alte temperature. Già nel 2009 la Toyota, che con la Prius deteneva circa il 70% del mercato USA di veicoli ibridi, era forse “il maggior consumatore di REE del mondo”: infatti il motore elettrico di ogni Prius richiede 1 kilo di Neodimio e ogni batteria usa da 10 a 15 kili di Lantanio (http://www.reuters.com/article/2009/08/31/us-mining-toyota-idUSTRE57U02B20090831).
Nel caso delle Turbine eoliche sono necessarie circa 2 tonnellate di neodimio per turbina, il cui cuore è un magnete fatto con una lega di neodimio-ferro-boro (Nd2Fe14B). (http://www.independent.co.uk/news/world/asia/concern-as-china-clamps-down-on-rare-earth-exports-1855387.html)
Visto che la crescita della domanda di REE è spinta soprattutto dalla Green Economy e dalla richiesta di motori e lampadine eco-friendly nei paesi occidentali (soprattutto Europa e Nord America), sembra giusto chiedersi quanto è ecologica l’estrazione e la produzione di neodimio dal momento che si prevede che nel 2014 la domanda globale di REE sarà di 200.000 tonnellate annue dando per scontato che prenda sempre più piede la rivoluzione ecologica.
Come si è detto (Terre Rare e Profitti Abbondanti parte 1) il 97% della produzione di terre rare è attualmente detenuta dalla Repubblica Popolare Cinese che sfrutta le “miniere” del distretto di Baotou nella Mongolia Interna, ma la Cina detiene solo il 36% delle riserve mondiali e gli USA sono secondi con il 13%.

La produzione di Neodimio è estremamente costosa da un punto di vista ecologico sia perché le REE devono “essere concentrate” per ottenere dei quantitativi industriali, il che vuol dire che devono essere estratte da vaste distese di territorio, sia perché sono “avvelenate” dalla presenza di sostanze radioattive.
Il primo processo per la separazione del neodimio consiste nell’estrarre in forma salina i lantanidi e i metalli presenti nel giacimento. Questo processo è condotto usando acido solforico, acido cloridrico e idrossido di sodio. Per isolare ulteriormente il neodimio dagli altri lantanidi e metalli, si procede ad estrazioni con solvente e a cromatografia a scambio ionico. Una volta che, usando questi processi, il neodimio è stato ottenuto come fluoruro, esso viene fatto reagire con del calcio metallico puro in fornaci con temperature intorno ai 1000 °C; il risultato finale è neodimio puro e fluoruro di calcio. Alcuni contaminati del calcio restano nel neodimio e vengono rimossi con un processo sotto vuoto.
Come si vede il processo di estrazione del neodimio e delle altre terre rare prevede che il suolo (giacimento) venga trattato con acidi, poiché il minerale non è concentrato, ma molto disperso nel giacimento (sabbie di monazite e rocce di basnäsite), le quantità di acidi pompate dentro il terreno e successivamente usate nelle fabbriche sono enormi.
Nel Bayan Obo Mining Distric (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Baiyunebo_ast_2006181.jpg) vengono scavati ed estratti i minerali che sono trasportati a Baotou, Mongolia Interna, Cina, circa 150 km più a sud. Qui gli impianti di trattamento delle REE pompano i fanghi di risulta in un bacino di decantazione dove vengono mischiati ad acqua. Nel bacino di decantazione presso Baotou (vede Google Maps), vasto circa 10 km e profondo circa 300 metri, vengono pompati circa 7 milioni di tonnellate di “sterili di miniera” dal trattamento delle REE, ogni anno. Attualmente il “lago” tossico cresce di circa 1 metro l’anno. (cfr.: http://www.dailymail.co.uk/home/moslive/article-1350811/In-China-true-cost-Britains-clean-green-wind-power-experiment-Pollution-disastrous-scale.html).
In realtà tanto “sterili” questi fanghi non sono visto che contengono acidi, soda caustica e composti radioattivi. Durante il processo di produzione inoltre grandi quantità di inquinanti come acidi, metalli pesanti e altre sostanze chimiche sono scaricate nell’aria. Questi inquinanti vengono respirati e contaminano per decine di kilometri l’ambiente (acqua e campi) trasportate dal vento.
Attorno a questo bacino non cresce più nulla, gli abitanti cominciano a perdere i denti a ad averi i capelli bianchi ancora molto giovani e soffrono di gravi malattie della pelle e respiratorie. I bambini nascono con gravi casi di osteoporosi. I casi di tumore sono schizzati alle stelle, il che è ovvio visto che il livello di radioattività della discarica è 10 volte più alto di quello delle zone circostanti.

Il problema dell’inquinamento causato dall’estrazione di REE non è tuttavia un fatto confinato in una sperduta regione del pianeta terra, la Mongolia Interna. Nell’immaginario ecologico occidentale la Mongolia Interna è considerata una landa desertica e inospitale, il famoso Deserto del Gobi, sostanzialmente disabitata che non ha certo l’appeal sfolgorante di altri luoghi del pianeta come la selva amazzonica o le foreste del Borneo. Nell’immaginario ‘green’ la Mongolia Interna è un’aspra landa di sabbie gialle, terra e roccia ocra, piuttosto scarsa di verde inteso come vegetazione, non ha tanti bei pappagallini verdi, rossi o blu, né fiori dai colori sgargianti (solo cespugli di artemisia), né orchidee, né altre coloratissime meraviglie ambientali, perciò perché preoccuparsene se il suo sfruttamento può fare più verde la nostra valle?
In realtà la Mongolia Interna è attraversata dal Fiume Giallo (Huang He), il secondo maggior fiume della Cina dopo lo Yangtze. Il Fiume Giallo è la culla della civiltà cinese dal momento che attraversa la Valle Wei che taglia di traverso il lungo Ordos Loop, una delle regioni più prospere nella storia cinese antica. Il Fiume Giallo ci interessa molto perché passa per Baotou, città prefettura della Mongolia Iinterna e capitale dell’estrazione delle REE, che fu edificata presso la Grande Curva del fiume in una regione coltivabile con l’aratura. Il Fiume Giallo, che finisce nel Mare Bohai, il golfo più interno del Mar Giallo, è talmente inquinato che un terzo di esso è classificato come inutilizzabile. Lo Yellow River Conservacy Committee, un organismo affiliato al Ministero delle Risorse Idriche, ha ammesso che il 33,8% dell’acqua del sistema idrico del fiume ha registrato un grado peggiore del livello cinque nei campioni d’acqua prelevati (cfr.: http://www.guardian.co.uk/environment/2008/nov/25/water-china). Questo significa che l’acqua è inadatta per usi potabili, di acquacoltura, industriali e persino agricoli in base ai criteri usati da UN Environment Programme. Solo il 16% dei campioni prelevati ha dato valori di livello 2, quello classificato sicuro per un uso domestico. L’inchiesta, effettuata su dati del 2007, aveva coperto più di 8.384 miglia di fiume compresi alcuni suoi tributari. Il rapporto indicava che nel 2007 erano stati scaricati nel fiume 4,29 miliardi di tonnellate di rifiuti e scarichi industriali. Di questi il 70% proveniva da zone industriali e manifatturiere e solo il 23% da rifiuti domestici (Guardian, 2008, ibid.).
L’inquinamento provocato dall’estrazione delle REE è tenuta piuttosto sottotraccia dagli ambientalisti, ma qualcosa comincia a filtrare sui media. Per ora ci limiteremo a citare Craigh Bennet, direttore delle politiche e delle campagne di Friends of Earth: “Noi dobbiamo essere sicuri che l’uso di materiali come neodimio e cemento sia mantenuto al minimo, che le turbine usino materiali riciclati ove sia possibile e che esse sia posizionate con attenzione per ridurre al minimo l’impatto sulle popolazioni di uccelli.”( http://www.dailymail.co.uk/home/moslive/article-1350811/In-China-true-cost-Britains-clean-green-wind-power-experiment-Pollution-disastrous-scale.html). L’impatto sulle popolazioni umane della Mongolia Interna evidentemente conta meno che l’impatto sulle popolazioni di uccelli della Scozia.

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