La sorprendente capacidad de las conchas de ostras y mejillones para atrapar tierras raras

En muchas zonas costeras es común encontrar montículos que contienen conchas de piedra caliza de ostras y mejillones desechados. Son los restos de una industria pesquera global que genera millones de toneladas de desechos cada año. Al mismo tiempo, lejos de la costa, escondido entre formaciones rocosas, existe otro recurso muy diferente: las tierras raras. Estos metales tienen cada vez más demanda en la industria, dado que son esenciales para tecnologías como las turbinas eólicas, los vehículos eléctricos y la mayoría de los dispositivos electrónicos cotidianos.

Nuestro grupo de investigación descubrió una conexión interesante entre estos desechos marinos y las tierras raras. Hemos observado que las conchas marinas calcáreas, especialmente las de ostras, pueden absorber tierras raras disueltas en agua. De esta manera, se convierten en un medio potencial para limpiar la contaminación asociada a la transición energética.

Los japoneses suelen describir las tierras raras como las “vitaminas de la industria moderna”: al igual que las vitaminas del cuerpo humano, son esenciales, pero necesarias en cantidades muy pequeñas. Sin embargo, la extracción y el procesamiento de minerales que contienen tierras raras generan aguas residuales altamente contaminantes y también liberan estos elementos químicos al medio ambiente.

“Piel” mineral en conchas

En nuestros laboratorios del Trinity College de Dublín investigamos si las conchas de piedra caliza podrían ayudar a resolver este problema. Lo primero que hicimos fue conseguir conchas de ostras, mejillones y almejas de las playas irlandesas. Tras ello, las limpiamos para quitarles la materia orgánica y las trituramos hasta conseguir trozos pequeños. Una vez hecho esto, mezclamos los fragmentos con agua que contenía tierras raras -en concreto, lantano, neodimio y disprosio- en concentraciones similares a las observadas en casos de contaminación industrial intensa.

Una concha de ostra completa (izquierda) y un fragmento de aproximadamente 1 mm antes (centro) y después (derecha) de la exposición al agua de tierras raras. Juan Diego Rodríguez-Blanco

Lo que pasó después no es visible a simple vista, pero sí se puede observar con un microscopio… y fue sorprendente. En la superficie de cada fragmento de concha caliza se inició una reacción química: el carbonato cálcico que forma esta estructura comenzó a disolverse y fue sustituido progresivamente por nuevos minerales que contenían tierras raras. Al cabo de unos días se formó una capa muy fina, como una especie de “piel” mineral que cubría el fragmento.

Utilizando microscopía electrónica de alta resolución, pudimos observar este proceso con gran detalle. Inicialmente se observaron pequeños cristales en forma de agujas, que luego crecieron y se unieron formando una corteza continua. En algunos casos, esta costra -similar a una armadura- ha detenido la reacción química y ha detenido todo el proceso.

Sin embargo, no todos los experimentos produjeron los mismos resultados. Las conchas calizas de las ostras están compuestas por capas muy finas y poros que permiten que el agua y los elementos químicos disueltos circulen más fácilmente por su interior. Esto permitió que la reacción no se limitara a su superficie, sino que continuara hacia su interior, hasta sustituir por completo la estructura.

Los resultados fueron muy prometedores: en las condiciones adecuadas, 1 gramo de concha de ostra caliza capturó aproximadamente 1,5 gramos de tierras raras presentes en el agua. En lugar de adsorberse en su superficie, estos elementos pasaron a formar parte de un nuevo mineral, un carbonato de tierras raras muy estable.

Imagen coloreada de microscopía electrónica de alta resolución que muestra la formación de una corteza rica en tierras raras en la superficie de una concha de mejillón de piedra caliza. Juan Diego Rodríguez-Blanco, autor proporcionado (no reutilizar) De la descontaminación a la recuperación de recursos

Muchos materiales utilizados en el tratamiento y descontaminación del agua se basan en la adsorción, un proceso físico-químico mediante el cual los contaminantes se adhieren directamente a la superficie. Sin embargo, en nuestros experimentos lo que ocurre es una transformación mineral, en la que las tierras raras se incorporan a nuevos cristales sólidos, evitando que estos elementos sean liberados de nuevo al medio ambiente.

Imágenes que muestran (a) un microscopio electrónico de barrido y (b) una cámara de vacío donde se colocan las muestras para su análisis. Las muestras se colocan sobre pequeños soportes metálicos (c), que permiten obtener imágenes y estudiar su composición química. Juan Diego Rodríguez-Blanco, autor proporcionado (no reutilizar)

Una vez capturadas las tierras raras, podrían procesarse más para recuperarlas y reutilizarlas. Al estar concentrados en estado sólido, sería posible aplicar métodos de extracción química bien establecidos para reciclarlos. De esta manera, las conchas de piedra caliza desechadas podrían servir no sólo para limpiar la contaminación, sino también para recuperar recursos valiosos que de otro modo se perderían.

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Las conchas no son un recurso escaso: la naturaleza las produce en grandes cantidades y sin coste alguno. La acuicultura de mariscos también genera toneladas de desechos cada año en todo el mundo, muchos de los cuales terminan en vertederos o se acumulan cerca de la costa. Estas conchas, trituradas, pueden utilizarse en sistemas de filtración o barreras reactivas permeables, sistemas en los que el agua contaminada fluye a través de un material altamente reactivo que atrapa los contaminantes.

Estas soluciones se utilizan para eliminar metales pesados. Sin embargo, el principal desafío sigue siendo garantizar la estabilidad de su desempeño a largo plazo. Nuestros experimentos mostraron que algunas especies de conchas de piedra caliza desarrollaron rápidamente recubrimientos impermeables que limitaron su rendimiento. Sin embargo, las conchas de ostra, debido a su estructura, son especialmente adecuadas para superar esta limitación.

Para que este tipo de tecnología funcione a gran escala, es muy importante no buscar nuevos materiales, sino diseñar sistemas que aprovechen el contacto entre el agua contaminada y las superficies reactivas, evitando que se bloqueen y pierdan eficacia con el tiempo.

El método que hemos desarrollado no eliminará la necesidad de extraer tierras raras, ya que la demanda mundial de estos metales es enorme y continúa creciendo rápidamente. Sin embargo, puede contribuir a una gestión más sostenible y “circular” de estos materiales críticos, ofreciendo una forma de capturar tierras raras de las aguas residuales, reducir la contaminación ambiental y recuperar parte de lo que actualmente se pierde durante el procesamiento.

Durante estos procesos se formaron minerales de carbonato de tierras raras, lo que muestra cómo estos elementos disueltos pueden combinarse y convertirse en cristales. Juan Diego Rodríguez-Blanco, autor proporcionado (no reutilizar)

La conversión de este método de laboratorio en una aplicación real requerirá pruebas en condiciones aún más complejas, ya que las aguas residuales industriales contienen mezclas de metales de diferentes concentraciones y además están en constante movimiento. Por lo tanto, será necesario realizar estudios piloto para evaluar el rendimiento, la durabilidad y la velocidad a la que los fragmentos de conchas de piedra caliza atrapan las tierras raras y determinar si es posible evitar la formación de costras que interrumpan el proceso de descontaminación.

Hay otras cuestiones prácticas que deberán abordarse: ¿cómo habrá que preparar las conchas (limpiarlas, triturarlas) para maximizar su eficacia? ¿Se puede aplicar este proceso de forma económicamente viable a gran escala? ¿Qué limitaciones tendrá? Además, si el objetivo final es obtener tierras raras para uso industrial, será fundamental desarrollar métodos eficaces que permitan su extracción a partir de nuevos minerales formados en la superficie de las conchas de piedra caliza. Abordar estos desafíos será esencial para que esta tecnología se convierta en una solución ambiental verdaderamente sostenible.