Elementi della Tavola periodica. Tantalio, Ta (seconda parte)

Rinaldo Cervellati

la prima parte di questo post è pubblicata qui.

Produzione e raffinazione

Diversi passaggi sono coinvolti nell’estrazione del tantalio dalla tantalite. In primo luogo, il minerale viene frantumato e concentrato per separazione per gravità. Questo processo viene generalmente eseguito vicino al sito minerario.

La raffinazione del tantalio dai suoi minerali è uno dei processi più impegnativi nella metallurgia industriale. Il problema principale è che i minerali di tantalio contengono quantità significative di niobio, che ha proprietà chimiche quasi identiche. Per affrontare questa sfida sono state sviluppate un gran numero di procedure.

Attualmente, la separazione è ottenuta mediante idrometallurgia. L’estrazione inizia con la lisciviazione del minerale con acido fluoridrico insieme con acido solforico o acido cloridrico. Questo passaggio consente di separare il tantalio e il niobio dalle varie impurità non metalliche presenti nel minerale. Sebbene il tantalio si presenti come vari composti, è convenientemente rappresentato come pentossido, poiché la maggior parte degli ossidi di tantalio (5) si comportano in modo simile. Un’equazione semplificata per la sua estrazione è quindi:

Ta2O5 + 14HF → 2H2[TaF7] + 5H2O

Reazioni completamente analoghe si verificano per il componente niobio, ma l’esafluoruro è tipicamente predominante nelle condizioni di estrazione:

Nb2O5 + 12HF → 2 H[NbF6] + 5H2O

I complessi di tantalio e fluoruro di niobio vengono quindi rimossi dalla soluzione acquosa mediante estrazione liquido-liquido in solventi organici, come cicloesanone, ottanolo e metilisobutilchetone. Questa semplice procedura consente la rimozione della maggior parte delle impurità contenenti metalli (a es. ferro, manganese, titanio, zirconio), che rimangono nella fase acquosa sotto forma di fluoruri e altri complessi.

La separazione del tantalio dal niobio viene quindi ottenuta abbassando la forza ionica della miscela acida, che provoca la dissoluzione del niobio nella fase acquosa. Si suppone che l’ossifluoruro H2[NbOF5] si formi in queste condizioni. Dopo la rimozione del niobio, la soluzione di H2[TaF7] purificato viene neutralizzata con ammoniaca acquosa per far precipitare l’ossido di tantalio idrato come solido, che viene poi calcinato in pentossido di tantalio (Ta2O5).

Invece dell’idrolisi, l’H2[TaF7] può essere trattato con fluoruro di potassio per produrre eptafluorotantalato di potassio:

H2[TaF7] + 2KF → K2[TaF7] + 2HF

A differenza di H2[TaF7], il sale di potassio è prontamente cristallizzato e manipolato come un solido. K2[TaF7] può essere convertito in tantalio metallico mediante riduzione con sodio, a circa 800 °C:

K2[TaF7] + 5Na → Ta + 5NaF + 2KF

Il tantalio può anche essere raffinato mediante elettrolisi, utilizzando una versione modificata del processo Hall – Héroult[1]. Invece di richiedere che l’ossido di ingresso e il metallo di uscita siano in forma liquida, l’elettrolisi del tantalio opera su ossidi in polvere non liquidi. La scoperta iniziale è avvenuta nel 1997 quando i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno immerso piccoli campioni di alcuni ossidi in bagni di sale fuso e hanno ridotto l’ossido usando corrente elettrica. Il catodo utilizza ossido di metallo in polvere. L’anodo è in carbonio. Il sale fuso a 1.000 °C è l’elettrolita. La prima raffineria ebbe una capacità sufficiente per fornire il 3-4% della domanda globale annuale.

Applicazioni

Elettronica

L’uso principale del tantalio, come polvere metallica, è nella produzione di componenti elettronici, principalmente condensatori e alcune resistenze ad alta potenza. I condensatori elettrolitici sfruttano la tendenza del tantalio a formare uno strato superficiale di ossido protettivo, usando il metallo in polvere, pressata a forma di pellet, come una “piastra” del condensatore, l’ossido come dielettrico e una soluzione elettrolitica o solido conduttivo come l’altro “piatto”. Poiché lo strato dielettrico può essere molto sottile (più sottile dello strato simile, ad esempio, in un condensatore elettrolitico in alluminio), è possibile ottenere un’elevata capacità in un piccolo volume. A causa delle dimensioni e dei vantaggi in termini di peso, i condensatori al tantalio sono interessanti per telefoni portatili, personal computer, elettronica automobilistica e fotocamere.

Figura 9. Un condensatore al tantalio(a sinistra) e suo schema interno(a destra)

Il tantalio è stato ampiamente utilizzato nella produzione di tubi elettronici ad altissima frequenza per trasmettitori radio.

Industria metallurgica

Il tantalio viene anche utilizzato per produrre una varietà di leghe che hanno punti di fusione, resistenza e duttilità elevati. Legato con altri metalli, è anche utilizzato nella fabbricazione di utensili in metallo duro per attrezzature per la lavorazione dei metalli e nella produzione di superleghe per componenti di motori a reazione, apparecchiature per processi chimici, reattori nucleari, parti di missili, scambiatori di calore e serbatoi. Grazie alla sua duttilità, il tantalio può essere tirato in fili o filamenti sottili, che vengono utilizzati per evaporare metalli come l’alluminio. Poiché resiste all’attacco dei fluidi corporei e non è irritante è ampiamente utilizzato nella realizzazione di strumenti chirurgici e impianti medici.

Il tantalio è inerte contro la maggior parte degli acidi, questa proprietà lo rende un metallo utile per recipienti di reazione chimica e tubi per liquidi corrosivi. Le serpentine di scambio termico per il riscaldamento a vapore dell’acido cloridrico sono realizzate in tantalio.

Altri usi

L’alto punto di fusione e la resistenza all’ossidazione portano all’uso del metallo nella produzione di parti di forni sottovuoto. Il tantalio è estremamente inerte ed è quindi utilizzato in una varietà di parti resistenti alla corrosione, come pozzetti termometrici, corpi a valvola e dispositivi di fissaggio. Il tantalio aumenta notevolmente le capacità di penetrazione dell’armatura di una carica sagomata grazie alla sua alta densità e alto punto di fusione. È anche usato occasionalmente in orologi preziosi, ad es. di Audemars Piguet, F.P. Journe, Hublot, Montblanc, Omega e Panerai. La sua elevata rigidità rende necessario il suo utilizzo come schiuma ad alta porosità o impalcatura con minore rigidità per le protesi dell’anca. Poiché il tantalio è un metallo non ferroso e non magnetico, questi impianti sono considerati accettabili per i pazienti sottoposti a procedure di risonanza magnetica. L’ossido viene utilizzato per realizzare speciali vetri ad alto indice di rifrazione per obiettivi fotografici.

Tossicologia e precauzioni

I composti contenenti tantalio si incontrano raramente in laboratorio. Il metallo è altamente biocompatibile e viene utilizzato per protesi e rivestimenti corporei, pertanto l’attenzione viene focalizzata sui luoghi di produzione e trasformazione del metallo o dei suoi composti.

Le persone possono essere esposte al tantalio sul posto di lavoro respirandolo, per contatto con la pelle o con gli occhi. La Occupational Safety and Health Administration degli USA ha fissato il limite legale (limite di esposizione consentito) per l’esposizione al tantalio sul posto di lavoro a 5 mg/m3 su una giornata lavorativa di 8 ore. L’Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH) ha stabilito un limite di esposizione consigliato (REL) di 5 mg/m3 su una giornata lavorativa di 8 ore e un limite a breve termine di 10 mg/m3. A livelli di 2500 mg/m3, il tantalio è immediatamente pericoloso per la salute e la vita.

Riciclaggio

Nel 2015 il riciclaggio del tantalio dall’industria metallurgica ma soprattutto da quella elettronica era diventata una necessità contingente per l’incremento del suo uso con conseguente impoverimento delle risorse naturali. La Global Metal, una multinazionale con sede in Canada, riciclava praticamente qualsiasi scarto contenente tantalio [1].

Più recentemente, un gruppo di ricerca tedesco ha studiato i metodi di riciclaggio e le barriere che vi si oppongono per i componenti a base di tantalio  dei componenti elettronici ed elettrici di PC, notebook e altre attrezzature [2].

Nello stesso anno, il 2017, tre ricercatori cinesi hanno messo a punto un processo per il recupero del tantalio dai rifiuti di condensatori (WTC). Il loro metodo è basato sulla metallurgia dei cloruri (CM). Nel processo CM, come agente di clorurazione viene scelto il cloruro di ferro(II), FeCl2 non tossico. Considerazioni termodinamiche hanno dimostrato che il tantalio reagisce selettivamente con FeCl2 generando TaCl5 che può essere facilmente separato per condensazione. Il recupero di Ta può raggiungere il 93,56% con i seguenti parametri ottimali: temperatura: 500 °C, quantità di FeCl2: 50%, tempo di permanenza : 2 ore, dimensione delle particelle di polvere ricca di Ta < 0,24 mm [3].

Una rappresentazione schematica della fornace usata dai ricercatori è mostrata in figura10. 

Figura 10. Schema del processo CM [3]

Nell’articolo viene inoltre discusso il meccanismo cinetico e la fase di controllo della velocità nella reazione di clorurazione del tantalio viene determinata mediante un accurato controllo. Durante l’intero processo non sono prodotti gas pericolosi e rifiuti liquidi [3].

Ciclo biogeochimico

In campo ambientale il tantalio riceve molta meno attenzione rispetto ad altri elementi. La concentrazione e il rapporto Nb/Ta nella crosta superiore (UCC) e nei minerali sono disponibili perché queste misurazioni sono utili come strumento geochimico. Il valore più recente per la concentrazione della crosta superiore è 0,92 ppm, e il rapporto in peso Nb/Ta è pari a 12,7.

Sono disponibili pochi dati sulle concentrazioni di tantalio nei diversi comparti ambientali, specialmente nelle acque naturali, dove non sono state prodotte stime affidabili delle concentrazioni di tantalio “disciolto” nell’acqua di mare e nelle acque dolci. Sono stati pubblicati alcuni valori sulle concentrazioni disciolte negli oceani, ma sono contraddittori. I valori nelle acque dolci vanno leggermente meglio, ma, in tutti i casi, sono probabilmente inferiori a 1 ngL−1, poiché le concentrazioni “disciolte” nelle acque naturali sono ben al di sotto della maggior parte delle attuali capacità analitiche. L’analisi richiede procedure di pre-concentrazione che, per il momento, non danno risultati coerenti. E in ogni caso, il tantalio sembra essere presente nelle acque naturali per lo più sotto forma di particolato piuttosto che disciolto [4].

I valori delle concentrazioni nel suolo, nei sedimenti e negli aerosol atmosferici sono più facili da ottenere [4]. I valori nei suoli sono vicini a 1 ppm e quindi ai valori UCC. Questo indica l’origine detritica. Per gli aerosol atmosferici i valori disponibili sono dispersi e limitati.

L’inquinamento legato all’uso umano dell’elemento non è stato rilevato. Il tantalio sembra essere un elemento molto conservativo in termini biogeochimici, ma il suo ciclo e la sua reattività non sono ancora completamente compresi.

Tuttavia, la review di Filella [4] contiene un grafico esauriente che mostra i prodotti contenenti tantalio raffinato, i prodotti intermedi da essi ottenuti, e le merci finali fabbricate.

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics, 85th Ed.

https://en.wikipedia.org/wiki/Tantalum

Bibliografia

[1] https://globemetal.com/tantalum-scrap-recycling/

[2] M. Ueberschaar et al., Potentials and Barriers for Tantalum Recovery from Waste Electric and Electronic Equipment., Journal of industrial ecology, 2017, 21, 700-714.

[3] Bo Niu et al., Method for Recycling Tantalum from Waste Tantalum Capacitors by Chloride Metallurgy.,  ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 1376–1381.

[4] M. Filella, Tantalum in the environment.,Earth-Science Reviews, 2017, 173, 122-140.


[1] Il processo di Hall-Héroult è l’unico processo industriale utilizzato per la produzione dell’alluminio primario. Consiste nella dissoluzione di allumina in un bagno di criolite fusa che viene poi sottoposto a elettrolisi per ottenere alluminio. Fu messo a punto in maniera indipendente e simultanea nel 1886 dal chimico statunitense Charles Martin Hall e dal francese Paul Héroult.

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