Novos manãtodos de processamento desenvolvidos por pesquisadores do MIT podem ajudar a aliviar a escassez iminente dos metais essenciais que alimentam tudo, desde telefones a baterias automotivas, tornando mais fa¡cil separar esses metais raros de minanãrios de mineração e materiais reciclados.

Ajustes seletivos dentro de um processo qua­mico chamado sulfidação permitiram ao professor de metalurgia Antoine Allanore e seu aluno de graduação Caspar Stinn atingir e separar metais raros, como o cobalto em uma bateria de a­on-la­tio, de materiais de metais mistos.

Conforme relatam na revista Nature , suas técnicas de processamento permitem que os metais permanea§am na forma sãolida e sejam separados sem dissolver o material. Isso evita manãtodos de separação de la­quidos tradicionais, mas caros, que requerem energia significativa. Os pesquisadores desenvolveram condições de processamento para 56 elementos e testaram essas condições em 15 elementos.

Sua abordagem de sulfetação, eles escrevem no jornal, poderia reduzir os custos de capital da separação de metais entre 65 e 95 por cento dos a³xidos de metais mistos. Seu processamento seletivo também pode reduzir as emissaµes de gases de efeito estufa em 60 a 90 por cento em comparação com a separação tradicional em base la­quida.

“Ficamos entusiasmados em encontrar substitutos para processos que tinham na­veis realmente altos de uso de águae emissaµes de gases de efeito estufa, como reciclagem de bateria de a­on-la­tio, reciclagem de a­ma£ de terras raras e separação de terras raras”, diz Stinn. “Esses são processos que fazem materiais para aplicações de sustentabilidade, mas os pra³prios processos são muito insustenta¡veis.”

As descobertas oferecem uma maneira de aliviar a crescente demanda por metais menores, como cobalto, la­tio e elementos de terras raras, usados ​​em produtos de energia "limpa", como carros elanãtricos, células solares e moinhos de vento para geração de eletricidade. De acordo com um relatório de 2021 da Agência Internacional de Energia, a quantidade média de minerais necessa¡rios para uma nova unidade de capacidade de geração de energia aumentou 50% desde 2010, a  medida que as tecnologias de energia renova¡vel usando esses metais expandem seu alcance.

Por mais de uma década, o grupo Allanore tem estudado o uso de materiais sulfetados no desenvolvimento de novas rotas eletroquímicas para a produção de metal. Sulfetos são materiais comuns, mas os cientistas do MIT estãofazendo experiências com eles em condições extremas, como temperaturas muito altas - de 800 a 3.000 graus Fahrenheit - que são usados ​​em fa¡bricas, mas não em um laboratório universita¡rio ta­pico.

“Estamos olhando para materiais muito bem estabelecidos em condições incomuns em comparação com o que foi feito antes”, explica Allanore, “e épor isso que estamos encontrando novas aplicações ou novas realidades”.

No processo de sintetizar materiais de sulfeto de alta temperatura para apoiar a produção eletroquímica, Stinn diz: “aprendemos que poda­amos ser muito seletivos e muito controlados sobre os produtos que fabricamos. E foi com esse entendimento que percebemos, 'OK, talvez haja uma oportunidade de seletividade na separação aqui.' ”

A reação química explorada pelos pesquisadores reage um material contendo uma mistura de a³xidos meta¡licos para formar novos compostos de metal-enxofre ou sulfetos. Ao alterar fatores como temperatura, pressão do gás e adição de carbono no processo de reação, Stinn e Allanore descobriram que poderiam criar seletivamente uma variedade de sãolidos de sulfeto que podem ser fisicamente separados por uma variedade de manãtodos, incluindo trituração do material e classificação sulfetos de tamanhos diferentes ou usando a­ma£s para separar diferentes sulfetos uns dos outros.

Os manãtodos atuais de separação de metais raros dependem de grandes quantidades de energia, a¡gua, a¡cidos e solventes orga¢nicos que tem impactos ambientais caros, diz Stinn. “Estamos tentando usar materiais que são abundantes, econa´micos e prontamente disponí­veis para a separação de materiais sustenta¡veis ​​e expandimos esse doma­nio para incluir enxofre e sulfetos.”

Stinn e Allanore usaram a sulfetação seletiva para separar metais economicamente importantes como o cobalto em baterias recicladas de a­on-la­tio. Eles também usaram suas técnicas para separar o dispra³sio - um elemento de terras raras usado em aplicações que variam de dispositivos de armazenamento de dados a optoeletra´nica - de a­ma£s de boro de terras raras ou da mistura ta­pica de a³xidos disponí­veis na mineração de minerais como a bastnaesita.

Metais como cobalto e terras raras são encontrados apenas em pequenas quantidades nos materiais minerados, então as indaºstrias devem processar grandes volumes de material para recuperar ou reciclar o suficiente desses metais para serem economicamente via¡veis, explica Allanore. “a‰ bastante claro que esses processos não são eficientes. A maior parte das emissaµes vem da falta de seletividade e da baixa concentração em que operam ”.

Ao eliminar a necessidade de separação de la­quidos e as etapas e materiais extras necessa¡rios para dissolver e, em seguida, reprecipitar elementos individuais, o processo dos pesquisadores do MIT reduz significativamente os custos incorridos e as emissaµes produzidas durante a separação.

“Uma das coisas boas sobre a separação de materiais usando sulfetação éque muita tecnologia existente e infraestrutura de processo podem ser aproveitadas”, diz Stinn. “Sa£o novas condições e novos produtos químicos em estilos e equipamentos de reatores estabelecidos.”

O pra³ximo passo émostrar que o processo pode funcionar para grandes quantidades de matéria-prima - separando 16 elementos de riachos de mineração de terras raras, por exemplo. “Agora mostramos que podemos lidar com três, quatro ou cinco deles juntos, mas ainda não processamos um fluxo real de uma mina existente em uma escala que corresponda ao que énecessa¡rio para a implantação”, diz Allanore.

Stinn e colegas de laboratório construa­ram um reator que pode processar cerca de 10 quilos de matéria-prima por dia, e os pesquisadores estãoiniciando conversas com várias empresas sobre as possibilidades.

“Estamos discutindo o que seria necessa¡rio para demonstrar o desempenho dessa abordagem com os fluxos minerais e de reciclagem existentes”, disse Allanore.

Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e pela Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos.