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A separação seletiva pode ajudar a aliviar a escassez crítica de metais
Uma nova forma de processar terras raras e outros metais importantes para separá-los de outros materiais pode reduzir o impacto ambiental e os custos.
Por Becky Ham - 24/12/2021


Na foto, óxidos de terras raras de neodímio, praseodímio e disprósio - todos componentes essenciais para ímãs - que foram processados ​​com tecnologia de sulfetação. As regiões violeta são sulfeto rico em neodímio, as regiões verdes são oxissulfeto de praseodímio e as regiões laranja são sulfetos e oxissulfetos ricos em disprósio. Créditos: Imagem: cortesia dos pesquisadores

Novos métodos 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 fácil separar esses metais raros de minérios de mineração e materiais reciclados.

Ajustes seletivos dentro de um processo químico 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 íon-lítio, de materiais de metais mistos.

Conforme relatam na revista Nature , suas técnicas de processamento permitem que os metais permaneçam na forma sólida e sejam separados sem dissolver o material. Isso evita métodos de separação de líquidos 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 óxidos de metais mistos. Seu processamento seletivo também pode reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 60 a 90 por cento em comparação com a separação tradicional em base líquida.

“Ficamos entusiasmados em encontrar substitutos para processos que tinham níveis realmente altos de uso de água e emissões de gases de efeito estufa, como reciclagem de bateria de íon-lítio, reciclagem de ímã de terras raras e separação de terras raras”, diz Stinn. “Esses são processos que fazem materiais para aplicações de sustentabilidade, mas os próprios processos são muito insustentáveis.”

As descobertas oferecem uma maneira de aliviar a crescente demanda por metais menores, como cobalto, lítio e elementos de terras raras, usados ​​em produtos de energia "limpa", como carros elétricos, 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 necessários para uma nova unidade de capacidade de geração de energia aumentou 50% desde 2010, à medida que as tecnologias de energia renovável usando esses metais expandem seu alcance.

Oportunidade de seletividade

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 estão fazendo experiências com eles em condições extremas, como temperaturas muito altas - de 800 a 3.000 graus Fahrenheit - que são usados ​​em fábricas, mas não em um laboratório universitário típico.

“Estamos olhando para materiais muito bem estabelecidos em condições incomuns em comparação com o que foi feito antes”, explica Allanore, “e é por 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 podíamos 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 óxidos metálicos 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 sólidos de sulfeto que podem ser fisicamente separados por uma variedade de métodos, incluindo trituração do material e classificação sulfetos de tamanhos diferentes ou usando ímãs para separar diferentes sulfetos uns dos outros.

Os métodos atuais de separação de metais raros dependem de grandes quantidades de energia, água, ácidos e solventes orgânicos que têm impactos ambientais caros, diz Stinn. “Estamos tentando usar materiais que são abundantes, econômicos e prontamente disponíveis para a separação de materiais sustentáveis ​​e expandimos esse domínio para incluir enxofre e sulfetos.”

Stinn e Allanore usaram a sulfetação seletiva para separar metais economicamente importantes como o cobalto em baterias recicladas de íon-lítio. Eles também usaram suas técnicas para separar o disprósio - um elemento de terras raras usado em aplicações que variam de dispositivos de armazenamento de dados a optoeletrônica - de ímãs de boro de terras raras ou da mistura típica de óxidos disponíveis na mineração de minerais como a bastnaesita.

Aproveitando a tecnologia existente

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

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

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

O próximo passo é mostrar 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 é necessário para a implantação”, diz Allanore.

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

“Estamos discutindo o que seria necessário 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.

 

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