Pesquisadores de Rice extraem elementos de resíduos

25/02/2022
Foi utilizado o processo de aquecimento flash Joule – usado há vários anos para a produção de grafeno a partir de qualquer fonte sólida de carbono.

O laboratório Rice, do químico James Tour, informa que conseguiu extrair com sucesso valiosos elementos de terras raras (REE) de resíduos com rendimentos altos o suficiente para resolver problemas para os fabricantes e aumentar seus lucros. O laboratório introduziu o processo de aquecimento flash Joule – usado há vários anos para a produção de grafeno a partir de qualquer fonte sólida de carbono. Neste caso, o processo de aquecimento foi aplicado a três fontes de elementos de terras raras - cinzas volantes de carvão, resíduo de bauxita e lixo eletrônico - para recuperar metais de terras raras, que possuem propriedades magnéticas e eletrônicas para tecnologias verdes e da área eletrônica mais avançada. 

Os pesquisadores dizem que seu processo é mais amigável com o meio ambiente, usando muito menos energia e transformando o fluxo de ácido frequentemente usado para recuperar os elementos em um fio. O estudo aparece na Science Advances. Elementos de terras raras não são realmente raros. Um deles, o cério, é mais abundante que o cobre, e todos são mais abundantes que o ouro. Mas esses 15 elementos lantanídeos, juntamente com o ítrio e o escândio, são amplamente distribuídos e difíceis de extrair de materiais minerados. “Os EUA costumavam minerar elementos de terras raras, mas também eram obtidos muitos elementos radioativos”, disse Tour. “Não se pode reinjetar a água e ela precisa ser descartada, o que é caro e problemático. No dia em que os EUA acabaram com toda a mineração de terras raras, as fontes estrangeiras aumentaram seu preço dez vezes”. 

Portanto, há muito incentivo para reciclar o que já foi extraído, disse ele. Muito disso é empilhado ou enterrado em cinzas volantes, o subproduto das usinas a carvão. “Temos montanhas disso”, disse ele. “Os resíduos da queima do carvão são óxidos de silício, alumínio, ferro e cálcio que formam vidro ao redor dos oligoelementos, tornando-os muito difíceis de extrair.” O resíduo de bauxita, às vezes chamado de lama vermelha, é o subproduto tóxico da produção de alumínio, enquanto o lixo eletrônico é de dispositivos desatualizados, como computadores e smartphones. Enquanto a extração industrial desses resíduos geralmente envolve a lixiviação com ácido forte, um processo demorado e não verde, o laboratório Rice aquece cinzas volantes e outros materiais (combinados com negro de fumo para aumentar a condutividade) a cerca de 3.000 graus Celsius (5.432 graus Fahrenheit) em um segundo. O processo transforma os resíduos em “espécies de REE ativadas” altamente solúveis. 

O pesquisador disse que o tratamento de cinzas volantes por aquecimento flash Joule “quebra o vidro que envolve esses elementos e converte fosfatos de REE em óxidos metálicos que se dissolvem muito mais facilmente”. Os processos industriais usam uma concentração de 15 molar de ácido nítrico para extrair os materiais; o processo de Rice usa uma concentração muito mais suave de 0,1 molar de ácido clorídrico que ainda produz mais produto. Em experimentos liderados pelo pesquisador de pós-doutorado e principal autor, Bing Deng, os pesquisadores descobriram que o aquecimento flash Joule de cinzas volantes de carvão (CFA) mais que dobrou o rendimento da maioria dos elementos de terras raras usando ácido muito suave em comparação com a lixiviação de CFA não tratado em ácidos fortes. “A estratégia é geral para vários resíduos”, disse Bing. “Provamos que os rendimentos de recuperação de REE foram melhorados a partir de cinzas volantes de carvão, resíduos de bauxita e resíduos eletrônicos pelo mesmo processo de ativação.”

A generalidade do processo o torna especialmente promissor, disse Bing, já que milhões de toneladas de resíduos de bauxita e lixo eletrônico também são produzidos todos os anos. “O Departamento de Energia determinou que esta é uma necessidade crítica que deve ser resolvida”, disse Tour. “Nosso processo mostra ao país que não dependemos mais da mineração prejudicial ao meio ambiente ou de fontes estrangeiras para elementos de terras raras”. O laboratório de Tour introduziu o aquecimento flash Joule em 2020 para converter carvão, coque de petróleo e lixo em grafeno, a forma de carbono com um único átomo de espessura, um processo que agora está sendo comercializado. Desde então, o laboratório adaptou o processo para converter resíduos plásticos em grafeno e extrair metais preciosos de resíduos eletrônicos.

Os coautores do estudo são os alunos de pós-graduação Xin Wang e Zhe Wang, o ex-aluno Duy Xuan Luong, o estudante Robert Carter e Mason Tomson, professor de engenharia civil e ambiental. O pesquisador Tour é o T.T. e W.F. Chao Chair em Química, bem como professor de ciência da computação e de ciência dos materiais e nanoengenharia. O Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea  e o Departamento de Energia apoiaram a pesquisa.