Produção biológica de ácido sulfúrico e seu emprego na extração de terras raras de fosfogesso

Abstract

O Brasil é um dos países com maiores reservas de terras raras (TR) do mundo, mas não produz estes elementos por falta de tecnologia e impedimentos legais. Uma alternativa com potencial de alteração deste cenário é a extração a partir de resíduos urbanos ou industriais, como por exemplo o fosfogesso, material obtido do processamento da rocha fosfórica para obtenção de fósforo para produção de fertilizantes. Este é um resíduo abundante, que em muitos casos está associado a elementos terras raras, tório e urânio. Considerando que as TR estão presentes no fosfogesso predominantemente na forma de seus respectivos fosfatos, o emprego de ácido sulfúrico é uma forma efetiva de realizar a extração destes elementos. Entretanto, como há necessidade de utilizar grandes quantidades deste reagente, o custo do produto final se torna elevado, o que traz a necessidade de formas alternativas de extração. Neste aspecto, a presente tese apresenta o estudo da produção de ácido sulfúrico por micro-organismos acidofílicos visando a aplicação do ácido produzido na extração de terras raras. Para isso foi realizada coleta de amostras de drenagem ácida de mina, que foram submetidas a condições de crescimento de micro-organismos acidofílicos a 30 e 65 oC. Posteriormente foram empregados em ensaios de produção de ácido sulfúrico nas duas condições de temperatura e comparados com a produção da Acidithiobacillus thiooxidans. Neste experimento foi possível determinar que as três cepas utilizadas produziram 0,17; 0,10 e 0,04 mol H+ L-1 em 45 dias. Entretanto, nenhuma das cepas foi capaz de produzir mais do que a At. thiooxidans, que alcançou 0,25 mol H+ L-1 no mesmo tempo de experimento. Por esse motivo apenas esta bactéria foi utilizada para estudos em reator, no qual foram estudadas dois impelidores na presença e ausência de elementos traço. Neste experimento foi possível determinar que a adição de elementos traço não faz com que seja produzido mais ácido ao final, mas acelera a produção inicial e reduz a fase lag de crescimento. O emprego do impelidor do tipo hélice naval resultou na maior produção de ácido sulfúrico ao final do experimento. O ácido produzido foi empregado na extração de terras raras do fosfogesso que na condição de biolixivição two-step apresentou rendimento de 98% para neodímio e ≈ 60% para demais elementos TR. As formas de controle desta condição mostraram que o consumo ácido do fosfogesso eleva o pH do meio e prejudica o metabolismo da bactéria, o que resulta na menor produção de ácido da biolixiviação one-step. Após lixiviados, os elementos TR foram submetidos a precipitação com ácido oxálico concentrado, resultando na recuperação de 60% do total de TR presentes em 300 g de fosfogesso, mas concentrados em 0,92 g de oxalatos de terras raras, provando a eficácia do processo apresentado.

Brazil is one of the countries with the largest rare earth (TR) reserves in the world, but does not produce these elements due to lack of technology and legal impediments. An alternative with the potential to change this scenario is the extraction from urban or industrial waste, such as phosphogypsum, material obtained from the processing of phosphoric rock to obtain phosphorus for the production of fertilizers. This is an abundant residue, which in many cases is associated with rare earth elements, thorium and uranium. Considering that REE are predominantly present in phosphogypsum in the form of their respective phosphates, the use of sulfuric acid is an effective way to extract these elements. However, as there is a need to use large amounts of this reagent, the cost of the final product becomes high, which brings the need for alternative forms of extraction. In this aspect, this thesis presents the study of the production of sulfuric acid by acidophilic microorganisms aiming at the application of the acid produced in the extraction of rare earths. For this, acid mine drainage samples were collected, which were subjected to growth conditions for acidophilic microorganisms at 30 and 65 oC. Subsequently, they were used in tests of sulfuric acid production under the two temperature conditions and compared with the production of Acidithiobacillus thiooxidans. In this experiment it was possible to determine that the three strains used produced 0,17; 0,10 and 0,04 mol H+ L -1 in 45 days. However, none of the strains was able to produce more than At. thiooxidans, which reached 0.25 mol H+ L -1 in the same experiment time. For this reason, only this bacterium was used for reactor studies, in which two impellers were studied in the presence and absence of trace elements. In this experiment it was possible to determine that the addition of trace elements does not produce more acid at the end, but accelerates the initial production and reduces the lag phase of growth. The use of a naval propeller type impeller resulted in the highest production of sulfuric acid at the end of the experiment. The acid produced was used in the extraction of rare earths from phosphogypsum, which in the two-step bioleaching condition showed a yield of 98% for neodymium and ≈ 60% for other RE elements. The ways of controlling this condition showed that the acidic consumption of phosphogypsum raises the pH of the medium and impairs the metabolism of the bacteria, which results in less acid production in the one-step bioleaching. After leaching, the TR elements were subjected to precipitation with concentrated oxalic acid, resulting in the recovery of 60 % of the total REE present in 300 g of phosphogypsum, but concentrated in 0,92 g of rare earth oxalates, proving the effectiveness of the process proposed.