Biorrecuperação de terras raras a partir do resíduo de lâmpadas fluorescentes

Abstract

Os elementos terras raras são de extrema importância para o desenvolvimento de tecnologias verdes, tanto as atuais quanto as futuras, e isso se deve as suas propriedades ópticas, redox e magnéticas singulares. A mineração desses metais apresenta problemáticas, poucos depósitos são viáveis para exploração e os minerais são complexos e diversos. Além disso, o processo é custoso do ponto de vista ambiental e econômico. A China domina a cadeia produtiva de terras raras, sendo o principal país exportador e gerando dependência dos demais países pela importação, o que torna alguns metais críticos e caros. Com a crescente necessidade de garantir um estoque doméstico e com as preocupações ambientais, a reciclagem de resíduos eletroeletrônicos ganha destaque, pois representam uma fonte potencial de metais e auxilia na diminuição dos impactos ambientais, o que vai na direção de uma Economia Circular. As lâmpadas fluorescentes são portadoras de quantidades significativas de algumas terras raras, sendo produzidas em larga escala e descartadas de modo inadequado, o que gera um desperdício dos metais e aumento da poluição. A biohidrometalurgia é uma técnica que utiliza microrganismos para produzir insumos capazes de solubilizar os metais de interesse, sendo uma técnica ambientalmente amigável, simples e barata. O objetivo do trabalho é processar o resíduo de lâmpadas fluorescentes esgotadas através da biolixiviação para a recuperação de terras raras. Para isso, foi realizado o cultivo das bactérias A. thiooxidans e A. ferrooxidans, que produzem H2SO4 e Fe3+, respectivamente. Para garantir um volume maior de ácido e de ferro, foi feita uma etapa de bioprodução desses insumos, que foram utilizados em ensaios subsequentes de biolixiviação com meio oxidado. Os ensaios de biolixiviação contaram com 3 sistemas: biolixiviação com ácido, com ferro, e com ácido e ferro. O resíduo inicial das lâmpadas e os resíduos sólidos de biolixiviação foram caracterizados por DRX e ICP-MS como forma de comparar o antes e o depois do processo e para verificar a quantidade de terras raras extraída. Inicialmente, 6 terras raras estavam presentes: ítrio, európio, cério, lantânio, térbio e gadolínio (ordem de concentração decrescente). Em todos os sistemas houve extração de 100% de ítrio e 80-85% de európio dentro de 3-5 dias, sendo que a extração dos demais elementos foi inexpressiva devido a estrutura refratária das suas fases cristalinas. A A. ferrooxidans apresentou atividade de crescimento durante a biolixiviação com ferro, se mostrando tolerante ao resíduo das lâmpadas, e por isso foi considerado o sistema mais eficiente. Ítrio e európio são considerados metais críticos pois são insubstituíveis em suas aplicações, e a extração desses elementos em pouco tempo juntamente a rápida bioprodução de insumos abre um precedente para o aumento na escala dos experimentos. As lâmpadas se mostraram um resíduo adequado para a obtenção desses metais, e técnicas mecânicas podem auxiliar na extração dos demais elementos, o que demonstra o potencial do bioprocesso elaborado, que pode vir a garantir um suprimento de terras raras mais estável de uma forma mais sustentável, diminuindo a necessidade por matérias-primas virgens e tratando de um problema ambiental ao mesmo tempo.

Rare earth elements are extremely important for the development of green technologies, both current and future, and this is due to their unique optical, redox and magnetic properties. Mining these metals presents problems, few deposits are viable for exploration and the minerals are complex and diverse. Furthermore, the process is costly from an environmental and economic point of view. China dominates the rare earth production chain, being the main exporting country and generating dependence on other countries for imports, which makes some metals critical and expensive. With the growing need to guarantee a domestic stock and environmental concerns, the recycling of electronic waste is gaining prominence, as it represents a potential source of metals and helps reduce environmental impacts, which moves towards a Circular Economy. Fluorescent lamps carry significant amounts of some rare earths, being produced on a large scale and discarded inappropriately, which generates waste of metals and increases pollution. Biohydrometallurgy is a technique that uses microorganisms to produce inputs capable of solubilizing the metals of interest, being an environmentally friendly, simple and cheap technique. The objective of the work is to process the waste from exhausted fluorescent lamps through bioleaching to recover rare earths. For this, the bacteria A. thiooxidans and A. ferrooxidans were cultivated to produce H2SO4 and Fe3+, respectively. To guarantee a greater volume of acid and iron, a bioproduction step of these inputs was carried out, which were used in subsequent bioleaching tests with spent medium. The bioleaching tests included 3 systems: bioleaching with acid, with iron, and with acid and iron. The initial residue from the lamps and the solid bioleaching residues were characterized by XRD and ICP-MS as a way of comparing before and after the process and to verify the amount of rare earths extracted. Initially, 6 rare earths were present: yttrium, europium, cerium, lanthanum, terbium and gadolinium (in descending order of concentration). In all systems, 100% yttrium and 80-85% europium were extracted within 3-5 days, with the extraction of the other elements being insignificant due to the refractory structure of their crystalline phases. A. ferrooxidans showed growth activity during bioleaching with iron, proving tolerant to the lamp residue, and therefore it was considered the most efficient system. Yttrium and europium are considered critical metals as they are irreplaceable in their applications, and the extraction of these elements in a short time together with the rapid bioproduction of inputs sets a precedent for increasing the scale of experiments. The lamps proved to be a suitable residue for obtaining these metals, and mechanical techniques can help in the extraction of the other elements, which demonstrates the potential of the elaborate bioprocess, which can guarantee a more stable supply of rare earths in a more sustainable way, reducing the need for virgin raw materials and addressing an environmental problem at the same time.