Reciclagem avançada de ímãs de terras raras
Os elementos de terras raras, como a pedra angular da tecnologia moderna, são indispensáveis na energia verde, nos veículos elétricos, na energia eólica e nos eletrônicos de ponta, principalmente com os ímãs de neodímio em seu núcleo. No entanto, o custo ambiental da mineração de terras raras é alto, e os riscos geopolíticos de uma cadeia de suprimentos altamente concentrada são cada vez mais evidentes. A reutilização de ímãs de terras raras não apenas reduz muito os custos de produção, mas também atenua os danos ambientais, aumenta a resiliência da cadeia de suprimentos e estende os ciclos de vida dos recursos. Com novas tecnologias, como o processo HPMS da HyProMag, a reciclagem de terras raras está se tornando o principal caminho para a obtenção de suprimentos verdes e ganhos econômicos. Os ímãs permanentes, incluindo ímã de neodímio, samário-cobalto, e alnico magnet, contêm elementos críticos de terras raras.
A estratégia de reciclagem de elementos de terras raras
Os elementos de terras raras são um grupo de elementos químicos, incluindo lantanídeos, escândio e ítrio, sendo o praseodímio e o neodímio particularmente importantes em aplicações industriais. As concentrações em minérios naturais geralmente estão abaixo de 5%. Isso torna os ímãs descartados uma "mina urbana" de alto valor. A reciclagem é o processo pelo qual esses materiais de terras raras podem ser reintroduzidos no ciclo de produção, criando assim um sistema econômico de ciclo fechado. Por outro lado, o processo de fabricação de ímãs de neodímio é extremamente complexo, envolvendo a extração e o refino de elementos de terras raras. O processo de produção inclui a mineração de minério, a separação química, a preparação de ligas e a formação de ímãs, que consomem muita energia e exigem grandes quantidades de reagentes químicos, causando facilmente danos ecológicos e poluição de recursos, o que resulta na destruição da ecologia e na poluição de recursos. Além disso, a cadeia de suprimentos de terras raras em todo o mundo está principalmente na China (o país é responsável por mais de 80% da produção). Portanto, ela é suscetível a mudanças no ambiente geopolítico e a restrições comerciais que podem levar a interrupções no fornecimento e flutuações de preço.
A reciclagem de ímãs de terras raras é uma das maneiras mais viáveis de resolver os problemas acima. A reciclagem, por meio da retirada de ímãs de NdFeB de eletrônicos descartados, veículos em fim de vida útil e equipamentos industriais, diminui a dependência de novas minas, reduz os custos de produção e melhora a eficiência dos recursos.
Os desafios da reciclagem de ímãs de terras raras
A reciclagem de ímãs de terras raras tornou-se a base do setor de energia limpa, o que proporciona uma capacidade considerável de tornar o ambiente mais verde, diminuir o risco de interrupções nos materiais de entrada e aumentar a duração dos materiais de terras raras. Embora a reciclagem de ímãs de neodímio tenha um grande potencial econômico e ecológico, a implementação real ainda está repleta de dificuldades.
1. Baixos índices de reciclagem
Apenas 1-2% de ímãs de NdFeB são reciclados globalmente, em comparação com 50% de alumínio ou 40% de cobre. Por que essa lacuna? Muitas pessoas não sabem que esses ímãs podem ser reciclados, e muitas vezes falta infraestrutura. O Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente estima que 50 milhões de toneladas de lixo eletrônico contêm até 100.000 toneladas de ímãs de NdFeB recicláveis anualmente, mas menos de 1% são recuperados.
2. Desafios técnicos na separação
Embora os ímãs de NdFeB contenham concentrações mais altas de terras raras do que os minérios naturais, eles são frequentemente misturados com materiais como plásticos, cobre e aço em produtos residuais, diluindo o conteúdo de terras raras. Por exemplo, os ímãs de NdFeB em discos rígidos descartados representam apenas 1-2% do peso total. A extração dessas baixas concentrações exige tecnologias avançadas de classificação, mas os métodos convencionais de separação física são ineficientes e têm dificuldade para obter uma recuperação de alta pureza. Os processos hidrometalúrgicos podem extrair terras raras, mas dependem de ácidos fortes e grandes volumes de água, gerando águas residuais altamente poluentes.
Os ímãs de NdFeB são normalmente revestidos com níquel, zinco ou resina epóxi para evitar a corrosão, e esses revestimentos são difíceis de remover durante a reciclagem. Além disso, muitos ímãs são fixados em produtos com adesivos complexos, o que complica ainda mais a separação devido às suas propriedades químicas.
3. Barreiras econômicas à reciclagem
Em comparação com a mineração primária de terras raras, a reciclagem de ímãs de NdFeB envolve altos investimentos iniciais e custos operacionais. As estimativas sugerem que a reciclagem de uma tonelada de ímãs de NdFeB custa aproximadamente $50-70 por quilograma, enquanto o preço de mercado das terras raras primárias varia de $30-50 por quilograma. A redução dos custos exigirá avanços tecnológicos e expansão do mercado. Para tornar a reciclagem mais acessível, os governos poderiam oferecer subsídios ou créditos de carbono, incentivando as empresas a construir mais usinas de reciclagem.
4. Aceitação do mercado e preocupações com a qualidade
A aceitação do mercado de ímãs de NdFeB reciclados depende de sua qualidade e desempenho. Alguns materiais reciclados têm desempenho inferior ao dos materiais primários devido a impurezas ou limitações do processo. Os ímãs reciclados devem ter a mesma qualidade dos novos para serem usados em aplicações de alta tecnologia, como motores de carros elétricos.
Tecnologias de reciclagem de ímãs de terras raras
Os métodos tradicionais de reciclagem, como a reutilização direta, a hidrometalurgia e a pirometalurgia, estabeleceram a base, mas seu alto consumo de energia e a poluição ambiental limitam a adoção generalizada. Nos últimos anos, tecnologias emergentes como a biolixiviação, a extração de líquido iônico e o processamento de hidrogênio estão remodelando o cenário da reciclagem de terras raras, promovendo o desenvolvimento do setor com maior eficiência e menor pegada de carbono.
1. Reutilização direta e metalurgia do pó
A reutilização direta envolve a desmontagem de ímãs de NdFeB residuais de produtos descartados e seu reprocessamento em novos ímãs. Isso é comum para ímãs com formas e propriedades que ainda atendem aos requisitos. Após a desmontagem, os ímãs são limpos, decorados e testados quanto ao desempenho; se atenderem aos padrões, podem ser usados diretamente em aplicações de baixa demanda. A metalurgia do pó tritura ainda mais os ímãs em pó, que é então sinterizado em novos ímãs. Esse método evita o processamento químico complexo e tem custos mais baixos, mas sua aplicabilidade é limitada.
2. Hidrometalurgia: Lixiviação ácida e extração por solvente
A hidrometalurgia extrai elementos de terras raras dos ímãs de NdFeB por meio de dissolução e separação química. Os ímãs residuais são primeiro dissolvidos em sais metálicos líquidos usando ácidos, seguidos de extração por solvente para separar elementos como neodímio e disprósio. Esse método atinge altas taxas de recuperação (até 95%) e pode lidar com resíduos complexos. No entanto, ele tem desvantagens significativas: o uso de grandes quantidades de ácidos fortes e solventes orgânicos gera águas residuais altamente poluentes, produzindo de 10 a 15 toneladas de águas residuais por tonelada de terras raras recuperada.
3. Pirometalurgia: Processamento em alta temperatura e arco de plasma
A pirometalurgia decompõe os ímãs de NdFeB em óxidos ou ligas metálicas por meio de fundição em alta temperatura (normalmente >1000°C), seguida de eletrólise ou redução química para extrair elementos de terras raras. A tecnologia de arco de plasma aumenta a eficiência usando plasma de alta temperatura (>6000°C) para decompor rapidamente os ímãs, adequado para o processamento de resíduos complexos com revestimentos ou adesivos. No entanto, a pirometalurgia consome muita energia, com emissões de carbono cerca de 1,5 vez maiores do que a hidrometalurgia, e as altas temperaturas podem causar volatilização de terras raras, resultando em taxas de recuperação de apenas 70-85%.
4. Biolixiviação: extração microbiana
A biolixiviação utiliza microorganismos acidófilos para extrair elementos de terras raras de ímãs residuais. Os microrganismos produzem ácidos orgânicos por meio do metabolismo, dissolvendo as terras raras em compostos separáveis. Esse método é ecologicamente correto, com muito menos poluição de águas residuais do que a hidrometalurgia e consumo de energia de cerca de um terço dos métodos tradicionais.
5. Extração com líquido iônico
Os líquidos iônicos (ILs) são solventes verdes recicláveis e de baixa volatilidade usados para substituir os solventes orgânicos na hidrometalurgia tradicional. Eles dissolvem seletivamente elementos de terras raras para separação de alta pureza. Por exemplo, os líquidos iônicos à base de imidazólio alcançam eficiências de extração de até 98% para neodímio e disprósio, com 70% a menos de geração de águas residuais.
6. Processamento de hidrogênio de sucata magnética (HPMS)
A tecnologia Hydrogen Processing of Magnet Scrap (HPMS) da HyProMag utiliza hidrogênio à pressão ambiente para decompor ímãs de NdFeB em pó de NdFeB de alta pureza. Esse processo não requer altas temperaturas ou ácidos fortes, com emissões de carbono 70% inferiores às da hidrometalurgia e taxas de recuperação acima de 90%. O pó resultante pode ser usado diretamente para sinterizar novos ímãs, com desempenho diferente dos ímãs virgens em menos de 5%.
7. CO2 supercrítico e métodos eletroquímicos
O dióxido de carbono supercrítico (SC-CO2) aproveita sua alta permeabilidade e solubilidade, combinadas com ligantes orgânicos, para extrair elementos de terras raras. Operando em alta pressão e temperatura moderada, esse método gera o mínimo de águas residuais e atinge taxas de recuperação de 85-90%. Os métodos eletroquímicos depositam seletivamente elementos de terras raras em solução por meio de eletrólise, evitando águas residuais ácidas.
8. Método do sal de cobre
O método do sal de cobre envolve a reação de ímãs de NdFeB com uma solução de sal de cobre para dissolver preferencialmente os elementos de terras raras, formando compostos separáveis. Esse método oferece altas taxas de recuperação (>95%) e uma pegada de carbono 50% menor do que a hidrometalurgia. Uma pesquisa da Universidade de Tohoku, no Japão, mostra que ele processa com eficácia ímãs revestidos com águas residuais facilmente neutralizadas. No entanto, requer uma pré-classificação precisa dos resíduos, e a reciclagem do sal de cobre precisa de mais otimização para reduzir os custos.
Resumo: O valor de longo prazo da reciclagem de terras raras
A mineração de terras raras é como usar escavadeiras gigantes para descascar a "pele" da Terra, deixando "cicatrizes" de poluição da água, degradação do solo e emissões maciças de carbono. As áreas de mineração de terras raras geram milhões de toneladas de rejeitos tóxicos anualmente, contaminando rios e terras agrícolas. A reciclagem de uma tonelada de ímãs pode reduzir aproximadamente 12 toneladas de extração de minério e 15 toneladas de emissões de águas residuais. Essa tecnologia minimiza os danos à Terra.
O projeto REE silience da UE estima que, até 2030, a reciclagem poderia atender a 15-20% da demanda de terras raras da Europa, enquanto o projeto ReCycle dos EUA visa alcançar a autossuficiência de 10% em neodímio até 2027. Os ímãs reciclados custam de 20 a 30% menos do que os minerados, tornando a reciclagem de terras raras um pilar fundamental da economia circular e uma solução de longo prazo para a sustentabilidade. A Lei de Matérias-Primas Críticas da UE determina que 15% da demanda de terras raras sejam atendidos por meio da reciclagem até 2030, e o Plano de Desenvolvimento da Economia Circular da China também está promovendo a industrialização da reciclagem de terras raras. A crescente conscientização do consumidor está criando uma demanda de mercado para a reciclagem e, a longo prazo, a reciclagem de terras raras não apenas apoia as metas de emissão líquida zero, mas também impulsiona o crescimento econômico sustentável por meio do uso eficiente de recursos.
Dedico-me a escrever artigos científicos populares sobre ímãs. Meus artigos se concentram principalmente em seus princípios, aplicações e anedotas do setor. Nosso objetivo é fornecer aos leitores informações valiosas, ajudando todos a entender melhor o encanto e a importância dos ímãs. Ao mesmo tempo, estamos ansiosos para ouvir suas opiniões sobre as necessidades relacionadas aos ímãs. Fique à vontade para nos seguir e interagir conosco enquanto exploramos juntos as infinitas possibilidades dos ímãs!
