Caracterização e reciclagem de materiais de módulos fotovoltaicos (painéis solares)

Abstract

A busca por fontes alternativas de geração de energia tem se intensificado nos últimos anos. Uma destas alternativas é a energia solar, uma vez que é uma fonte virtualmente inesgotável e gera um impacto ambiental relativamente baixo em comparação com outras fontes de geração tradicionais. A coleta de energia solar e sua conversão em energia elétrica é possível através da utilização de painéis (módulos) fotovoltaicos. Estes painéis têm uma vida útil limitada, na média 20-25 anos, e grande parte dos painéis atualmente em uso serão substituídos por novos num futuro próximo. Assim, nos próximos anos, grandes quantidades de módulos solares serão descartados como resíduo eletrônico. A fim de recuperar matérias-primas importantes para reduzir os custos de produção e os impactos ambientais, a reciclagem desses materiais deve ser estudada e estimulada. Até o momento, existem poucos estudos publicados sobre a reciclagem de painéis fotovoltaicos de silício, sendo que esta tecnologia representa a maioria do mercado atualmente. Estes painéis contem, de uma forma geral, metais, polímeros e cerâmicos. Neste trabalho, os materiais presentes nos componentes dos painéis fotovoltaicos foram caracterizados por meio de fluorescência de raios-x, difração de raios-x, espectroscopia de dispersão de energia, espectroscopia de absorção atômica, termogravimetria e espectroscopia de infra-vermelho. A caracterização indicou que o vidro presente nos painéis é do tipo soda-cal e, uma vez segregado dos demais materiais, pode ser reciclado. Os filamentos metálicos foram identificados como cobre revestido de estanho-chumbo, o qual pode ser reciclado através de processos pirometalúrgicos conhecidos. As células fotovoltaicas dos painéis são feitas de silício de alta pureza e contem filamentos de prata ligadas a ela. A concentração de prata na célula fotovoltaica é de cerca de 16000 g/t. A moldura externa dos módulos foi identificada como alumínio e, uma vez segregada dos demais materiais, também pode ser reciclada. A avaliação de periculosidade dos módulos fotovoltaicos, de acordo com a NBR10004, indicou que esse resíduo é classificado como classe I (resíduo perigoso). Além da caracterização, foram estudadas rotas de concentração/extração de prata nos módulos, incluindo etapas de cominuição, separação granulométrica, lixiviação, precipitação e pirólise. Dentre as rotas estudadas, a que apresentou melhores resultados obedece a seguinte ordem: remoção da moldura de alumínio, moagem do resíduo, separação granulométrica, seleção da fração granulométrica menor do que 0,5 mm, lixiviação em ácido nítrico e precipitação com cloreto de sódio. Essa rota foi capaz de concentrar 75,8% da prata presente nos módulos estudados na forma de cloreto de prata.

The search for alternative power generation sources has been intensified in recent years. One of these alternatives is solar energy, since it is a virtually inexhaustible source and generates rela-tively small environmental impact compared to other traditional generation sources. The collection of solar energy and its conversion into electrical energy is possible through the use of photo-voltaic panels. These panels have a limited lifespan, 20-25 years in average, and will soon be replaced by new ones. Thus, in the near future, large amounts of solar modules will be discarded as electronic waste. In order to retrieve important raw materials, reducing production costs and environmental impacts, recycling such materials is important and should be stimulateded. To date, there are little published studies on recycling silicon photovoltaic panels though silicon technology represents the majority of the PV market. These panels contain, overall, metals, polymers and ceramics. In this paper, photovoltaic panel components were characterized through, x-ray fluorescence, x-ray diffraction, energy dispersion spectroscopy, atomic absorption spectroscopy, thermogravimetry and infrared spectroscopy. The characterization indicated the panel’s glass is a soda-lime glass, which can be reycled. The metallic filaments were identified as tin-lead coated copper, which can be recycled through known pyro metallurgical processes. The panel’ cells are made of silicon and has silver filaments attached to it. The concentration of silver in the photovoltaic cell is 16000 g/t. The external frame of the modules was identified as aluminum and, once separated from other materials, can also be recycled. A hazard evaluation of the PV modules (according to Brazilian’s NBR10004 norm) classified this waste as Class I (hazardous waste). Moreover, silver concentration/extraction routes have been studied for the modules. Milling, sieving, particle size sorting, leaching and pyrolysis have been tested. Among the studied routes, the best results follow this order: removing the aluminum frame, milling, sieving, selection of fraction size smaller than 0.5 mm, nitric acid leaching, precipitation with sodium chloride. This route was able to concentrate 75.8% of the silver present in the modules studied in the form of silver chloride.