Obtenção de solução concentrada em lítio e cobalto a partir de baterias de íons de lítio através da combinação de processos hidrometalúrgicos de baixo impacto ambiental

Abstract

Em uma única bateria de íons de lítio (BIL) encontra-se tipicamente 5-7% em massa de lítio, 5-20% de cobalto, além de uma quantidade considerável de cobre, alumínio e manganês, entre outros metais. Apesar das variações encontradas na composição do material catódico entre baterias de diferentes modelos e marcas, as elevadas concentrações de metais em relação àquelas identificadas em matérias-primas virgens tornam as baterias de íons de lítio (BIL) fontes secundárias cada vez mais importantes de metais de valor. Por esse motivo, o desenvolvimento e otimização de sistemas que visam à recuperação destes componentes têm sido o foco de muitos estudos. A associação de processamento mecânico a técnicas hidrometalúrgicas vem sendo eficientemente utilizada na recuperação de metais de valor presentes em BIL e demais resíduos de origem tecnológica. O presente estudo visa o desenvolvimento de um processo para a separação dos metais encontrados majoritariamente na fração sólida inferior a 1mm obtida após dois passos simples de moagem e peneiramento, especificamente lítio, cobalto, manganês e níquel. A fim de minimizar a produção de efluentes e reduzir o impacto causado pelo uso de reagentes tóxicos, este trabalho foca-se no desenvolvimento de uma rota de reciclagem que seja ecologicamente correta e também eficiente na recuperação de metais. Até o presente momento, as técnicas de reciclagem hidrometalúrgicas aplicadas a esses dispositivos vêm utilizando principalmente ácidos nocivos ao meio ambiente, como o H2SO4, HCl e HNO3. A presente investigação visa avaliar o uso do ácido orgânico e biodegradável DL-málico como agente de lixiviação alternativo aos ácidos inorgânicos, associado a uma etapa posterior de extração por solvente empregando ácido bis-(2-etil-hexil) fosfórico (D2EHPA) diluído em querosene. A extração de metais a partir da fase orgânica utilizando ácido DL-málico também foi estudada. Este procedimento promove a recuperação de metais e a regeneração da fase orgânica para futuras extrações. A combinação de técnicas estudada, visando desempenho ambiental adequado, apresentou resultados promissores na separação de cobalto, lítio e manganês a partir da sucata de BIL. O ácido DL-málico 1,5 M demonstrou elevada eficiência no que diz respeito à lixiviação dos metais de interesse nesse estudo, atingindo 96% para cobalto e 100% para lítio e manganês em relação aos valores obtidos por digestão em água régia. Nos experimentos de extração de solvente, foi possível concentrar lítio e cobalto na fase aquosa enquanto contaminantes como manganês e ferro foram extraídos para a fase orgânica, especialmente para valores de pH inferior a 3. O processo de esgotamento por ácido DL-málico 1,5 M e 3 M necessita averiguações mais aprofundadas, porém provou-se capaz de recuperar parte do lítio e cobalto que havia sido extraída para o solvente, enquanto ferro e manganês mantiveram-se na fase orgânica, possibilitando a separação de metais e resultando em uma solução aquosa rica em lítio e cobalto e livre de contaminantes.

In one single Li-ion battery it is typically found 5-7% lithium, 5-20% cobalt, in addition to considerable amounts of copper, aluminum and manganese, among other metals. These metals hold strategic importance both as commodities and industrial resource for many different applications, including the electronic sector itself, and can be separated by the combination of different techniques of mechanical and hydrometallurgical processes. Despite the variations that can be found in the composition of the cathodic material of batteries from different models and brands, the average grade of metals contained in these devices is much higher than the highest grade minerals and are rich specially in cobalt, lithium and manganese. Therefore, Li-ion batteries (LIB) become increasingly important secondary sources of these metals, and the development and optimization of systems aiming the recovery of these components has been the focus of many studies in the field. Employing environmentally friendly techniques is nowadays essential in every industrial as well as research efforts. Mechanical processes associated with hydrometallurgical systems have been proved an efficient combination in the recovery of valuable metals from LIB and in meeting environmental demands. The present study focused on developing a system to separate individually the metals mostly found in the fraction below 1mmobtained after the two simple mechanical processes steps of milling and sieving, which are lithium, cobalt, manganese and nickel. In order to minimize the generation of effluents and reduce the impact caused by the use of highly toxic reagents, this work focused in developing environmentally adequate techniques which are also efficient in metal recovery. Hydrometallurgical recycling techniques used for such devices generally involve the use of environmentally hazardous acids, such as the H2SO4, HCl and HNO3. This study aims to study the use of biodegradable organic acid, DL-malic acid as a leaching agent alternative to the inorganic acids normally used, associated to a following solvent extraction step employing Di-(2-ethylhexyl) phosphoric acid (D2EHPA) diluted in kerosene. The stripping of metals from the organic phase using different concentrations of DL-malic acid was also studied. This procedure promotes the recovery of metals and regeneration of organic phase for further extractions. This association of techniques for adequate environmental performance and high efficiency has presented promising results in the separation of cobalt, lithium and manganese from waste lithium-ion batteries. DL -malic acid 1.5 M proved high efficiency leaching the target metals of this study, reaching 96% for cobalt and 100% for manganese and lithium with respect to the results obtained by aqua regia digestion. The solvent extraction experiment allowed the concentration of lithium and cobalt in the aqueous phase, while contaminants such as manganese and iron were extracted into the organic phase, especially at pH values below 3. The stripping stage via DL- malic acid 1.5 M and 3 M demands deeper investigation, but it was proved capable to recover part of lithium and cobalt which had been previously extracted into the solvent, while iron and manganese remained in the organic phase, allowing the separation of metals and resulting in an aqueous solution rich in lithium and cobalt and free from contaminants.