Resíduos de carvão podem tornar-se uma fonte estratégica de terras raras

Em antigas regiões mineiras de carvão e instalações abandonadas, acumulam-se montanhas de resíduos industriais cinzentos, deixadas ao abandono, enquanto a procura por metais de alta tecnologia continua a aumentar.

Durante anos, estes amontoados foram encarados como um problema de descontaminação, e não como um possível tesouro. Uma nova técnica de extração indica agora que poderão esconder uma fonte enorme e em grande medida inexplorada de elementos de terras raras, os metais que mantêm os smartphones a funcionar, as turbinas eólicas a rodar e os carros elétricos em circulação.

De passivo tóxico a ativo estratégico

Os resíduos industriais do processamento de carvão foram, durante muito tempo, considerados matéria sem utilidade. Obstruem vales fluviais, degradam paisagens e exigem milhões em monitorização. No entanto, estes depósitos contêm vestígios de elementos de terras raras (ETR) de que a economia tecnológica necessita urgentemente.

Só no estado norte-americano da Pensilvânia, os investigadores calculam que os depósitos resultantes do processamento de carvão poderão conter até 137.000 toneladas de terras raras extraíveis. Não se trata de uma reserva insignificante. Equipara-se à produção de algumas minas em funcionamento, mas está aprisionada numa matriz mineral persistente que resiste à química convencional.

Os métodos de extração tradicionais têm dificuldades porque as terras raras estão retidas em minerais aluminosilicatos complexos, em vez de se encontrarem em grãos distintos e facilmente lixiviáveis. A britagem e a lixiviação básica com ácido quase não produzem efeito. Por isso, durante décadas, a indústria descartou estes resíduos.

Novos trabalhos laboratoriais sugerem que aqueles montes “sem valor” podem, na realidade, constituir um dos recursos de terras raras mais acessíveis dos países industrializados.

Uma nova abordagem com micro-ondas para a extração de terras raras

Uma equipa da Northeastern University, nos EUA, propôs uma via diferente. Em vez de tentar lixiviar as terras raras dos minerais no seu estado original, os investigadores alteram primeiro os minerais e só depois extraem os metais.

O processo assenta em duas etapas principais:

• Um tratamento alcalino com hidróxido de sódio concentrado (NaOH)
• Aquecimento rápido com energia de micro-ondas, seguido de uma fase de digestão ácida

A combinação pode parecer uma experiência agressiva de cozinha, mas baseia-se numa mineralogia sólida. Os resíduos de carvão contêm frequentemente caulinite, um mineral argiloso comum. Sob condições fortemente alcalinas e aquecimento por micro-ondas, a caulinite transforma-se noutra fase, denominada hidrossodalite.

Porque é importante a transformação mineral

A hidrossodalite é mais porosa e reativa do que a argila original. Esta alteração da textura e da estrutura é decisiva: uma estrutura mais aberta permite que o ácido alcance com muito maior facilidade os locais que contêm terras raras.

Em ensaios com amostras reais de resíduos industriais, os investigadores observaram que a caulinite praticamente se dissolvia ou se reorganizava nesta nova fase porosa. As medições por difração de raios X e espectroscopia confirmaram a transformação. Após essa alteração, uma digestão subsequente com ácido nítrico removeu elementos de terras raras a taxas muito superiores.

O protocolo otimizado quase triplicou o rendimento de extração de terras raras essenciais, como o neodímio e o cério.

O ponto ideal foi atingido em condições bastante específicas: cerca de 5 molar de NaOH, aquecido a aproximadamente 180 °C com micro-ondas, e posteriormente submetido a lixiviação com ácido nítrico. Nesses parâmetros, limitou-se a formação de minerais secundários indesejáveis que podem reter metais, permitindo que as terras raras fossem libertadas mais facilmente.

Metais críticos, riscos mais controlados

A equipa acompanhou também outros metais libertados ao longo do tratamento. Em muitos resíduos derivados do carvão, o urânio surge em concentrações baixas, mas preocupantes. Neste novo método, uma grande parte desse urânio passa para a solução durante a fase alcalina, e não na fase ácida.

A ordem das etapas é relevante para a segurança. Solubilizar elementos radioativos em condições alcalinas controladas pode reduzir os riscos de radiação na fase posterior, mais intensiva em ácido, onde os riscos de corrosão e de aerossóis tendem a ser maiores.

Verificou-se ainda que as terras raras pareciam estar frequentemente associadas a elementos como o magnésio, o cálcio e o ferro. A forte correlação indica que ocupam estruturas minerais relacionadas. Assim, direcionar o tratamento alcalino para as fases aluminosilicatas atua simultaneamente sobre mais do que um metal aprisionado.

O que revelam os números

De acordo com o estudo liderado pelo investigador Ayodeji Ajayi, publicado na Environmental Science & Technology e noticiado pela ScienceAlert, os ganhos são expressivos:

Para decisores políticos preocupados com as cadeias de abastecimento, estes números transmitem uma mensagem clara: os montes de resíduos podem proteger as economias ocidentais contra choques geopolíticos no mercado das terras raras.

Do laboratório às regiões do carvão

Transformar um procedimento laboratorial inteligente num processo industrial à escala total nunca é simples. O novo método apresenta desafios próprios, começando pelos produtos químicos e pela energia necessários.

Realizar tratamentos alcalinos com NaOH concentrado a temperaturas elevadas não é barato. As micro-ondas contribuem para um aquecimento eficiente, mas os reatores industriais deste tipo continuam a consumir uma quantidade significativa de eletricidade. Em regiões onde a eletricidade ainda depende de combustíveis fósseis, existe o risco de transferir a poluição do local mineiro para a central elétrica.

A gestão dos resíduos é outro obstáculo. Os ensaios mais eficazes tendem a recorrer a rácios sólido–líquido relativamente baixos ou a ciclos repetidos de tratamento. Ambas as opções geram grandes volumes de resíduos líquidos alcalinos, que terão de ser neutralizados, reciclados ou rigorosamente controlados.

A possibilidade de esta tecnologia ser ampliada dependerá de transformar esses “fluxos secundários” em fluidos de processo controláveis e, possivelmente, reutilizáveis.

Além disso, cada bacia carbonífera é diferente. A composição mineral varia de vale para vale e, por vezes, dentro do mesmo monte de estéreis. Os operadores necessitariam de receitas flexíveis, capazes de ajustar a concentração de NaOH, a temperatura e o tempo de reação ao material local.

Um potencial pilar da segurança das terras raras

Mesmo com estas limitações, o conceito surge num momento politicamente sensível. As terras raras estão no centro da transição energética e dos sistemas de defesa modernos. Contudo, a sua produção é dominada por um pequeno número de países, com a China numa posição particularmente forte.

A capacidade de aproveitar reservas de resíduos já existentes oferece outra alternativa aos países importadores. Não é necessário abrir uma nova cava nem explodir uma montanha intacta. Em vez disso, locais já marcados pela mineração de carvão podem ser retrabalhados para uma segunda vida, fechando um ciclo iniciado há décadas.

Os planeadores estratégicos falam cada vez mais em “mineração urbana” e “recursos secundários” - a extração de metais de produtos e resíduos, em vez de rocha virgem. Os resíduos de carvão tratados através deste tipo de transformação mineral poderiam encaixar plenamente nesta mudança.

O que são as terras raras e porque são importantes

Apesar do nome, os elementos de terras raras não são especialmente escassos na crosta terrestre. O problema é que raramente aparecem em concentrações elevadas. A sua extração envolve, muitas vezes, a movimentação de enormes volumes de rocha e a utilização de produtos químicos agressivos.

Esta categoria inclui dezassete elementos, entre os quais neodímio, praseodímio, disprósio e térbio. Muitos são usados em ímanes permanentes potentes para motores elétricos, equipamentos de ressonância magnética, turbinas eólicas e auscultadores. Outros funcionam como fósforos em ecrãs ou como catalisadores na refinação de petróleo.

As terras raras leves, como o neodímio e o cério, são atualmente extraídas em volumes muito superiores aos das terras raras pesadas, mas ambos os grupos têm importância estratégica. Qualquer processo que torne a sua recuperação mais barata ou mais limpa atrai rapidamente o interesse de fabricantes de automóveis, empresas de eletrónica e organismos de defesa.

Como poderia ser a ampliação à escala industrial

Se o método alcalino–micro-ondas alcançar escala comercial, a futura paisagem das regiões carboníferas poderá ser diferente. Imagine-se uma zona como a faixa de antracite da Pensilvânia: antigas instalações de lavagem, lagoas de rejeitados e montes de resíduos de carvão recuperados não através do seu enterramento, mas do seu processamento em unidades modulares.

Estas unidades separariam o material, aplicariam tratamentos controlados de NaOH sob aquecimento por micro-ondas e, em seguida, lixiviariam as terras raras em circuitos ácidos. Sempre que possível, as soluções de reagentes circulariam em sistemas fechados. Os resíduos sólidos, já libertos de grande parte do seu conteúdo metálico, poderiam depois ser remodelados em aterros mais seguros ou agregados para construção.

Os reguladores continuariam a ter de vigiar poeiras, radionuclídeos e contaminação das águas subterrâneas. Ainda assim, a pegada global poderia ser menor do que a abertura de uma nova mina de terras raras numa área remota sem infraestruturas existentes.

Riscos e oportunidades essenciais para as comunidades

As comunidades que vivem perto de locais com resíduos de carvão ouviram muitas promessas ao longo dos anos. Qualquer novo projeto de terras raras será alvo de um escrutínio compreensível. Os residentes vão exigir respostas claras sobre a qualidade do ar, o tráfego de camiões, o ruído e a monitorização a longo prazo.

Pelo lado positivo, o reprocessamento dos resíduos poderá criar empregos qualificados em regiões que perderam emprego no setor do carvão. Poderá também libertar terrenos atualmente vedados por serem considerados perigosos, depois de os resíduos serem estabilizados e os metais capturados.

A contrapartida depende da forma como os operadores gerem três aspetos sensíveis:

• Gestão das águas de processo alcalinas e ácidas
• Controlo de elementos radioativos, como o urânio e o tório
• Partilha transparente dos dados de monitorização com as autoridades locais

Se forem mal geridos, estes fatores poderão consolidar a resistência pública. Se forem tratados de forma adequada, poderão transformar marcas antigas na paisagem em fontes de receita, reduzindo simultaneamente a dependência de metais estratégicos importados.

Para lá dos resíduos de carvão

O mecanismo no centro desta descoberta não se limita aos resíduos de carvão. Muitos subprodutos industriais - desde rejeitados de bauxite, conhecidos como lama vermelha, até determinados tipos de fosfogesso - também contêm terras raras ou outros metais críticos presos em fases minerais resistentes.

Se os investigadores conseguirem ajustar transformações minerais semelhantes nestes materiais, poderá surgir uma nova geração de “refinarias de resíduos”. Em vez de tratar escórias, cinzas e rejeitados como pontos finais, a indústria passaria a vê-los como reservas intermédias, prontas para uma segunda passagem quando a tecnologia e os preços coincidirem.

Esta mudança não apagaria os danos ambientais da era dos combustíveis fósseis. Mas poderia, pelo menos, assegurar que o legado das regiões carboníferas e das refinarias inclui mais do que cavas abandonadas e lagoas com fugas: uma reserva de metais estratégicos que estava escondida à vista de todos.