Terras raras em resíduos de carvão com NaOH e micro-ondas

Enquanto os governos procuram novos depósitos minerais, uma via discreta está a ganhar importância num local pouco esperado: enormes acumulações de resíduos há muito abandonados.

Durante décadas, as pilhas de rejeitados industriais foram encaradas como um passivo ambiental e um encargo de manutenção. Porém, estudos recentes indicam que uma parte destes “resíduos” poderá constituir um dos recursos mais estratégicos para a transição tecnológica: uma fonte significativa de terras raras, metais indispensáveis para telemóveis, veículos elétricos, turbinas eólicas e equipamento militar de elevada precisão.

De resíduo tóxico a recurso mineiro estratégico

As chamadas terras raras não são particularmente escassas na crosta terrestre. A dificuldade reside na sua extração, que exige operações dispendiosas, com impacte ambiental e concentradas num número reduzido de países, criando dependências geopolíticas. Perante esta realidade, os cientistas voltaram a atenção para um material conhecido, mas agora sob uma nova perspetiva: os resíduos de carvão.

Só os depósitos de rejeitados de carvão da Pensilvânia, nos Estados Unidos, poderão conter até 137 mil toneladas de terras raras economicamente aproveitáveis. Este material resulta do processamento do carvão antes da sua queima em centrais e instalações industriais. Aquilo que antes era considerado um simples resíduo sem valor começa a ser visto como uma reserva mineral estratégica.

Os mesmos resíduos que ocupam vales inteiros e geram preocupação ambiental podem se transformar em uma das principais fontes urbanas de metais críticos.

A principal limitação tem sido tecnológica. As terras raras estão presentes, mas encontram-se “retidas” numa complexa matriz mineral, como se estivessem cimentadas em estruturas de argilas e silicatos. Os métodos convencionais de lixiviação ácida conseguem recuperar uma parte destes metais, mas com rendimentos reduzidos, custos elevados e produção considerável de efluentes agressivos.

Como o tratamento alcalino com micro-ondas altera a extração

Investigadores da Northeastern University, nos Estados Unidos, desenvolveram um método que atua precisamente sobre o “bloqueio” mineral que aprisiona as terras raras. Em vez de aplicar diretamente ácido aos rejeitados, o processo inicia-se com um tratamento alcalino utilizando hidróxido de sódio (NaOH), seguido de aquecimento rápido por micro-ondas.

Nesta fase inicial, a estrutura cristalina dos minerais é alterada. Um caso essencial é a conversão da caulinite, uma argila frequente nestes resíduos, numa fase denominada hidrossodalite, cuja estrutura é mais porosa e reativa.

Ao redesenhar os minerais por dentro, o processo abre caminhos para que o ácido, aplicado depois, alcance com muito mais facilidade os metais críticos escondidos.

Os ensaios realizados com amostras industriais revelaram que este pré-tratamento alcalino, efetuado a cerca de 180 °C com uma solução de NaOH 5 M sob micro-ondas e seguido de digestão com ácido nítrico, quase triplica o rendimento de extração de terras raras face às rotas convencionais.

O que sucede no interior das partículas de resíduo

À medida que a caulinite se dissolve ou é transformada em hidrossodalite, a porosidade do sólido aumenta. A área da superfície interna expande-se e formam-se canais e cavidades. Estas alterações tornam mais fácil a entrada do ácido e a libertação de elementos como o neodímio e o cério, fundamentais para ímanes permanentes de alto desempenho utilizados em motores elétricos e discos rígidos.

As análises por espectroscopia e difração de raios X confirmaram estas alterações mineralógicas. Há ainda outro aspeto importante: uma parte do urânio existente nos resíduos é solubilizada durante a fase alcalina, o que contribui para diminuir os riscos radioativos na etapa seguinte de ataque ácido.

Os resultados também indicam que as terras raras surgem habitualmente associadas a elementos como magnésio, cálcio e ferro. Isto sugere que muitos destes metais ocupam a mesma “estrutura” mineral, reforçando a necessidade de atuar de forma direcionada nas fases alumino-silicatadas para libertar o conjunto completo de metais de interesse.

Dos ensaios laboratoriais à escala industrial: os desafios concretos

O potencial técnico é expressivo, mas converter este processo numa linha de produção não é simples. Há fatores económicos e ambientais que têm de ser equilibrados. O consumo de reagentes, a energia necessária para o aquecimento por micro-ondas e a gestão dos efluentes alcalinos terão de integrar um modelo de negócio competitivo, idealmente ligado a outras cadeias industriais.

A composição dos resíduos de carvão não é uniforme: varia entre minas e pode mesmo diferir entre camadas do mesmo depósito. Por isso, é necessária uma calibração rigorosa de parâmetros como a concentração de NaOH, o tempo de exposição às micro-ondas, a temperatura, a proporção entre sólido e líquido e o número de ciclos de tratamento.

• Reagentes necessários: solução concentrada de NaOH e ácido nítrico
• Energia: sistema de aquecimento por micro-ondas à escala industrial
• Controlo do processo: ajuste contínuo em função da mineralogia de cada lote de resíduo
• Gestão de efluentes: tratamento ou reutilização das soluções alcalinas e ácidas
• Licenciamento: conformidade ambiental e monitorização de radionuclídeos como o urânio

Os cenários de extração mais eficazes, incluindo os que recorrem a um baixo volume de líquido em relação ao sólido ou a vários ciclos de ataque químico, tendem a produzir grandes volumes de soluções residuais. Estas também exigem tratamento e, preferencialmente, reciclagem.

O sucesso industrial passa por encaixar essa rota em uma cadeia mais ampla, onde o reagente de hoje vira insumo de amanhã, reduzindo custos e impacto ambiental.

Uma nova variável na segurança de abastecimento mineral

Governos e empresas procuram opções que reduzam a dependência de um pequeno grupo de fornecedores mundiais de terras raras. A recuperação destes metais a partir de resíduos já existentes oferece três vantagens: reduz a necessidade de abrir novas minas, contribui para a descontaminação de zonas degradadas por rejeitados e reforça a segurança de abastecimento em setores estratégicos, das energias renováveis à defesa.

Na prática, os países com um passado ligado à mineração de carvão ou a outras atividades intensivas em recursos naturais acumulam um “arquivo morto” de resíduos que poderá transformar-se num ativo crítico. Grandes barragens de rejeitados, depósitos de cinzas e pilhas de materiais armazenados podem ser reavaliados com base no seu teor de terras raras.

Conceitos que importa esclarecer

A designação “terras raras” abrange um grupo de 17 elementos químicos, maioritariamente lantanídeos, incluindo lantânio, neodímio, praseodímio, disprósio e térbio. Estes elementos são cruciais para as tecnologias atuais porque reúnem propriedades magnéticas, óticas e catalíticas difíceis de substituir.

Por sua vez, a expressão “mineração urbana” descreve a procura de metais valiosos em resíduos industriais, eletrónicos e urbanos, em vez de depender exclusivamente de jazidas naturais. O processo que combina NaOH e micro-ondas enquadra-se nesta lógica, introduzindo uma abordagem mineralógica mais sofisticada na valorização de rejeitados.

Cenários futuros e riscos envolvidos

Um dos cenários possíveis passa pela instalação de unidades-piloto em regiões com grandes depósitos de rejeitados de carvão. Nesses locais, instalações compactas poderiam testar várias combinações de temperatura, concentração de reagentes e duração do tratamento por micro-ondas, ajustando o processo lote a lote de acordo com a mineralogia local.

Os riscos abrangem questões ambientais e de mercado. Caso os custos energéticos aumentem ou os preços das terras raras desçam excessivamente, os projetos poderão deixar de ser viáveis. Por outro lado, falhas no tratamento das soluções alcalinas e ácidas podem criar novos passivos, precisamente aquilo que esta tecnologia procura evitar.

Para os profissionais que trabalham em planeamento energético, economia verde ou políticas industriais, este tema assume uma dimensão estratégica. Os rejeitados que atualmente apenas ocupam espaço e preocupam as comunidades poderão, dentro de alguns anos, ser considerados reservas críticas. A competição deixará de se limitar a quem possui a mina mais rica e passará também por quem consegue conceber o processo químico mais eficaz para extrair valor daquilo que já foi posto de parte.