Nova técnica extrai terras raras de resíduos de carvão

Nas antigas bacias carboníferas e junto a instalações abandonadas, acumulam-se montanhas esquecidas de resíduos industriais cinzentos, enquanto a procura de metais para tecnologias avançadas continua a crescer rapidamente.

Durante anos, estas pilhas foram encaradas como um problema de limpeza ambiental, e não como um possível tesouro. Agora, uma nova técnica de extração indica que poderão conter uma fonte vasta e largamente inexplorada de elementos de terras raras, metais que mantêm os telemóveis a funcionar, as turbinas eólicas a girar e os automóveis elétricos em circulação.

De passivo tóxico a recurso estratégico de terras raras

Os resíduos industriais do processamento de carvão foram durante muito tempo considerados material sem valor. Obstruem vales fluviais, deixam marcas na paisagem e custam milhões a monitorizar. No entanto, escondem vestígios de elementos de terras raras de que a economia tecnológica tanto necessita.

Só no estado norte-americano da Pensilvânia, os investigadores estimam que os depósitos resultantes do processamento de carvão possam conter até 137 000 toneladas de terras raras extraíveis. Trata-se de uma reserva considerável, comparável à produção de algumas minas ativas, mas presa numa matriz mineral resistente aos métodos químicos convencionais.

A extração tradicional enfrenta dificuldades porque as terras raras se encontram retidas em minerais complexos de aluminossilicatos, e não em grãos isolados dos quais possam ser facilmente lixiviadas. A trituração e a lixiviação ácida simples mal conseguem atuar sobre estes materiais. Por isso, durante décadas, a indústria descartou estes resíduos.

Novos trabalhos laboratoriais sugerem que estas pilhas «sem valor» poderão afinal constituir um dos recursos de terras raras mais acessíveis dos países industrializados.

Uma nova abordagem à extração de terras raras com micro-ondas

Uma equipa da Universidade Northeastern, nos Estados Unidos, propôs uma solução diferente. Em vez de procurar lixiviar as terras raras dos minerais no seu estado original, os investigadores começam por alterar 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 por micro-ondas, seguido de uma fase de digestão ácida

A combinação pode lembrar uma experiência de cozinha agressiva, mas assenta em princípios sólidos de mineralogia. Os resíduos de carvão contêm frequentemente caulinite, um mineral argiloso comum. Em condições fortemente alcalinas e sob aquecimento por micro-ondas, a caulinite transforma-se noutra fase mineral, chamada 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 determinante: uma rede mais aberta permite que o ácido alcance com muito mais facilidade os locais onde se encontram as 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. A difração de raios X e as medições espectroscópicas confirmaram a transformação. Depois disso, uma digestão com ácido nítrico extraiu elementos de terras raras a taxas muito superiores.

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

Os melhores resultados foram obtidos em condições bastante específicas: NaOH a cerca de 5 molar, aquecido por micro-ondas a aproximadamente 180 °C e seguido de lixiviação com ácido nítrico. Com estes parâmetros, foi limitada a formação de minerais secundários indesejáveis que podem reter os metais, facilitando a libertação das terras raras.

Metais críticos e riscos mais controlados

A equipa acompanhou também a libertação de outros metais durante o tratamento. Em muitos resíduos derivados do carvão, o urânio está presente em concentrações baixas, mas preocupantes. No novo método, uma parte significativa desse urânio passa para a solução na fase alcalina, e não na fase ácida.

Esta sequência tem importância para a segurança. A solubilização de elementos radioativos em condições alcalinas controladas pode reduzir os riscos de radiação na etapa posterior, dominada pelo ácido, em que os perigos de corrosão e de formação de aerossóis tendem a ser maiores.

Os investigadores observaram ainda que as terras raras pareciam frequentemente associadas a elementos como o magnésio, o cálcio e o ferro. A forte correlação sugere que ocupam estruturas minerais relacionadas. Assim, ao atuar sobre as fases de aluminossilicatos, o tratamento alcalino atinge simultaneamente vários metais retidos.

O que revelam os números

Segundo o estudo liderado pelo investigador Ayodeji Ajayi, publicado na revista Environmental Science & Technology e divulgado pelo ScienceAlert, os ganhos são expressivos:

Para os decisores políticos preocupados com as cadeias de abastecimento, estes números transmitem uma mensagem clara: as pilhas de resíduos poderão ajudar as economias ocidentais a proteger-se de choques geopolíticos no mercado das terras raras.

Do laboratório às regiões carboníferas

Transformar um procedimento laboratorial engenhoso num processo industrial à escala real nunca é simples. O novo método apresenta desafios próprios, a começar pelos produtos químicos e pela energia necessários.

Os tratamentos alcalinos com NaOH concentrado a altas temperaturas são dispendiosos. Embora as micro-ondas ajudem a aquecer de forma eficiente, os reatores industriais deste tipo continuam a consumir muita eletricidade. Nas regiões onde esta ainda é produzida a partir de combustíveis fósseis, existe o risco de transferir a poluição da mina para a central elétrica.

A gestão dos resíduos é outro obstáculo. Os ensaios mais eficazes tendem a recorrer a proporções sólido-líquido relativamente baixas ou a ciclos de tratamento repetidos. Ambas as abordagens geram grandes volumes de resíduos líquidos alcalinos que têm de ser neutralizados, reciclados ou rigorosamente controlados.

A possibilidade de expandir esta tecnologia dependerá de transformar esses «fluxos secundários» em fluidos de processo controláveis e, eventualmente, reutilizáveis.

Acresce que cada bacia carbonífera é diferente. A composição mineral varia de vale para vale e, por vezes, até dentro da mesma pilha de escombro. Os operadores necessitariam de formulações flexíveis, capazes de ajustar a concentração de NaOH, a temperatura e o tempo de reação ao material local.

Um possível pilar da segurança no abastecimento de terras raras

Apesar destas reservas, a ideia surge num momento politicamente sensível. As terras raras são fundamentais para a transição energética e para os sistemas de defesa modernos. Contudo, a sua produção é dominada por um pequeno número de países, entre os quais a China ocupa uma posição particularmente forte.

A possibilidade de aproveitar reservas de resíduos já existentes dá aos países importadores mais uma opção. Não é necessário abrir uma nova mina a céu aberto nem dinamit ar uma montanha intacta. Em vez disso, locais já marcados pela extração de carvão são reaproveitados, encerrando um ciclo iniciado há décadas.

Os responsáveis pelo planeamento estratégico falam cada vez mais de «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 poderão enquadrar-se bem 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. A dificuldade está no facto de raramente surgirem em concentrações elevadas. A sua extração implica muitas vezes deslocar enormes quantidades de rocha e manusear produtos químicos agressivos.

Esta categoria inclui 17 elementos, entre os quais o neodímio, o praseodímio, o disprósio e o térbio. Muitos são utilizados em ímanes permanentes potentes para motores elétricos, aparelhos 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 poderá funcionar a expansão à escala industrial

Se o método alcalino com micro-ondas atingir escala comercial, a paisagem das regiões carboníferas poderá mudar. Imagine-se uma região como a faixa de antracite da Pensilvânia, onde antigas instalações de lavagem, lagoas de rejeitados e pilhas de resíduos de carvão seriam reabilitadas não por enterramento, mas através de unidades modulares de processamento.

Essas unidades separariam os materiais, aplicariam tratamentos controlados com NaOH sob aquecimento por micro-ondas e, em seguida, extrairiam as terras raras por lixiviação em circuitos ácidos. Sempre que possível, as soluções de reagentes circulariam em circuito fechado. Os resíduos sólidos, já desprovidos de grande parte dos metais, poderiam depois ser transformados em aterros mais seguros ou em agregados para construção.

As entidades reguladoras continuariam a ter de vigiar as poeiras, os radionuclídeos e a contaminação das águas subterrâneas. Ainda assim, a pegada global poderia ser menor do que a abertura de uma nova mina de terras raras numa zona remota sem infraestruturas existentes.

Principais riscos e oportunidades para as comunidades

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

Por outro lado, o reprocessamento dos resíduos poderá criar empregos qualificados em regiões que perderam postos de trabalho ligados ao carvão. Poderá também libertar terrenos atualmente vedados por serem perigosos, depois de estabilizados os resíduos e capturados os metais.

O equilíbrio entre benefícios e riscos depende da forma como os operadores gerirem três pontos sensíveis:

• Gestão das águas alcalinas e ácidas do processo
• 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 das populações. Se forem bem tratados, poderão transformar marcas antigas na paisagem em fontes de receita, reduzindo ao mesmo tempo a dependência de metais estratégicos importados.

Para além dos resíduos de carvão

O mecanismo central deste avanço não se limita aos resíduos de carvão. Muitos subprodutos industriais, desde os rejeitados de bauxite, conhecidos como lama vermelha, até certos tipos de fosfogesso, contêm igualmente terras raras ou outros metais críticos presos em fases minerais resistentes.

Se os investigadores conseguirem ajustar transformações minerais semelhantes a esses materiais, poderá surgir uma nova geração de «refinarias de resíduos». Em vez de encarar escórias, cinzas e rejeitados como destinos finais, a indústria passaria a tratá-los como reservas intermédias, prontas para novo processamento quando a tecnologia e os preços o permitissem.

Essa mudança não apagaria os danos ambientais da era dos combustíveis fósseis. Poderia, porém, garantir que o legado das bacias carboníferas e das refinarias incluísse algo mais do que minas abandonadas e lagoas com fugas: uma reserva de metais estratégicos que esteve sempre à vista.