A lixiviação ultrassónica transforma a reciclagem de baterias e a mineração urbana

As baterias usadas e os resíduos eletrónicos estão repletos de materiais valiosos, como lítio, níquel, manganês e cobalto, essenciais para satisfazer a procura crescente nos setores das energias renováveis e dos veículos elétricos. A mineração urbana – o processo de recuperação destes metais a partir de baterias descartadas e de outros resíduos eletrónicos – é uma via promissora para uma economia circular, reduzindo a necessidade de extração mineira de matérias-primas virgens e minimizando os resíduos. Uma técnica fundamental neste domínio é a sonicação, que tem demonstrado enormes benefícios no aumento das taxas de recuperação de metais, na redução dos tempos de processamento e na melhoria da sustentabilidade.

O poder da sonicação na reciclagem de baterias e na mineração urbana: uma mudança decisiva para a recuperação sustentável de recursos

Um estudo recente de Canciani et al. (2024) explora os efeitos da cavitação ultrassónica – pequenas ondas de choque criadas por ondas ultrassónicas de elevada intensidade – no processo de lixiviação para a reciclagem de baterias. A investigação mostra que a sonicação não constitui apenas uma melhoria modesta da reciclagem tradicional; altera fundamentalmente a forma como o processo de reciclagem interage com o material das baterias, tornando-o mais rápido, mais eficiente e menos dependente de produtos químicos agressivos.
Leia abaixo mais informações sobre os resultados do estudo!

A lixiviação ácida intensificada por ultrassons decorre a uma velocidade doze vezes superior à da lixiviação ácida convencional, devido à ação mecânica benéfica das bolhas de cavitação que rebentam junto à superfície. Este fenómeno melhora a mistura da solução ácida, melhorando assim as propriedades de transporte.
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024

Como funciona a sonicação na reciclagem de baterias

Na reciclagem típica de baterias, os materiais do cátodo (que contêm metais valiosos) são dissolvidos numa solução ácida, num processo designado por «lixiviação». Esta abordagem permite separar e recuperar os metais da estrutura sólida da bateria. No entanto, a lixiviação convencional é morosa, demorando frequentemente horas a alcançar uma recuperação significativa de metais. Exige também ácidos fortes e temperaturas elevadas, suscitando preocupações quanto ao impacto ambiental.
A sonicação transforma este processo ao introduzir ondas ultrassónicas diretamente na solução de lixiviação. No estudo publicado em 2024 por Canciani et al., os investigadores testaram esta técnica com um material usado como substituto do material das baterias, o óxido de lítio, cobalto, níquel e manganês (NMC). Ao aplicarem ondas ultrassónicas com uma frequência e amplitude específicas, constataram que a cavitação ultrassónica reduz o tempo de lixiviação em mais de 80%. O processo passou de horas para uma questão de minutos, proporcionando uma melhoria revolucionária da eficiência.

O papel da sonicação na intensificação da lixiviação: a ciência por detrás da transferência de massa e da velocidade

A sonicação não se limita a acelerar a lixiviação; altera a forma como a solução ácida interage com as partículas da bateria. Os ultrassons de elevada potência criam milhões de bolhas microscópicas que colapsam rapidamente na solução, um fenómeno conhecido como cavitação. Esta ação gera forças locais intensas que fragmentam as partículas à superfície e aumentam a interação entre o ácido e os metais presentes no material da bateria.
Segundo Canciani et al. (2024), este processo tem dois efeitos principais nos materiais das baterias: aumenta a porosidade das partículas e reduz o seu tamanho, levando a um aumento acentuado da área superficial. Com uma área superficial maior, o ácido pode interagir mais extensamente com o material, facilitando assim uma lixiviação mais rápida. Os autores observaram que o volume dos poros nas amostras sonicadas aumentou uma ordem de grandeza em comparação com as amostras processadas convencionalmente, criando mais vias para o ácido dissolver o conteúdo metálico.

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) de partículas em diferentes momentos da lixiviação convencional (a–c) e ultrassónica (d–f).
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024

Lixiviação ultrassónica: melhoria das propriedades de transporte e da micromistura

O estudo sugere também que a cavitação ultrassónica não só melhora o contacto com a superfície como também melhora significativamente as propriedades de transporte. Essencialmente, isto significa que a distribuição do ácido pelas partículas da bateria se torna mais uniforme, com a micromistura induzida pela cavitação a assegurar uma exposição uniforme. Isto conduz a um ambiente de reação homogeneizado, permitindo que o ácido dissolva os metais de forma mais eficaz e uniforme.
Outra conclusão notável é que os benefícios da cavitação ultrassónica vão além da redução do tamanho das partículas. Os investigadores constataram que a cavitação altera o mecanismo de interação entre o ácido e as partículas, provavelmente devido à melhoria do transporte na camada limite. Em termos simples, a cavitação reduz a espessura da camada líquida que envolve cada partícula, permitindo uma dissolução mais rápida dos metais.

Distribuições do tamanho das partículas após lixiviação ultrassónica e convencional
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024

Benefícios para a mineração urbana e a sustentabilidade

A eficácia da sonicação na reciclagem de baterias encerra um enorme potencial para o futuro da mineração urbana e da recuperação sustentável de recursos. Os resultados de Canciani et al. (2024) indicam que a sonicação irá substituir ou reduzir a dependência de práticas prejudiciais ao ambiente através de:

• Redução da utilização de produtos químicos: A lixiviação intensificada por ultrassons permite utilizar solventes mais ecológicos, como o ácido acético, em vez dos ácidos mais agressivos habitualmente necessários para a lixiviação convencional.
• Redução das necessidades energéticas: Com a sonicação, a lixiviação ocorre rapidamente à temperatura ambiente, em vez de exigir aquecimento prolongado, o que reduz o consumo de energia e as emissões.
• Aumento da recuperação de materiais: A melhoria da interação com a superfície e o aumento da porosidade maximizam as taxas de recuperação de metais valiosos, tornando o processo de reciclagem economicamente viável e respeitador do ambiente.

Impacto mais amplo na indústria das baterias

À medida que os veículos elétricos e as tecnologias de energias renováveis se expandem, a procura de baterias e, por extensão, dos metais que contêm está a aumentar acentuadamente. A mineração urbana com reciclagem intensificada por sonicação oferece uma forma de recuperar estes metais de maneira sustentável, reduzindo a carga ambiental associada à extração mineira e proporcionando uma abordagem em circuito fechado à produção e à eliminação de baterias.
O aumento da escala dos métodos de reciclagem baseados em sonicação, a otimização das combinações de solventes e o aperfeiçoamento da aplicação de ondas ultrassónicas irão aumentar ainda mais a eficiência. A Hielscher Ultrasonics terá todo o gosto em recomendar a configuração ideal de sonicador em linha para o seu processo de lixiviação. Contacte-nos agora!

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