Extração de elementos terras raras via mineração assistida por campo elétrico : análise numérica e experimental
Resumo
Resumo: As terras raras são espécies químicas que estão amplamente disponíveis na litosfera. Esses elementos possuem diversas aplicações, sendo utilizados em LEDs, em telas de computadores e celulares, em catalisadores, e em imãs permanentes. Contudo, o processo de produção dessas espécies é monopolizado pela China, a qual exerce o controle sobre a exportação dessas commodities. Essa restrição do comércio exterior aliada ao aumento do consumo das terras raras, colocou esses elementos na condição de materiais críticos. Embora o Brasil não efetue o processamento de terras raras, há inúmeras regiões no país que contêm depósitos desses elementos. Com isso, abre-se uma oportunidade de efetuar a extração dessas espécies em solos brasileiros. A produção de terras raras se dá pelo processo hidrometalúrgico, ou por adsorção por argilas, que apresentam um elevado impacto ambiental e alto custo energético, o que é indesejável. Diante dessa problemática, a mineração assistida por campo elétrico apresenta-se como uma alternativa econômica e ambientalmente menos impactante para extração desses elementos. Essa técnica visa a extração de espécies na forma iônica por meio da aplicação de um gradiente de potencial elétrico entre os eletrodos inseridos no solo. Assim, de acordo com a orientação do campo elétrico, cátions migram em direção ao cátodo e ânions migram para o ânodo. O objetivo da presente tese foi analisar a influência do campo elétrico na mobilidade e na seletividade dos íons de terras raras, empregando a técnica de mineração assistida por campo elétrico. Para isso, foi realizado um planejamento experimental fatorial 2k para avaliar também os efeitos das variáveis campo elétrico e concentração de eletrólito na função resposta eficiência de eletromineração. De acordo com os resultados, foi possível obter uma eficiência de extração de 69,1% de Ce4+, 44,5% de La3+ e de 36,2% de Nd3+ empregando ácido acético a 0,10 mol L-1 como eletrólito e um campo elétrico de 1,0 V cm-1. Para averiguar a melhoria do processo de extração, outros eletrólitos foram testados, entre eles o ácido cítrico, o qual apresentou a melhor seletividade para a remoção de La3+, removendo 63,2% da espécie, 40,3% de Ce3+ e 34,7% de Nd3+. Por se tratar de uma técnica que apresenta períodos relativamente longos para promover a remoção das espécies, neste trabalho foi realizada uma modelagem matemática/numérica do processo baseada nas equações de Nernst- Planck-Poisson para previsão da remoção das espécies. Com isso, torna-se possível prever o comportamento da extração dos íons em diferentes configurações experimentais, além de reduzir os custos e o número de ensaios a serem executados. O método proposto para a solução do sistema acoplado de equações não-lineares, decorrente do modelo matemático, foi o Método dos Elementos Finitos. Foi observada boa acurácia entre os valores preditos pelo modelo e os resultados experimentais. Com isso, tem-se que a experimentação física associada à numérica apresentam-se como ferramentas sinergéticas para promover o aprimoramento da mineração de espécies via processos eletrocinéticos. Abstract: Rare earth elements are mainly available in the lithosphere. These species present many applications, and they are used in LEDs, computer and smartphone screens, catalysts, and in permanent magnets. However, the rare earth production process is monopolized by China, which has control over the export of these commodities. This restriction on international trade associated with the increase in rare earth consumption put these species in the position of critical raw materials. Although Brazil does not process any process of rare earth, there are several regions in the country that have many deposits of these elements. In this regard, there is an opportunity to extract these species from Brazilian soils. Rare earth production occurs by the hydrometallurgical process or ion adsorption clays, and in both cases, there is a high environmental and energy consumption impact, which is undesirable. In light of this view, electric field assisted mining arises as an economically and environmentally less impactful alternative to extract rare earth elements from soils. This technique aims to remove species in the ionic form through the application of an electric potential gradient between electrodes in the soil. As a result of the electric field orientation, cations migrate towards the cathode, and anions to the anode. The aim of the present work was to analyze the influence of the electric field in the removal of rare earth elements applying the electric field assisted mining technique. To that end, aiming to evaluate the electrolyte concentration and electric field factors effect as a function of electromining efficiency response, a 2k design of experiment was conducted. According to the results, a removal efficiency of 69.1% of Ce4+, 44.5% of La3+ and 36.2% of Nd3+ was obtained using acetic acid at 0.10 mol L-1 applying an electric field of 1.0 V cm-1. Other electrolytes were also tested aiming to investigate the enhancement in the process extraction. Citric acid presented the highest selectivity for La3+ extraction, removing 63.2% of the species, 40.3% of Ce3+, and 34.7% of Nd3+. Considering that the electrokinetic processes normally present long periods to remove the species, in the present work a numeric modeling based on the Nernst-Planck- Poisson equations was proposed aiming to predict the species removal. Hence, the prediction of the behavior of the ions extraction in different experimental settings became possible, also reducing the number of experiments and process costs. The proposed method for the solution of the coupled system of non-linear equations, resulting from the mathematical model, was the Finite Element Method. The results concerning the predicted values presented good accuracy in relation to the experimental data. Therefore, it was observed that experiments combined with numeric modeling presented themselves as a synergetic tool to improve species mining via electrokinetic processes.
Collections
- Teses [64]