Extração de elementos de terras raras de resíduos de carvão com processo alcalino e micro-ondas

Ao longo de antigas bacias carboníferas e de unidades industriais abandonadas, acumulam-se montes de resíduos cinzentos da indústria, esquecidos no terreno, enquanto a procura de metais para tecnologias avançadas continua a disparar.

Durante muito tempo, estas pilhas foram vistas como um problema de limpeza e vigilância - não como um recurso com valor. Porém, uma técnica de extração recentemente proposta indica que estes materiais podem esconder uma fonte enorme e ainda pouco aproveitada de elementos de terras raras, os metais que mantêm os smartphones a funcionar, as turbinas eólicas em rotação e os veículos elétricos a circular.

De passivo tóxico a ativo estratégico

Os resíduos do processamento do carvão foram, durante décadas, encarados como material sem utilidade. Entopem vales fluviais, deixam cicatrizes na paisagem e obrigam a despesas elevadas de monitorização. Ainda assim, no interior destas sobras existem vestígios de elementos de terras raras (ETR) de que a economia tecnológica necessita com urgência.

Só no estado norte-americano da Pensilvânia, as estimativas apontam para depósitos de resíduos de processamento do carvão com até 137,000 toneladas de terras raras potencialmente extraíveis. Não se trata de uma quantidade marginal: aproxima-se da produção de algumas minas em atividade, mas permanece aprisionada numa matriz mineral teimosa, pouco permeável à química convencional.

Os métodos clássicos falham, em grande parte, porque os ETR estão “trancados” em minerais aluminosilicatos complexos, em vez de surgirem em grãos isolados e fáceis de lixiviar. A simples trituração e a lixiviação ácida básica quase não produzem efeito. Por isso, durante anos, a indústria acabou por considerar estes resíduos como perdas.

"Trabalho laboratorial recente indica que essas pilhas “sem valor” podem, afinal, ser um dos recursos de terras raras mais acessíveis nos países industrializados."

Uma abordagem de extração de terras raras impulsionada por micro-ondas

Uma equipa da Universidade Northeastern, nos EUA, avançou com um método alternativo. Em vez de tentar dissolver diretamente os ETR a partir dos minerais tal como estão, os investigadores começam por alterar a mineralogia e só depois avançam para a recuperação dos metais.

O procedimento assenta em dois passos centrais:

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

À primeira vista, a combinação pode soar agressiva, mas baseia-se em princípios sólidos de mineralogia. Estes resíduos do carvão contêm frequentemente caulinite, um mineral argiloso comum. Quando exposta a um meio fortemente alcalino e a aquecimento por micro-ondas, a caulinite converte-se noutra fase denominada hidrossodalita.

Porque é que a transformação mineral é decisiva

A hidrossodalita apresenta maior porosidade e reatividade do que a argila inicial. Esta alteração de textura e de estrutura é determinante: um arcabouço mais aberto permite que o ácido alcance com muito mais facilidade os locais onde se encontram os ETR.

Em ensaios com amostras reais de resíduos industriais, os investigadores observaram a caulinite a dissolver-se, ou a reorganizar-se, originando esta nova fase porosa. A mudança foi confirmada por difração de raios X e por medições espectroscópicas. Depois disso, uma digestão subsequente com ácido nítrico passou a remover os elementos de terras raras a taxas bastante superiores.

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

O melhor desempenho foi obtido sob condições muito específicas: cerca de 5 molar de NaOH, aquecido até aproximadamente 180°C com micro-ondas e, em seguida, lixiviação com ácido nítrico. Com estes parâmetros, foi possível limitar a formação de minerais secundários indesejados (que podem voltar a aprisionar metais) e, ao mesmo tempo, facilitar a libertação dos ETR.

Metais críticos, riscos mais controlados

A equipa acompanhou igualmente a libertação de outros metais ao longo do tratamento. Em muitos resíduos derivados do carvão, o urânio surge em concentrações baixas, mas potencialmente preocupantes. Neste método, uma parte considerável desse urânio passa para solução durante a etapa alcalina, e não na etapa ácida.

A ordem das etapas é relevante do ponto de vista da segurança. Ao solubilizar elementos radioativos numa fase alcalina controlada, pode reduzir-se o perigo radiológico na fase posterior - mais rica em ácido - onde tendem a aumentar os riscos de corrosão e de formação de aerossóis.

Outra conclusão do trabalho: os ETR aparecem muitas vezes associados a elementos como magnésio, cálcio e ferro. Esta correlação forte sugere que partilham estruturas minerais relacionadas. Assim, ao atacar as fases aluminosilicatas com o tratamento alcalino, o processo atua, de uma só vez, sobre mais do que um metal “encarcerado” na matriz.

O que mostram os números

De acordo com o estudo liderado pelo investigador Ayodeji Ajayi, publicado na revista Ciência e Tecnologia Ambiental e noticiado pelo Alerta de Ciência, os avanços destacam-se:

Parâmetro	Lixiviação convencional	Novo processo alcalino + micro-ondas
Eficiência de extração	Referência (1x)	Até ~3x superior
Elementos-alvo	Terras raras mistas	Terras raras leves reforçadas (Nd, Ce)
Comportamento do urânio	Maioritariamente libertado na etapa ácida	Solubilizado de forma substancial na etapa alcalina
Fator-chave de controlo	Força do ácido	Relação sólido–líquido e mudança de fase mineral

Para decisores políticos preocupados com cadeias de abastecimento, estes valores apontam numa direção clara: os montes de resíduos podem funcionar como amortecedor para economias ocidentais face a choques geopolíticos no mercado das terras raras.

Do laboratório às regiões carboníferas

Levar um procedimento engenhoso do laboratório para uma operação industrial à escala real raramente é simples. Este método também traz desafios próprios, desde logo no que toca a reagentes e energia.

Aplicar tratamentos alcalinos com NaOH concentrado a temperaturas elevadas implica custos relevantes. As micro-ondas podem melhorar a eficiência de aquecimento, mas reatores industriais deste tipo continuam a exigir muita eletricidade. Em locais onde a rede elétrica depende ainda de combustíveis fósseis, existe o risco de transferir parte da poluição do local mineiro para a central elétrica.

A gestão de resíduos líquidos é outro ponto crítico. Os ensaios mais eficazes tendem a usar relações sólido‑líquido relativamente baixas ou ciclos de tratamento repetidos. Ambas as opções geram grandes volumes de efluentes alcalinos que precisam de ser neutralizados, reciclados ou mantidos sob controlo rigoroso.

"A viabilidade desta tecnologia à escala industrial dependerá de transformar esses “fluxos laterais” em fluidos de processo geríveis e, possivelmente, reutilizáveis."

Além disso, cada bacia carbonífera apresenta particularidades. A composição mineral varia de vale para vale - e, por vezes, até dentro da mesma pilha de estéreis. Na prática, os operadores teriam de dispor de “receitas” flexíveis, ajustando a concentração de NaOH, a temperatura e o tempo de reação ao material local.

Um possível pilar da segurança das terras raras

Mesmo com estas reservas, a ideia surge num momento politicamente sensível. As terras raras são fundamentais tanto para a transição energética como para sistemas modernos de defesa. No entanto, a produção está concentrada em poucos países, com a China numa posição particularmente dominante.

Conseguir aproveitar stocks de resíduos já existentes dá aos países importadores mais uma alternativa. Não é necessário abrir uma nova cava. Não é preciso dinamitar uma montanha intacta. Em vez disso, reprocessam-se locais já marcados pela mineração do carvão, dando-lhes uma segunda vida e fechando um ciclo iniciado há décadas.

Os planeadores estratégicos falam cada vez mais de “mineração urbana” e de “recursos secundários” - recuperar metais a partir de produtos e resíduos, em vez de rocha virgem. Resíduos de carvão refinados através deste tipo de transformação mineral podem encaixar bem nessa mudança.

O que são as terras raras e porque são importantes

Apesar do nome, os elementos de terras raras não são particularmente escassos na crosta terrestre. A dificuldade está no facto de raramente surgirem em concentrações elevadas. A sua extração costuma implicar movimentar enormes volumes de rocha e lidar com químicos agressivos.

Esta categoria abrange dezassete elementos, incluindo neodímio, praseodímio, disprósio e térbio. Muitos entram na produção de ímanes permanentes muito potentes para motores elétricos, aparelhos de ressonância magnética, turbinas eólicas e auscultadores. Outros são usados como fósforos em ecrãs ou como catalisadores na refinação de petróleo.

As terras raras leves, como o neodímio e o cério, são hoje extraídas em volumes bastante superiores aos das terras raras pesadas, mas ambos os grupos são estrategicamente sensíveis. Qualquer processo que torne a recuperação mais barata ou mais limpa atrai rapidamente a atenção de fabricantes de automóveis, empresas de eletrónica e entidades ligadas à defesa.

Como poderá ser a passagem à escala industrial

Se o método alcalino–micro-ondas chegar ao nível comercial, o panorama em antigas regiões mineiras poderá mudar. Imagine-se uma zona como o cinturão de antracite da Pensilvânia: velhas lavarias, bacias de rejeitados e pilhas de resíduos reabilitadas não por enterramento, mas por passagem por unidades modulares de processamento.

Essas unidades fariam a triagem do material, aplicariam tratamentos controlados com NaOH sob aquecimento por micro-ondas e, depois, extraíriam as terras raras em circuitos ácidos. Sempre que possível, as soluções de reagentes circulariam em ciclos fechados. Os sólidos remanescentes - já com muito menos metais - poderiam então ser remodelados em taludes mais seguros ou usados como agregados na construção.

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

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 projeto de terras raras enfrentará uma análise exigente - e compreensível. Os residentes irão querer respostas claras sobre qualidade do ar, tráfego de camiões, ruído e monitorização a longo prazo.

Em contrapartida, o reprocessamento destes resíduos pode criar emprego qualificado em regiões que perderam postos de trabalho ligados ao carvão. Pode também libertar terrenos hoje vedados por serem considerados perigosos, caso os materiais sejam estabilizados e os metais capturados.

O equilíbrio dependerá de como os operadores gerirem três pontos particularmente sensíveis:

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

Se forem mal geridos, estes fatores podem cristalizar a oposição pública. Se forem bem conduzidos, podem transformar cicatrizes antigas em fontes de receita, reduzindo ao mesmo tempo a dependência de metais estratégicos importados.

Para lá dos resíduos do carvão

O mecanismo que sustenta este avanço não se aplica apenas aos resíduos do carvão. Muitos subprodutos industriais - desde rejeitados de bauxite (lama vermelha) até certos tipos de fosfogesso - também contêm terras raras ou outros metais críticos, presos em fases minerais resistentes.

Se for possível ajustar transformações minerais semelhantes nesses materiais, poderá surgir uma nova geração de “refinarias de resíduos”. Em vez de tratar escórias, cinzas e rejeitados como um fim de linha, a indústria passaria a encará-los como stocks intermédios, prontos para uma segunda passagem quando a tecnologia e os preços o justificarem.

Esta mudança não apaga os impactos ambientais da era dos combustíveis fósseis. Mas pode, pelo menos, garantir que o legado dos campos de carvão e das refinarias inclui algo além de cavas abandonadas e lagoas com fugas: uma reserva de metais estratégicos que esteve, todo este tempo, à vista de todos.