- Centro de Tecnologia Mineral

87
Série
Estudos e
Documentos
Potencial de Aproveitamento
Missão Institucional
de Fontes Secundárias
para paraTerras-Raras:
ímãs
é desenvolver tecnologia
o uso sustentável dos
recursos minerais
brasileiros.
permanentes
A missão do Centro de Tecnologia Mineral - CETEM
O CETEM
O Centro de Tecnologia Mineral - CETEM é um instituto de pesquisas,
vinculado ao Ministério da Ciência,Tecnologia e Inovação - MCTI, dedicado
ao desenvolvimento, à adaptação e à difusão de tecnologias nas áreas
mínero-metalúrgica, de materiais e de meio ambiente.
Criado em 1978, o Centro está localizado no campus da
Universidade FederalRafael
do Rio dede
Janeiro
- UFRJ, na
Cidade Universitária, no
Carvalho
Gomes
Rio de Janeiro e ocupa 20.000m² de área construída, que inclui 22
laboratórios, 3 usinas-piloto, biblioteca especializada e outras facilidades.
Durante seus 37 anos de atividade, o CETEM desenvolveu mais de 720
projetos tecnológicos e prestou centenas de
serviços para empresas
atuantes nos setores mínero-metalúrgico, químico e de materiais.
S ÉRIE E STUDOS
E
D OCUMENTOS
Potencial de Aproveitamento de Fontes Secundárias
para Terras-Raras: Ímãs permanentes
PRESIDÊNCIA DA REPÚBLICA
Dilma Vana Rousseff
Presidente
Michel Miguel Elias Temer Lulia
Vice-Presidente
MINISTÉRIO DA CIÊNCIA, TECNOLOGIA E INOVAÇÃO
Celso Pansera
Ministro de Estado da Ciência, Tecnologia e Inovação
Emília Maria Silva Ribeiro Curi
Secretária-Executiva
Adalberto Fazzio
Subsecretário de Coordenação das Unidades de Pesquisa
CETEM – CENTRO DE TECNOLOGIA MINERAL
Fernando Antonio Freitas Lins
Diretor
Arnaldo Alcover Neto
Coordenador de Análises Minerais
Claudio Luiz Schneider
Coordenador de Processos Minerais
Durval Costa Reis
Coordenador de Administração
Cosme Antonio de Moraes Regly
Coordenador de Planejamento, Gestão e Inovação
Francisco Wilson Hollanda Vidal
Coordenador de Apoio Tecnológico às Micro e Pequenas Empresas
Ronaldo Luiz Corrêa dos Santos
Coordenador de Processos Metalúrgicos e Ambientais
S ÉRIE E STUDOS E D OCUMENTOS
ISSN 0103-6319
ISBN – 978-85-8261-034-3
SED - 87
Potencial de Aproveitamento de Fontes
Secundárias para Terras-raras: Ímãs
permanentes
Rafael de Carvalho Gomes
Eng. Químico, M.Sc. em Tecnologia de Processos
Químicos e Bioquímicos pelo TPQB/UFRJ. Bolsista PCI do
CETEM/MCTI.
CETEM/MCTI
2015
S ÉRIE E STUDOS
E
D OCUMENTOS
Carlos Cesar Peiter
Editor
Ana Maria Botelho M. da Cunha
Subeditora
CONSELHO EDITORIAL
Francisco R. C. Fernandes (CETEM), Gilson Ezequiel Ferreira
(CETEM), Alfredo Ruy Barbosa (consultor), Gilberto Dias Calaes
(ConDet), José Mário Coelho (CPRM), Rupen Adamian (UFRJ).
A Série Estudos e Documentos publica trabalhos que busquem
divulgar estudos econômicos, sociais, jurídicos e de gestão e
planejamento em C&T, envolvendo aspectos tecnológicos e/ou
científicos relacionados à área minerometalúrgica.
O conteúdo desse trabalho é de responsabilidade exclusiva do(s)
autor(es).
Valéria Cristina de Souza
Coordenação Editorial
João Henrique de Castro Rocha
Programação Visual
Valéria Cristina de Souza
Editoração Eletrônica
Andrezza Milheiro da Silva
Revisão
Gomes, Rafael de Carvalho
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes / Rafael de Carvalho Gomes. __Rio de
Janeiro: CETEM/MCTI, 2015.
50p.: il. (Série Estudos e Documentos, 87)
1. Terras-raras. 2. Ímãs permanentes. 3. Fontes secundárias. I. Centro
de Tecnologia Mineral. II. Gomes, Rafael de Carvalho. III Título.
IV. Série.
CDD – 553.4
SUMÁRIO
RESUMO _________________________________________ 7
ABSTRACT _______________________________________ 8
1 | INTRODUÇÃO __________________________________ 9
1.1 | Terras-Raras _______________________________ 9
1.2 | Os Ímãs Permanentes _______________________ 11
1.3 | O Mercado de Ímãs Permanentes _____________ 15
2 | OBTENÇÃO DE TERRAS-RARAS A PARTIR DE ÍMÃS
PERMANENTES __________________________________ 20
2.1 | Processo de Reciclagem dos Ímãs
Permanentes __________________________________ 20
2.2 | Possibilidades de Obtenção das Terras-Raras
a partir dos Ímãs _______________________________ 26
3 | CONSIDERAÇÕES FINAIS _______________________ 38
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ___________________ 43
RESUMO
Devido à diminuição da oferta de certos produtos de
terras-raras, ocasionada pelo monopólio chinês em conjunto
com restrições de exportação, faz-se necessária a busca por
novas fontes dos elementos de terras-raras (TR). Além da
busca por novos depósitos de terras-raras e a reabertura de
antigas minas, vários países começaram a alocar recursos
em pesquisas para a obtenção desses produtos, a partir
de fontes secundárias, como, por exemplo, com a reciclagem
pós-consumo de materiais no final de vida útil. Nesse trabalho,
pretende-se abordar a obtenção de terras-raras por meio da
reciclagem de ímãs permanentes, sendo uma alternativa aos
processos de mineração atualmente empregados.
Atualmente, apesar de os ímãs permanentes serem o principal
produto comercializado no mercado de terras-raras, no Brasil
não há empresas que tratem da reciclagem desses materiais
magnéticos. A tecnologia de separação desses elementos dos
outros metais apresenta grandes desafios econômicos, sendo
a simples reutilização dos ímãs em sua forma de descarte, a
abordagem mais viável.
No mercado atual, o principal produto passível de recuperação
são os discos rígidos de computadores que apresentam alta
rotatividade no mercado e possuem teores consideráveis de
neodímio na sua composição.
Uma avaliação preliminar mostra que o potencial brasileiro para
reciclagem de TR provenientes dessas fontes secundárias
poderia alavancar a produção nacional.
Palavras-chave
Terras-raras, ímãs
reciclagem.
permanentes,
fontes
secundárias,
ABSTRACT
Due to decreasing supply, caused by the Chinese monopoly
and the export restrictions, it is necessary to search for new
sources of rare earth elements (RE). Besides the exploration for
new rare earth mineral deposits and reopeninig of old mines,
many countries have begun to allocate resources in surveys for
obtaining rare earths from secondary sources such as the
post-consumer recycled materials in the end of useful life. In
this work we intend to address about the production of rare
earth elements by recycling of permanent magnets, being this
process an alternative to mining processes currently used.
Nowadays, despite the permanent magnets are the main
product sold in the rare earth market, in Brazil there is no
company that deal with the recycling of these magnetic
materials. The separation technology of these elements of other
metals presents great economic challenges and the simple
reuse of magnets is the most viable approach.
In the current market, the main product subject to recovery are
the hard drives of computers (HDD) that have high turnover in
the market and have considerable amounts of neodymium in its
composition.
A preliminary evaluation shows that the Brazilian potential for
recycling RE from these secondary sources could boost the
domestic production.
Keywords
Rare earths, permanent magnets, secondary sources, recycling
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
9
1 | INTRODUÇÃO
1.1 | Terras-Raras
As terras-raras (TR) compõem um conjunto de elementos
químicos formado pelos lantanídeos (número atômico entre 57
e 71), iniciando a série pelo lantânio (mais leve) e terminando
no lutécio (mais pesado), acrescidos de ítrio e escândio,
conforme demonstrado na Figura 1. A nomenclatura se deve às
descobertas dos compostos que foram inicialmente isolados na
forma de óxidos, sendo chamados de “terras”. O adjetivo
“raras” foi acrescido ao nome pelo fato de acreditarem na
época da descoberta desses elementos que esses
apresentavam uma ordem de grandeza muito menor do que a
realidade. Hoje em dia, sabe-se que as terras-raras ocorrem
em maior abundância na crosta terrestre do que uma série de
outros elementos como, por exemplo, a prata e o mercúrio.
Esses elementos são encontrados, principalmente, nos
minerais dos grupos da bastnaesita (Ce,La)CO3F), monazita
(Ce,La,Nd,Th)PO4 e xenotímio (YPO4). O ítrio e o escândio são
classificados com os elementos da série dos lantanídeos, como
terras-raras, por apresentarem características mineralógicas e
propriedades químicas similares e o promécio não é
encontrado na natureza, por não apresentar isótopos estáveis.
Devido a essas semelhanças físicas e químicas, há um grande
desafio na separação desse grupo e a recuperação em
elementos individuais, a fim de que esses possam exercer
melhor cada função.
10
Gomes, R. C.
A aplicação das terras-raras na indústria, de uma forma geral,
vem crescendo nas últimas décadas, com uma variedade de
utilização cada vez maior na indústria moderna, pois essas são
vitais para alguns dos mercados que mais crescem no mundo,
visando à produção de alta tecnologia com maior eficiência.
Fonte: http://dioquimica.blogspot.com.br/2011/09/blog-post.html, acesso em 05
de fevereiro de 2014. Adaptado.
Figura 1. Tabela periódica IUPAC, com terras-raras destacadas,
versão de 21 de janeiro de 2011.
O elemento de TR que se destaca na composição dos ímãs
permanentes é o neodímio. Sendo que, a maior motivação
brasileira pela busca da recuperação desse elemento e das
outras TR, a partir de fontes secundárias como alternativa para
os processos de produção primária, é resultante do aumento
do preço de importação das terras-raras chinesas, no início
dessa década.
Neste estudo, pretende-se abordar a obtenção desses
elementos terras-raras, por meio de fontes secundárias, mais
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
11
precisamente a partir dos ímãs permanentes, discutindo a
questão da viabilidade da reciclagem, no Brasil, para esse fim.
Os ímãs permanentes apresentam um grande potencial nesse
tema, pela grande quantidade de sucatas geradas contendo TR
e por ser o maior destino desses elementos dentre as principais
aplicações, com previsão de demanda de aproximadamente
25% do mercado de TR mundial sendo utilizado para esse fim
(HUMPHRIES, 2012).
Atualmente, o estudo da recuperação de TR, oriundas desses
materiais magnéticos, é mais relevante nos ímãs pequenos
presentes nos dispositivos eletrônicos como celulares e discos
rígidos de computador. Este fato deve-se à curta vida útil e à
grande quantidade de descarte, ao longo dos anos, desses
equipamentos. Os ímãs mais complexos utilizados na geração
de energia eólica, por exemplo, apresentam uma aplicação
tecnológica recente e não estão presentes, em quantidades
consideráveis, nas sucatas brasileiras, no atual momento
(TANAKA & COLABORADORES, 2013).
1.2 | Os Ímãs Permanentes
Os ímãs são objetos fabricados a partir de materiais
magnetizados, e assim, capazes de criar campos magnéticos.
Estes podem ser divididos em duas categorias: não
permanentes e permanentes. Os não permanentes podem ser
formados por uma passagem de corrente elétrica, contato ou
atrito que são necessários para ativar o magnetismo.
Um exemplo da aplicação desses ímãs temporários são
eletroímãs usados para remover sucata em ferro velho. Já os
ímãs permanentes mantêm seu magnetismo indefinidamente
12
Gomes, R. C.
ou até que fatores externos os desmagnetizem, como
vibrações, sujeira ou corrosão. A capacidade de um ímã reter
seu magnetismo sob diversas condições chama-se
“permanência magnética” e alguns desses têm maior
permanência do que outros. Ímãs permanentes são geralmente
fabricados com base em elementos como o alnico
(alumínio, níquel, cobalto), cerâmicas (estrôncio e ferrite de
bário) e ligas de elementos de terras-raras, como imãs de
SmCo (samário-cobalto) e NdFeB (neodímio-ferro-boro)
(SILVA, 2012).
Alguns parâmetros são importantes para a caracterização dos
ímãs permanentes. A saturação da densidade de fluxo
magnético, por exemplo, corresponde ao ponto em que o
alinhamento de todos os momentos magnéticos dos domínios
estão na mesma direção do campo magnético externo.
A remanência de um ímã representa o valor da densidade de
fluxo magnético na qual a intensidade magnética é zero, sendo
que um alto valor de remanência resulta em um ímã mais forte.
A força coerciva ou coercitividade corresponde à resistência de
determinado material a campos desmagnetizantes.
Uma característica básica dos ímãs permanentes é que o
movimento mecânico pode ser criado a partir dos campos
magnéticos fabricados pelos próprios ímãs. Os elementos de
terras-raras, dos quais se destacam neodímio e o samário,
formam ímãs que possuem uma força magnética muito forte
(e maior permanência magnética do que outros ímãs
permanentes), podendo assim ser empregados em pequenas
quantidades, em operações de amplificação sonora e
processamento de dados, formando compostos magnéticos
com maior eficiência.
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
13
Os ímãs de neodímio auxiliam os discos rígidos de
computadores a ler e armazenar mais informações, por
exemplo (SCHÜLER & COLABORADORES, 2011).
No final dos anos 50, compostos de Gd-Co foram estudados
motivados pelo fato do gadolínio ser o elemento de terras-raras
com maior temperatura de Curie (Tc) e o cobalto também
apresentar a maior Tc dentre os metais de transição. Essa
temperatura representa o ponto no qual um material
ferromagnético perde a sua propriedade de magnetizar-se com
a aplicação de um campo magnético. Devido à baixa
magnetização de saturação do GdCo5, os resultados não se
mostraram muito eficazes (SCHÜLER & COLABORADORES,
2011).
Ainda assim, os elementos terras-raras foram considerados
promissores para a produção de ímãs permanentes devido às
camadas eletrônicas 4f de seus elementos serem altamente
anisotrópicas. As propriedades magnéticas da maioria dos
materiais ferromagnéticos são dependentes da direção e essa
alta anisotropia magnetocristalina é observada na maioria dos
compostos TRCo5, dos quais se destacam o samário,
neodímio, gadolínio, disprósio e itérbio (CAMPOS &
LANDGRAF, 2000).
No início da década de 60 foi descoberto que entre todos as
ligas de terras-raras com cobalto, o SmCo5 era a que
apresentava resultados mais eficazes na época e esses
compostos foram denominados como a primeira geração de
ímãs permanentes de terras-raras (COEY, 1996). Essa liga
composta por samário e cobalto possui alta resistência a
campos desmagnetizantes, resistência razoável à corrosão e
14
Gomes, R. C.
não requer revestimento particular com exceção das aplicações
extremas. Além disso, esses elementos possuem altos valores
de fluxo magnético permanente representado pela densidade
de fluxo magnético residual após a aplicação de um estímulo
magnético externo e força coerciva consideravelmente elevada,
representada pelo campo magnético necessário para
desmagnetizar o ímã (CAMPOS, 1998).
A segunda geração dos ímãs de elementos de terras-raras foi
baseada em ligas compostas de neodímio-ferro-boro e
começou a ser produzida em 1983. O neodímio apresenta uma
vantagem, pois é um elemento de terras-raras existente em
maior abundância que o samário, na crosta terrestre. Além
disso, os ímãs NdFeB possuem maior produto energético, que
corresponde ao volume mínimo de material magnético que
produz uma determinada energia magnética na sua
proximidade, maior força coerciva e maior indução remanente
que os ímãs compostos pela liga samário-cobalto. Como
desvantagem, os ímãs de neodímio apresentam alta
vulnerabilidade à corrosão e limitação à temperatura de
utilização (150°C) e temperatura de Curie de 350°C.
A Tabela 1 mostra algumas das diferenças das propriedades
dos ímãs de samário pros ímãs de neodímio. (SCHÜLER &
COLABORADORES, 2011).
Tabela 1. Comparação entre as propriedades dos ímãs SmCo5
e NdFeB.
Propriedades
Ímãs SmCo5
Ímãs NdFeB
Produto Energético (KJ/m³)
110-240
210-420
Remanência (T)
0,8-1,2
1,1-1,5
Força Coercitiva (kA/m)
620-835
800-1140
Fonte: http://www.magnaworkstechnology.com/, acesso em 13 de outubro de
2014. Adaptado.
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
15
A fabricação dos ímãs pode ser realizada por diversos
métodos. Em situações nas quais o ímã fabricado não
necessita possuir excelentes propriedades magnéticas, pode
ser usada uma resina para consolidar o pó metalúrgico em um
corpo rígido. Esse método apresenta um custo baixo, pois não
é realizada a etapa de sinterização realizada em outros
sistemas, com custo bem mais elevado. O fato das ligas com
elementos terras-raras serem muito reativas ocasionou uma
mudança importante no procedimento de fabricação desses
ímãs em relação ao processo de produção dos ímãs de ferrite
de bário (BaFe12O19): a moagem excessiva do pó é prejudicial,
sendo recomendado atingir o tamanho de no mínimo 3 µm
(FARIA & LIMA, 2005).
Um método eficiente e bastante utilizado para produção de pó
magnético, a partir de material reciclado visando à produção de
ímãs permanentes de terras-raras, é o processo de
hidrogenação, desproporção, dessorção e recombinação
(HDDR). Após essas quatro etapas, é realizada a
pulverização do material, o alinhamento magnético e a
prensagem, o acabamento superficial e magnetização e, por
último, a caracterização magnética microestrutural (FARIA &
LIMA, 2005).
1.3 | O Mercado de Ímãs Permanentes
O mercado de ímãs permanentes no Brasil e no mundo está
diretamente relacionado ao mercado de terras-raras. Esses
elementos revolucionaram a indústria de ímãs devido às suas
características e propriedades magnéticas. Na Figura 2 é
destacado um estudo realizado pelo IMCOA (Industrials
16
Gomes, R. C.
Minerals Company of Australia Pty) sobre a previsão da
demanda para o ano de 2015 de elementos terras-raras
separados por aplicação. Nota-se que os ímãs permanentes
serão responsáveis pela maioria (25%) do consumo de
terras-raras. Segundo outra pesquisa realizada pelo USGS
(U.S. Geological Survey) em 2010, a demanda mundial de ímãs
permanentes deve crescer de 10% a 16% por ano, na próxima
década. O aumento da demanda por esses produtos é
decorrente do crescimento de setores como os de geração de
energia eólica e os de produção de veículos elétricos e híbridos
visando à redução do impacto ambiental nos processos e da
consolidação de outras aplicações, como em discos rígidos de
computadores, por exemplo (LIMA, 2012).
Fonte: IMCOA (Industrial Minerals Company of Australia Pty Ltd).
Figura 2. Previsão da demanda mundial em 2015 de terras-raras
dividida por aplicação.
A China domina o mercado de terras-raras possuindo mais da
metade das reservas mundiais desses elementos. Com uma
política de subsídios e incentivos à pesquisa, foi responsável,
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
17
em 2012, por cerca de 86% da produção mundial de
terras-raras. Como consequência, a China também controla o
mercado de ímãs permanentes provenientes desses
elementos. Segundo dados da USGS, 75% da produção total
dos ímãs NdFeB em 2010 e 60% dos ímãs SmCo nesse
mesmo ano foram produzidos na China (HUMPHRIES, 2012).
Nos outros países, incluindo o Brasil, a atividade produtiva está
em processo de recuperação, depois da estagnação na
produção que ocorreu entre o final dos anos 90 até o ano de
2011, causada pelo monopólio chinês e a exportação das suas
terras-raras para o resto do mundo (ANDRADE, 2011).
A cadeia produtiva dos ímãs permanentes oriundos desses
elementos pode ser composta, de forma resumida, por quatro
etapas: lavra e concentração; separação dos elementos
terras-raras; redução e obtenção das ligas e fabricação dos
ímãs (LIMA, 2012). A maturação e o desenvolvimento da
produção nacional está diretamente relacionada com as
competências técnicas e científicas em cada etapa dessa
cadeia que, atualmente, ainda está em fase inicial de evolução.
De acordo com dados do IMCOA, foram consumidos cerca de
32 mil toneladas de óxidos de terras-raras no ano de 2012 para
a produção de ímãs no mundo, com o destaque para o
elemento Nd. Sabe-se que cerca de 30% da composição em
massa de um ímã de NdFeB é de neodímio. Por falta de dados
das empresas fabricantes, é difícil mensurar a produção total
de ímãs produzidos, mas pode-se estimar uma produção
mundial de ímãs de terras-raras de cerca de 90 mil toneladas,
no ano de 2012 (KINGSNORTH, 2010).
18
Gomes, R. C.
Segundo Hollins (2010), estima-se uma produção de 147 mil
toneladas de ímãs de neodimio em 2020 e 280 mil toneladas
em 2030. Segundo esse estudo, os setores de maior
crescimento nessa projeção são de geração eólica responsável
por 22 mil toneladas da demanda em 2020 e 42 mil em 2030 e
o da indústria automotiva, que apresenta aspectos em fase
inicial de densenvolvimento, como os motores de veículos
elétricos e aspectos já consolidados, como os freios ABS que
necessitam de motores com ímãs permanentes para o seu
funcionamento. A demanda desse setor automotivo chegaria a
74 mil toneladas em 2020 e 130 mil toneladas em 2030.
Atualmente, diversas empresas multinacionais, como a
SAMSUNG e a GE estão presentes no território brasileiro e
apresentam grande demanda por esse ímãs. O Brasil possui
indústrias consumidoras de ímãs, nas seguintes categorias:
(a) consolidadas ou em maturação, como exemplo tem-se a
produção de discos rígidos para computadores e motores
elétricos ou (b) em crescimento, como a indústria aeroespacial
ou (c) novas como a de geradores eólicos. A Tabela 2 destaca
as etapas de ciclo de vida de cada indústria representada pelas
principais aplicações de ímãs de terras-raras no mundo.
Em relação às aplicações consolidadas, algumas são
produzidas no Brasil, como as unidades de produção e
montagem de discos rígidos fabricados pelas empresas
Western Digital e SAMSUNG. Empresas como a WEG,
EMBRACO e BOSCH consomem uma quantidade grande de
ímãs para aplicações em motores elétricos industriais, motores
para sistemas de ventilação, motores para eletrodomésticos,
entre outros (LIMA, 2012).
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
19
Tabela 2. Etapas do ciclo de vida atual na indústria de ímãs de TR
no mundo.
Usos Industriais
Introdução
Energia Eólica
X
Refrigeração Magnética
X
Crescimento
Indústria Aerospacial
X
Operação de Satélites
X
Maturidade
Energia Nuclear
X
Armazenamento Digital
X
Indústria Automotiva
X
Uso Cotidiano
X
Declínio
Fonte: Uso e aplicações de Terras-raras no Brasil: 2012-2030. Ano: 2013.
Adaptado.
Para as aplicações mais recentes, o plano decenal de
expansão de energia 2022, realizado pela Empresa de
Pesquisa Energética (EPE), no ano de 2012, prevê um
crescimento da geração eólica, na matriz energética brasileira,
de 1 GW por ano até 2022. As máquinas com ímãs
representam 5% do mercado e são usados cerca de 600
toneladas de NdFeB por GW produzido (PANAYOTOV, 2012).
Sendo assim, pode-se fazer uma projeção do aumento da
demanda por ímãs de Nd em geradores eólicos instalados no
Brasil, de cerca de 30 toneladas por ano, na próxima década.
20
Gomes, R. C.
2 | OBTENÇÃO DE TERRAS-RARAS A PARTIR DE
ÍMÃS PERMANENTES
2.1 | Processo de Reciclagem dos Ímãs Permanentes
Segundo o documento da Agência Brasileira de
Desenvolvimento Industrial (ABDI) sobre logística reversa do
ano de 2012, equipamentos eletroeletrônicos são produtos cujo
funcionamento depende de corrente elétrica ou de campos
eletromagnéticos. Ao fim de sua vida útil, estes produtos
passam a ser considerados resíduos de equipamentos
eletroeletrônicos (REEE). Alguns desses, especificamente os
equipamentos de telecomunicações, têm um ciclo de vida mais
curto, sendo descartados mais rapidamente quando ocorre a
introdução de novas tecnologias, gerando um grande depósito
de descarte que se não for tratado adequadamente, gera um
grande prejuízo ao meio ambiente. Além disso, esses
equipamentos possuem um potencial de exploração
importante, considerando, por exemplo, as terras-raras
presentes nos ímãs permanentes que fazem parte desses
produtos e que apresentam grande quantidade de neodímio e
pequenas quantidades de praseodímio, gadolínio, térbio e
disprósio, dentre outros elementos. É importante considerar
também a reciclagem pré-consumo, pois durante o processo de
produção dos ímãs muitos resíduos contendo terras-raras
são gerados.
A obtenção de matéria-prima secundária oriunda de sucatas de
equipamentos eletrônicos depende de um bom planejamento e
conhecimento das estratégias de mercado desse setor. A falta
de dados reais sobre produção de lixo eletrônico dificulta
bastante o entendimento do processo de reciclagem e a
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
21
produção por fontes secundárias. O Brasil desenvolve
atividades de pesquisa mais aprofundadas, como na
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e em centros
de pesquisa, como no Instituto de Pesquisas Tecnológicas
(IPT), onde no ano de 2011 foi gerado um pedido de depósito
patente sobre o processo de recuperação de compostos
magnéticos.
Como já mencionado no item 1.2, as ligas de terras-raras mais
utilizadas para a produção de ímãs permanentes são: SmCo e
NdFeB. Atualmente, a mais comum é a liga de neodímio, ferro
e boro, na qual os ímãs permanentes apresentam elevadíssimo
produto energético e são compostos por uma matriz de fórmula
Nd2Fe14B com pequenos acréscimos de outros elementos
terras-raras, com destaque para o disprósio. Outras TR
também podem ser adicionadas como, por exemplo,
praseodímio, gadolínio e térbio, além de outros elementos
como cobalto, vanádio, titânio, zircônio, molibdênio ou nióbio.
(GUTFLEISCH & COLABORADORES, 2011).
O disprósio (Dy) é adicionado aos ímãs com o objetivo de
aumentar
a
estabilidade
da
temperatura
contra
desmagnetização. A quantidade de Dy adicionada depende da
aplicação na qual vai ser utilizada o ímã. Materiais magnéticos
mais simples, como discos rígidos, brinquedos e CDs
apresentam normalmente pequenas quantidades desses
elementos em sua composição. Em ímãs mais complexos,
como os utilizados em carros elétricos e híbridos, o disprósio
pode estar presente em até 9% da composição em massa da
liga (LOPES, 2008).
22
Gomes, R. C.
A outra combinação contendo terras-raras que é aplicada para
fabricação de ímãs é a liga de samário com cobalto.
Atualmente, esse tipo de ímã é muito menos utilizado que a liga
NdFeB, mas esta apresenta boa resistência contra a
desmagnetização e a corrosão. Há duas matrizes diferentes
utilizadas na fabricação desses ímãs: SmCo5 e Sm2Co17.
Juntamente com esses dois elementos, os ímãs de SmCo
podem conter metais de transição, como ferro e cobre como
aditivos das ligas. Devido ao menor valor de produto energético
dessa liga e ao maior custo comparado com o ímã NdFeB, o
mercado dos ímãs de samário e cobalto é bem pequeno,
representando cerca de 2% do mercado de ímãs permanentes
(TANAKA & COLABORADORES, 2013).
As etapas de pré-processamento para reciclagem de ímãs são
fundamentais para a viabilização e eficiência de todo o
processo. É importante identificar e caracterizar os ímãs nas
sucatas, antes da sua fragmentação e fundição com o objetivo
de remover, de forma eficiente, os ímãs de terras-raras dos
produtos que já chegaram ao fim de suas vidas úteis.
Comercialmente, não existem processos consagrados de
recuperação de terras-raras oriundas de ímãs permanentes
sendo realizados de forma contínua. Esse fato se deve
principalmente à complexa estrutura física dos ímãs passíveis
de recuperação e ao seu complexo processo de
desmantelamento visando à recuperação dos elementos
terras-raras. O preço baixo de importação desses metais
proveninentes da China, até o ano de 2011, também foi um
fator que contribuiu para o não desenvolvimento desse tipo de
reciclagem (WALTON & WILLIAMS, 2011).
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
23
Os ímãs mais fortes, produzidos pelo processo de sinterização,
são difíceis de separar dos resíduos de equipamentos
eletroeletrônicos devido ao forte campo magnéticos que esses
geram. Uma maneira já estudada é a desmagnetização com
aquecimento, conduzindo os ímãs às temperaturas acima de
300°C. O problema é que esse procedimento resulta na fusão
de ligantes orgânicos que cercam os ímãs liberando, por
exemplo, hidrocarbonetos que contêm vapores muitas vezes
prejudiciais. Por isso, a desmagnetização é recomendada,
através da aplicação de um campo magnético forte oposto à
direção
original
de
magnetização
(BINNEMANS
&
COLABORADORES, 2013).
Com a meta de tentar facilitar a separação das peças,
tecnologias de desmantelamento com o objetivo de reciclar os
ímãs de terras-raras oriundos de disco rígidos e de
compressores de ar condicionado, através do desenvolvimento
de diferentes tipos de máquinas, foram estudados por Akahori
& Saeki (2014).
No caso dos discos rígidos foram usadas placas de agitação e
coleta, em que essas unidades sofriam impacto e vibração de
forma contínua, de modo que os parafusos que seguram os
componentes soltassem e a peça se dividisse em vários
componentes estruturais, entre esses os ímãs NdFeB. Esse
tipo de equipamento desenvolvido por Hitachi tem a
capacidade de desmantelar 100 discos rígidos por hora,
enquanto que uma pessoa consegue manualmente, em uma
hora, desmantelar somente 12 discos rígidos, em média.
24
Gomes, R. C.
Para os compressores, a recuperação é realizado em três
etapas. Primeiro, é utilizado uma máquina de corte para
separação dos rotores que contêm os ímãs de NdFeB.
Em seguida, outra máquina desmonta esses rotores para, por
último, os ímãs serem desmagnetizados e coletados por um
sistema de vibração (AKAHORI & SAEKI, 2014).
Técnicas utilizando hidrogênio à pressão atmosférica para
separar os ímãs de terras-raras de discos rígidos, produzindo
um pó da liga hidratada de NdFeB, também já foram
estudadas. Inicialmente, o NdFeB absorve hidrogênio
provocando uma reação exotérmica com uma expansão de
volume rompendo a superfície e formando os pós da liga. Esse
processo foi mais eficiente em pequena escala, não
apresentando resultados satisfatórios em escala comercial
(WALTON & WILLIAMS, 2011). Esse pó de NdFeB pode
ser diretamente reprocessado para a fabricação de novos
ímãs sinterizados, em que as propriedades magnéticas
vão depender da composição dos ímãs nas sucatas
eletroeletrônicas (HARRIS & COLABORADORES, 2012).
No fluxograma da Figura 3 está exemplificado um esquema
geral do processo de reciclagem dos ímãs permanentes
fabricados a partir de elementos terras-raras.
No caso dos ímãs permanentes grandes, utilizados em veículos
híbridos e elétricos e na geração de energia eólica e que já
estejam no final de sua vida útil é mais viável a reciclagem
direta desses materiais magnéticos para serem reutilizados.
No entanto, esse ímãs geralmente podem ser utilizados
durante longo período de tempo e, portanto, não estão
disponíveis em grandes quantidades nas sucatas industriais,
atualmente.
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
25
O reprocessamento dos materiais magnéticos para reciclagem
e recuperação dos elementos terras-raras é mais relevante e
viável nos ímãs menores presentes nos equipamentos
eletrônicos, como celulares, fones de ouvido, tablets e nos
discos rígidos. Além disso, os resíduos originados da
fabricação dos ímãs permanentes muitas vezes apresentam
uma grande quantidade de terras-raras podendo também ser
tratados (BINNEMANS & COLABORADORES, 2013; TANAKA
& COLABORADORES, 2013).
Fonte: Binnemans & Colaboradores, 2013. Adaptado.
Figura 3. Fluxograma simplificado do processo de reciclagem dos
ímãs de terras-raras.
Dentre as aplicações mencionadas acima, a que mais se
destaca em quantidade total de sucata com elementos
terras-raras são os discos rígidos de computadores pessoais.
Além de apresentarem uma rápida rotatividade, esses
equipamentos são produzidos em larga escala. No ano de
26
Gomes, R. C.
2011, foram produzidos cerca de 600 milhões de discos rígidos
no mundo. Considerando que cada disco tem entre 10 e 20
gramas de NdFeB, são utilizados aproximadamente entre 6000
e 12000 toneladas dessa liga de neodímio por ano, somente
para a produção dos discos rígidos (WALTON & WILLIAMS,
2011).
Depois do processo de reciclagem, envolvendo também a
separação das terras-raras dos outros metais de transição, a
mistura de neodímio com as outras TR é separada em
elementos individuais que podem ser transformados
novamente em ligas para a geração de novos ímãs
permanentes, como mostra o fluxograma da Figura 3 ou podem
ser aproveitados em outras aplicações que envolvam esses
elementos, como em materiais fosforescentes e em
catalisadores de craqueamento catalítico.
2.2 | Possibilidades de Obtenção das Terras-raras a
partir dos Ímãs
Os ímãs de terras-raras são frágeis e sofrem fratura com
facilidade. Estima-se que entre 20-30% da produção de ímãs é
perdida durante a fabricação, devido a quebras (AKAI, 2008).
Os primeiros estudos realizados visando à recuperação de
terras-raras a partir da reciclagem focaram na liga SmCo, pois
o uso da liga NdFeB ainda não tinha sido difundido. Tanto a
reciclagem do samário como do cobalto foram analisadas na
década de 90 e se mostraram eficazes (ELLIS &
COLABORADORES, 1994; BOUNDS, 1994). A reciclagem
desse tipo de material tem algumas vantagens como, por
exemplo, o fato desses ímãs, em geral, só apresentarem um
elemento das terras-raras, o samário, facilitando a sua
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
27
separação. Além disso, os ímãs de SmCo não possuem
material de revestimento protetor que contém outros metais,
como cobre e níquel, o que facilita o processo. O problema é
que, como mencionado no item 2.1, esses ímãs correspondem,
atualmente, a cerca de somente 2% do mercado de ímãs
permanentes no mundo.
A liga de NdFeB, no entanto, apresenta outras terras-raras na
sua composição além do neodímio e isso dificulta,
consideravelmente, o processo de separação. Seus ímãs
contêm, também, um revestimento de outros metais que
tornam a reciclagem mais complexa. Ademais, essa liga
contém, em média, entre 65 e 70% em peso de ferro que não
pode ser reciclado como um produto comercial. Com isso,
diversos estudos encontrados na literatura, na década de 80 e
90, chegaram à conclusão da não viabilidade econômica
da recuperação de neodímio através desses ímãs
permanentes (ELLIS & COLABORADORES, 1994; LYMAN &
PALMER, 1992).
No entanto, com o aumento desproporcional do preço das
terras-raras, incluindo do neodímio, a partir do final de 2011,
a recuperação desses elementos, a partir de fontes
secundárias, voltou a ser estudada (BINNEMANS &
COLABORADORES, 2013).
Segundo Panayotova (2012), existem três categorias de
resíduos derivados da produção de ímãs de terras-raras: ímãs
que terminaram sua vida útil e foram rejeitados; resíduos da
operação de moagem e trituração que foi realizada para
fabricar os ímãs e resíduos deixados no forno após os
processos de fusão a vácuo, atomização ou resfriamento
rápido.
28
Gomes, R. C.
Essas duas últimas categorias fazem parte da reciclagem
pré-consumo. Esta recuperação dos resíduos dos materiais
antes do uso é uma tarefa geralmente mais fácil, comparada
com a reciclagem pós-consumo. A sucata contendo os
resíduos que nunca foram processados apresentam,
normalmente, uma maior quantidade relativa de material com
maiores concentrações dos metais que podem ser
recuperados.
Em relação à reciclagem dos ímãs no fim da vida útil
(pós-consumo), algumas dificuldades são apresentadas.
O metal de interesse, muitas vezes, está presente em uma
composição mínima comparada à complexa matriz do objeto.
Além disso, a falta de tecnologia, infraestrutura adequada e
incentivo à reciclagem também são problemas críticos.
Os elementos terras-raras apresentam aspectos que dificultam
mais ainda essa operação, como por exemplo: a complexidade
dos processos de recuperação dos elementos de forma
individual (se a reciclagem direta não puder ser utilizada) e a
quantidade excessiva de energia necessária para o processo
(PANAYOTOVA, 2012).
Sobre esse tipo de recuperação, Schüler & Colaboradores
(2011) dividiram a reciclagem de sucatas geradas no processo
de produção de ímãs permanentes pós consumo, em quatro
processos:
−
Recuperação das terras-raras, no estado não oxidado,
por meio de fusão, apresentando geralmente
baixo rendimento de recuperação (KARA &
COLABORADORES, 2010);
−
recuperação das terras-raras no estado oxidado;
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
29
−
recuperação do material pronto e recombinação para
formação de novos ímãs;
−
extração direta seletiva de neodímio e disprósio
(SHIRAYAMA & OKABE, 2009).
Os métodos de separação incluem o uso de processos
hidrometalúrgicos e pirometalúrgicos de extração, extração
com metais líquidos, moagem e ressinterização, dentre outras.
2.2.1 | Processos Hidrometalúrgicos
É o método mais estudado para recuperação de terras-raras a
partir de ímãs permanentes. Os primeiros estudos focaram no
processamento dos produtos dos resíduos pré-consumo
resultantes
da
fabricação
dos
ímãs
(ELLIS
&
COLABORADORES, 1994).
Os processos hidrometalúrgicos funcionam da mesma forma
que na mineração primária de terras-raras. O procedimento
ocorre com a lixiviação seletiva dos ímãs permanentes, com
ácidos minerais. As soluções resultantes, são então, separadas
e precipitadas com a adição de ácido oxálico ou ácido
fluorídrico, para formar o oxalato ou fluoreto. Os óxidos que têm
maior valor comercial podem ser obtidos através da calcinação
dos oxalatos (CAMPOS, 2000).
Os compostos formados podem ainda passar por uma lavagem
para remoção de outras espécies dissolvidas que podem
contaminar os materiais como o níquel e cobre, por exemplo,
presentes no revestimento protetor dos ímãs. Posteriormente,
30
Gomes, R. C.
dependendo da viabilidade econômica podem também sofrer
uma redução térmica, visando à obtenção do elemento na sua
forma metálica, com maior valor agregado (HOLLINS, 2010).
Lyman & Palmer (1994) desenvolveram um processo
hidrometalúrgico para separação das terras-raras de uma
sucata de ímãs de NdFeB. O primeiro passo foi a lixiviação do
material em uma solução aquosa de ácido sulfúrico, mantendo
pH fortemente ácido, para evitar a precipitação do hidróxido de
ferro (ocorre em pHs superiores a 3). O pH final da solução
encontrado por eles foi de 0,2 e com auxílio de soluções
aquosas de hidróxido de sódio ou potássio ou amônio, o pH foi
aumentado para 1,5 formando o sal duplo de sulfato de sódio
ou potássio ou amônio e neodímio. Esse sal duplo foi tratado
com HF e foi formado o trifluoreto de neodímio que pode sofrer
um processo de redução calciotérmica para obtenção do metal
do neodímio.
A utilização de ultrassom durante o período de lixiviação pode
reduzir o tempo de reação requerido. À temperatura ambiente,
o uso de ultrassom a 20 kHz e 600 W durante a lixiviação ácida
com HCl, diminuindo o tempo de lixiviação completa do térbio
quase pela metade, sendo 60 minutos com ultrassom e 115
minutos sem (TANAKA & COLABORADORES, 2002).
Ellis & Colaboradores estudaram a reciclagem para a
recuperação de uma liga forte de neodímio-ferro que possa ser
reutilizada diretamente para a produção de novos ímãs NdFeB.
Os resíduos contendo os ímãs são atacados com HNO3 e a
adição de HF resulta na formação de sal duplo de fluoreto de
neodímio-ferro. Este sal duplo passa por um procedimento de
secagem e redução calciotérmica para a produção da liga
metálica Nd-Fe.
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
31
Os métodos hidrometalúrgicos apresentam vantagens, como
uma maior gama de aplicabilidade independentemente da
composição do material magnético, podendo ser usado tanto
em ligas de metais não oxidados como nos oxidados. O fato
desse método apresentar a mesma metodologia e as mesmas
etapas básicas da mineração primária das terras-raras também
é um benefício comparado com outros tipos de processos.
Fatores como o consumo de grande quantidade de produtos
químicos, uso excessivo de água no processo e necessidade
de muitas etapas para a obtenção dos novos ímãs são
algumas das desvantagens da reciclagem por hidrometalurgia.
2.2.2 | Extração com Metais Líquidos
O processo de extração com metais líquidos pode ser
comparado com a extração líquido-líquido convencional
(extração por solventes). A diferença é que, ao invés de
solventes orgânicos, os ímãs são separados por ligas líquidas.
Assim, ocorre a dissolução seletiva da liga de terras-raras, que
se distribuem entre duas fases de metais líquidos imiscíveis.
A vantagem de usar essa técnica para reciclagem desse tipo
de material é que ela permite o processamento de diversas
variedades de tamanhos e tipos de resíduos, desde limalhas de
ferro até lingotes específicos. O objetivo é produzir um material
mais puro possível, com uma pequena quantidade de oxigênio,
nitrogênio, oxigênio e compostos intermetálicos.
32
Gomes, R. C.
As desvantagens deste processo envolvem a necessidade de
altas temperaturas e os altos custos de processos de
destilação para separação das terras-raras dos metais usados
como extratante, por exemplo, o magnésio (ELLIS &
COLABORADORES, 1994).
A Figura 4 mostra um processo simplificado de extração com
metal líquido utilizando magnésio como extratante. O objetivo é
separar primeiro as terras-raras do ferro e do boro, para
posteriormente as isolar do magnésio.
Fonte: Akahori & Saeki, 2014. Adaptado.
Figura 4. Esquema simplificado do processo de recuperação de
terras-raras através da extração com magnésio fundido.
Okabe (2003) e Takeda & Colaboradores (2006) descreveram
métodos contínuos usando magnésio líquido para extração
seletiva do neodímio a partir de sucatas contendo os ímãs de
NdFeB. O magnésio depois é destilado da massa fundida
contendo o elemento de interesse. Takeda & Colaboradores
(2004) descreveram também um método de extração com
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
33
metal líquido utilizando prata fundida, seguido de um processo
de oxidação para remoção da prata e formação do óxido de
neodímio.
Xu & Colaboradores (2000) demonstraram um processo
desenvolvido na Universidade de Iowa, nos Estados Unidos,
baseado em uma reação sólido-líquido para reciclar
terras-raras, a partir de uma liga de Nd2Fe14B usando magnésio
fundido como extratante. A primeira parte do processo foi uma
lavagem das partículas de NdFeB em um solvente para
remoção dos resíduos, seguido de uma diminuição no tamanho
dos ímãs e imersão em magnésio líquido a 800°C. O neodímio
é solúvel em magnésio líquido a essa temperatura, enquanto
que o ferro é insolúvel (OKAMOTO, 1991). Recupera-se assim
o Nd em forma da liga magnésio-neodímio, separando-o do
ferro e do boro. Essa liga pode ser usada na alimentação das
indústrias de fundição do magnésio. Para obtenção do
neodímio puro, sem magnésio, é realizada uma destilação a
vácuo.
2.2.3 | Extração em Fase Gasosa
Adachi & Colaboradores (1991) desenvolveram um processo
para recuperação de terras-raras, a partir de ímãs permanentes
similares aos processos de recuperação de metais como
vanádio, níquel e cobre oriundos de fontes secundárias,
através da cloração (com Cl2) e carbocloração (com Cl2 e CO),
em que esses metais são transformados em cloretos voláteis e
separados baseado nas diferenças de volatilidade.
34
Gomes, R. C.
Esse processo aplicado para obtenção das terras-raras é mais
complexo que a recuperação dos metais de transição.
Os cloretos de terras-raras são menos voláteis dificultando,
assim, a separação desses dos outros elementos. Sendo
necessário, portanto, altas temperaturas e longos tempos de
reação.
A formação de complexos com cloretos de metais alcalinos
como, por exemplo, o KTRCl4 e com cloretos de alumínio do
tipo TRAlCl6 aumentam, consideravelmente, a pressão de
vapor e consequentemente aumentam a volatilidade dos
cloretos formados (JIANG & COLABORADORES, 1997).
O maior problema desse método, segundo Murase &
Colaboradores (1995) e Ozaki & Colaboradores (1999) é a alta
corrossividade do cloreto de alumínio que hidrolisa com a
formação de cloreto de hidrogênio na forma gasosa.
2.2.4 | Moagem e Ressinterização
A moagem e a ressinterização de ímãs permanentes é
aplicada, principalmente, para sucata de discos rígidos.
O processo normalmente requer a adição de pequenas
quantidades de elementos de terras-raras novos, para a
confecção das ligas mais novas e mais mordernas (ALONSO &
COLABORADORES, 2012).
Zakotnik & Colaboradores (2009) reciclaram ímãs de neodímio
oriundos de discos rígidos através dessa técnica utilizando 1%
de Nd novo. Kawasaki & Colaboradores (2003) também
utilizaram essa técnica adicionando uma maior quantidade de
neodímio novo aos resíduos, antes da ressinterização. Ambos
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
35
apresentaram resultados satisfatórios, indicando que a adição
do elemento novo compensou a perda de neodímio devido à
evaporação e à oxidação.
2.2.5 | Extração Eletrolítica
Esta metodologia consiste na cloração e dissolução dos metais
de terras-raras em cloreto de sódio e cloreto de potássio.
Segundo Yamamura (2003), a extração eletrolítica de neodímio
e disprósio apresentou uma baixa eficiência devido à
solubilidade desses metais no material fundido.
Uda & Hirasawa (2003) apresentaram um método com boa
seletividade, separando uma mistura binária de cloreto de
terras-raras por redução e destilação a vácuo. Os ímãs foram
clorados por FeCl2 para remover disprósio e neodímio na forma
de seus cloretos (DyCl3 e NdCl3). Esse cloretos recuperados
foram reagidos em solução aquosa e convertidos em óxidos,
sendo que esses óxidos podem ser utilizados no processo de
eletrólise.
A operação de extração eletrolítica funciona de forma mais
efetiva somente em fragmentos de ímãs relativamente livres de
impurezas, por exemplo em ímãs que foram quebrados durante
o processo de fabricação. Em limalhas de ferro, essa
metodologia não funciona efetivamente, devido às partículas
serem extremamente finas e o grau de contaminação muito
elevado.
Não é um método adequado também para separação dos
elementos terras-raras dos metais de transição. Entretanto para
uma reciclagem em um circuito fechado de grandes volumes de
36
Gomes, R. C.
material limpo de alta qualidade, essa operação unitária
mostra-se promissora (BINNEMANS & COLABORADORES,
2012).
2.2.6 | Outros Processos
Também foram estudados métodos utilizando a escória de
certos metais, em que as ligas de terras-raras são colocados
em contato com um fluxo desses metais fundidos que são
capazes de dissolver seletivamente os elementos de interesse
(neodímio, por exemplo) e têm a capacidade de arrefecer em
forma de vidro. Saito & Colaboradores (2003) estudaram a
extração de neodímio de uma liga de NdFeB reagindo-a com
trióxido de boro fundido e separando o ferro e o boro (na forma
de • -Fe e Fe2B) com uma quantidade insignificante de Nd
(menor que 0,01% em peso) (SAITO & MOTEGI, 2004).
As terras-raras podem ser recuperadas dissolvendo o sólido
formado em ácido sulfúrico seguido de precipitação seletiva na
forma de sulfato duplo ou hidróxido de TR. A desvantagem
desse método é a formação excessiva de resíduos inorgânicos
(SAITO & COLABORADORES, 2006).
Ácido bórico também já foi estudado como reagente para
extração de elementos terras-raras de ligas formadas por aço e
lantanídeos fabricando um complexo na forma [TR-BO3].
Os resultados de recuperação não foram muito eficazes
(SCHÜLER & COLABORADORES, 2011).
O estudo da fusão direta de sucatas relativamente novas e
limpas de ímãs para a produção de novos ímãs permanentes
também é encontrado na literatura. Esse método não é
eficiente devido à alta quantidade de oxigênio e carbono
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
37
presentes na sucata. O oxigênio resulta numa formação grande
de óxidos de resíduos e, consequentemente, em uma perda
significativa de terras-raras que se associam facilmente a esses
óxidos. A alta quantidade de carbono também é desfavorável
para o processo, pois a fusão direta não consegue removê-lo e
isso prejudica as propriedades magnéticas do ímã formado
(ALONSO & COLABORADORES, 2012).
Para remover o carbono e o oxigênio, a sucata tem que ser
primeiro descarbonizada por aquecimento em atmosfera de
hidrogênio, para reduzir Fe2O3 seguido de redução dos óxidos
de terras-raras, utilizando cálcio na forma metálica (SAGUCHI
& COLABORADORES, 2006).
Em Itoh & Colaboradores (2004) foi descrito um processo de
reciclagem direta do pó magnético isotrópico de NdFeB através
de um procedimento de solidificação em rotação. Os ímãs
permanentes formados apresentaram boas propriedades
magnéticas.
38
Gomes, R. C.
3 | CONSIDERAÇÕES FINAIS
A reciclagem de metais de terras-raras no mundo provenientes
de produtos no final da vida útil ainda é irrelevante em
comparação com a reciclagem de metais base, como o ferro e
o alumínio e metais preciosos, como o ouro e a prata. Apesar
de a situação brasileira não ser diferente, houve uma pequena
intensificação no desenvolvimento de pesquisas para produção
de terras-raras, com a retomada do interesse na produção
nacional desses metais, a partir do ano de 2011 e,
consequentemente, se desenvolveu o interesse por estudos
envolvendo a reciclagem desses elementos a partir de fontes
secundárias.
Sendo os ímãs permanentes o principal produto formado a
partir desses elementos, é importante analisar a recuperação
de terras-raras a partir desses materiais magnéticos.
No entanto, a tecnologia de separação desses elementos dos
outros metais e do resto da sucata apresenta desafios
substanciais para a viabilização econômica.
A abordagem mais viável de reciclagem de ímãs permanentes
seria a simples reutilização dos ímãs em sua mesma forma de
descarte. Esta opção, no entanto, é mais possível para os
grandes ímãs de turbinas eólicas e motores elétricos, como os
presentes nos veículos híbridos. Porém, devido a essas
tecnologias serem relativamente novas, e aos ímãs utilizados
apresentarem longos tempos de serviço, esse fluxo material
ainda não é relevante para a geração de um processo de
reciclagem
economicamente
viável
(BINNEMANS
&
COLABORADORES, 2013).
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
39
Atualmente, o estoque de materiais com ímãs de NdFeB que
poderiam ser reciclados é proveniente de produtos eletrônicos
de uso doméstico, em que se destacam as unidades de discos
rígidos de computadores. Essas unidades possuem
consideráveis teores do ímã de NdFeB e têm alta rotatividade
no mercado, com vida útil de cerca de três anos.
No ano de 2011, segundo Walton & Willians (2011), foram
produzidos cerca de 600 milhões de unidades de discos rígidos
no mundo. A partir deste dado, pode-se fazer uma estimativa
de que no ano de 2014 estas peças estariam no final da vida
útil sendo, portanto, descartadas.
A Tabela 3 apresenta a composição típica de um ímã de
NdFeB usado na fabricação de discos rígidos. Considerando
os valores médios dessa tabela (30% de Nd e 1% de Dy) e que
cada disco rígido possui cerca de 10 gramas de ímãs
permanentes, é possível verificar que cada disco rígido tem em
média 3 gramas de neodímio e 0,1 gramas de disprósio.
Tabela 3. Composição típica de um ímã permanente usado em discos
rígidos.
Principais Elementos da Liga NdFeB
Porcentagem na Composição (%)
Neodímio (Nd)
29 – 32 %
Ferro (Fe)
65 – 70 %
Boro (B)
1 – 1,2 %
Disprósio (Dy)
Outros
Fonte: Lenz, 2013.
0,8 – 1,2 %
0,5 – 4 %
40
Gomes, R. C.
A partir destes dados, pode-se realizar uma estimativa simplista
sobre o potencial teórico de recuperação de terras-raras
provenientes de ímãs permanentes. Para isso, multiplicam-se
essas massas de Nd e Dy que compõem cada unidade de
disco rígido pelo número total de discos rígidos potencialmente
descartados, em 2014, no mundo (600 milhões). Com isso,
chega-se ao valor de 1800 toneladas de neodímio e de 60
toneladas de disprósio passíveis de recuperação a partir
dessas peças.
A Tabela 4 demonstra essas projeções em valores de venda,
tanto para os metais como para os óxidos desses dois
elementos. Nota-se um potencial grande de valor bruto de
venda, tanto do neodímio como do disprósio, resultante da
elevada massa anual passível de recuperação provenientes
dos discos rígidos descartados ao redor do mundo em 2014.
Tabela 4. Projeção do valor de venda para Nd e Dy obtidos por meio
de reciclagem de ímãs permanentes oriundos de discos rígidos no
mundo.
Elementos Terras-raras
Neodímio (Nd)
Disprósio (Dy)
Massa anual passível de recuperação (ton)
1800
60
Preço do metal (US$/Kg) (ano base: 2014)
98
750
Preço do óxido (US$/Kg) (ano base: 2014)
72
525
106)
176,40
45,00
Valor de venda do óxido (US$ x 106)
129,60
31,50
Valor de venda do metal (US$ x
Fonte dos preços dos metais e dos óxidos de Nd e Dy: http://www.
mineralprices.com/default.aspx. Acesso em 25 de novembro de 2014.
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
41
É importante, também, fazer essa análise em relação ao
potencial brasileiro. Não foram encontrados dados sobre a
produção de discos rígidos no Brasil, no ano de 2011.
No entanto, nesse mesmo ano, segundo a empresa de
pesquisa IDC, foram comercializados, no Brasil, cerca de 16
milhões de computadores pessoais (incluindo os portáteis e os
desktops). Considerando que cada computador possui um
disco rígido e que esses dispositivos têm vida útil de três anos,
em média, no ano de 2014 essas peças já estariam sendo
descartadas. Com isso, é possível repetir a análise realizada na
Tabela 4, com os dados brasileiros estimados.
No caso em discussão, a Tabela 5 demonstra essa projeção
preliminar para o potencial brasileiro de aproveitamento de
neodímio e disprósio, a partir de ímãs permanentes oriundos
somente dos discos rígidos. Nota-se que o mercado de
produção dos óxidos somando o Nd com o Dy está entre 4 e 5
milhões de dólares anuais. Se a produção avançar até a
geração dos metais, o lucro na venda desses dois elementos
aumenta alcançando quase 6 milhões de dólares por ano.
Tabela 5. Projeção do valor de venda para Nd e Dy obtidos por meio
de reciclagem de ímãs permanentes oriundos de discos rígidos no
Brasil.
Elementos Terras-raras
Neodímio (Nd)
Disprósio (Dy)
Massa anual passível de recuperação (ton)
48
1,6
Preço do metal (US$/Kg) (ano base: 2014)
98
750
Preço do óxido (US$/Kg) (ano base: 2014)
72
525
Valor de venda do metal (US$ x 103)
4704
1200
Valor de venda do óxido (US$ x 103)
3456
840
Fonte dos preços: http://www.mineralprices.com/default. Acesso em 25/11/14.
42
Gomes, R. C.
Um aspecto que tem que ser citado é o fato de que os discos
rígidos produzidos três anos antes são gerados por
especificações muitas vezes ultrapassadas. Estes ímãs podem
possuir tecnologia obsoleta e desempenho abaixo do
esperado, necessitando, provavelmente, de uma adição extra
de disprósio. Para fazer isso, seria necessário fundir
novamente a liga para produzir um novo ímã, aumentando o
custo de produção e reciclagem e diminuindo a eficiência.
Ainda assim, considerando que o cálculo da Tabela 5 reflete
apenas uma projeção de reciclagem dos discos rígidos e que
diversos outros dispositivos utilizam o ímã de NdFeB em suas
composições, é possível notar um mercado promissor para a
recuperação de neodímio e disprósio, a partir dessa fonte
secundária.
O Brasil, atualmente,não possui plantas de reciclagem de ímãs
permanentes e que atendam a essa tecnologia de forma
eficiente. Para essa potencialidade do mercado ser alcançada
na realidade, a pesquisa nessa área de fontes secundárias
para geração de elementos terras-raras tem que ser mais
amplamente desenvolvida no Brasil, com incentivos aos
avanços tecnológicos.
Potencial de aproveitamento de fontes secundárias para
terras-raras: ímãs permanentes
43
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Acesso em Outubro de
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divulgação da produção científica realizada no Centro. Até o
final do ano de 2014, já foram publicados, eletronicamente e/ou
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Últimos números da Série Estudos e Documentos
SED-86 – Potencial de Aproveitamento de Fontes
Secundárias para Terras-Raras: Resíduos industriais.
Bruno Marques Machado Bardano e Rafael de Carvalho,
2015.
SED-85 – Cério: Fontes, propriedades, processos de
separação, e mercado atual – Revisão. Thiago de Moraes
Moutinho e Ysrael Marrero Vera, 2014.
SED-84 – Breve Revisão Bibliográfica dos Processos de
Lixiviação de Minérios e Concentrados de Terras Raras.
Vanessa Monteiro Ribeiro, Ronaldo Luiz Corrêa dos Santos,
2014.
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