Extração de escândio a partir de reservas não exploradas utilizando rota hidrometalúrgica com foco no desenvolvimento sustentável.

Autor(es)

Amilton Barbosa Botelho Junior

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2021-08-26

Membros da banca

Jorge Alberto Soares Tenório; Fernando Gabriel da Silva Araujo; Juliana de Carvalho Izidoro; Marcelo Borges Mansur; Mauricio Leonardo Torem

• Orientador: Jorge Alberto Soares Tenório; Denise Crocce Romano Espinosa

Resumo

Escândio é um dos elementos presentes na lista de metais terras raras, sendo o mais valioso entre eles. O elemento é amplamente utilizado em ligas leves de alumínio, aparelhos eletrônicos, lasers, iluminação e células de combustível de óxido sólido (SOFCs). Escândio e todos os elementos terras raras são considerados críticos pela União Europeia, Brasil e pelos EUA devido aos riscos de interrupção na cadeia de fornecimento, importância econômica, reservas limitadas, baixa taxa de reciclagem e praticamente insubstituível na aplicação de tecnologias verdes. Por esta razão, é essencial o estudo de rotas extrativas de escândio a partir de novas reservas para desenvolver um processo economicamente e tecnicamente viável. Assim, a demanda atual e crescente de um elemento crucial para o desenvolvimento de uma sociedade sustentável pode ser atendida. Bauxitas são consideradas a principal fonte de escândio no mundo, o qual é a matéria-prima para produção de alumina pelo processo Bayer. Após a extração da alumina, praticamente todo o escândio vai para o resíduo gerado no processo conhecido como resíduo de bauxita (ou lama vermelha). Estimase que pelo menos 4 bilhões de toneladas do resíduo estão armazenados em barragens no mundo, contendo 30-100mg/kg de escândio, o que pode valer entre US$400 4,500 bilhões. O elemento representa 95% do valor econômico do resíduo. Zircônio é reportado como o segundo mais valioso. A literatura tem mostrado que fontes contento acima de 20mg/kg merecem exploração devido a viabilidade econômica. Ainda, a descoberta de novas reservas primárias é crucial para atender a demanda de escândio. Entre as técnicas de extração, a rota hidrometalúrgica atinge as maiores taxas de extração principalmente em concentrações traço. Por outro lado, há dois problemas principais: a síntese de sílica gel que reduz a extração de escândio e aumenta o consumo de ácido, e a separação de escândio dos contaminantes. Por esta razão, o objetivo desta tese foi estudar a extração de escândio de duas reservas não exploradas: resíduo de bauxita de um processo Brasileiro e do minério silicatado de uma fonte Canadense. Técnicas de lixiviação e de separação foram estudadas. A caracterização dos materiais foi realizada por difração de raios-X, fluorescência de raios-X por energia dispersiva, distribuição granulométrica, microscopia eletrônica de varredura acoplado com energia dispersiva, perda ao fogo, carbono orgânico total, e espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado. Experimentos de lixiviação do resíduo de bauxita foram realizados usando H2SO4 e H3PO4, onde o efeito da relação sólido-líquido, tempo, temperatura, dosagem de H2O2, e concentração de ácido foram avaliados. Lixiviação direta e digestão à seco/sulfatação seguido por lixiviação com água foram estudados para extração de escândio do minério a base de silicato usando H2SO4. O efeito da dosagem de ácido e da temperatura de calcinação também foram estudados. A técnica de extração por solventes foi estudada para separação de escândio usando Alamine 336, D2EHPA, e Cyanex 923. O efeito do pH, temperatura, concentração de extratante, mistura com TBP e relação A/O foram explorados. Resultados mostraram que a concentração de escândio e zircônio foi de 43.5mg/kg e 1329.8mg/kg, respectivamente, e 36.4% de Fe2O3, 23.3% de Al2O3 21.6% de SiO2. As principais fases minerais foram quartzo, sodalita, gibbsita, goetita, hematita, boehmita e gibbsita. Teores de escândio e zircônio minério à base de sílica foi 191mg/kg e 8,090mg/kg, respectivamente. O material continha 36.3% de Fe2O3, 4.61% de Al2O3, e 39.4% de SiO2. As principais fases minerais era dickite, ferrohornblende, fayalite, hedenbergite e albite. A extração de escândio resíduo de bauxita atingiu 92% usando H2SO4 20%, relação sólido-líquido igual a 1/10 for 8h e 90°C. Houve praticamente 0% de lixiviação de silício. O H2O2 teve pouca contribuição na formação de dióxido de silício durante a lixiviação ácida do resíduo de bauxita. As taxas extração na lixiviação com H3PO4 foram similares à lixiviação com H2SO4, onde a eficiência de lixiviação de escândio, alumínio, e ferro atingiu 90%, enquanto que silício foi de 13%. A extração de metais valiosos do minério a base de silicato por lixiviação direta aumentou de 40% (25°C) para 80% (90°C). A extração de escândio por lixiviação direta e por sulfatação seguido por lixiviação com água foi de 13,5% e 5,6%, respectivamente. Todo zircônio foi separado da solução usando Alamine 336 10% em querosene, relação A/O igual a 1:1, pH 1.0 por 15min a 25°C. Não foi observado efeito sinérgico entre o extratante amina e o TBP. Cyanex 923 foi mais seletivo para escândio do que para D2EHPA, onde o fator de separação para Sc/Fe foi de 288 e 99, e Sc/Ti foi de 98 e 21.5, respectivamente. A eficiência de reextração do zircônio foi de 92% usando Na2CO3 para concentração acima de 0.25mol/L. A etapa de lavagem pode ser realizada por HCl 5mol/L com perda de escândio de 0.1%. Todo o escândio foi extraído da fase orgânica usando H3PO4 5mol/L. A extração de escândio e zircônio (como coproduto) atingiu 92% e 25%, respectivamente. De acordo com o fluxograma proposto, seria possível obter 4kg de escândio e 31.9kg de zircônio a partir de 100 toneladas de resíduo de bauxita. O processo poderia gerar cerca de US$ 46.626 de óxido de escândio ou US$ 1.940.980.00 de fluoreto de escândio. O processo desenvolvido e a presente tese estão estritamente ligados aos objetivos para o desenvolvimento sustentável número 7 (7.2, 7a), 8 (8.2, 8.4), 9 (9.2, 9.4, 9.5, 9b), e 12 (12.2, 12.4, 12.5, 12.6, 12a). (AU)

• Processo FAPESP: 18/03483-6 - Estudo cinético e termodinâmico da recuperação de escândio da lama vermelha brasileira utilizando técnicas hidrometalúrgicas
• Beneficiário: Amilton Barbosa Botelho Junior
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado