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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/50208| Document type: | Dissertação |
| Access type: | Acesso Embargado |
| Embargo Date: | 2028-08-26 |
| Title: | Avanços na avaliação do processo de lixiviação sob sonicação para recuperação de lítio e cobalto de baterias de íons de lítio |
| Alternate title (s): | Advances in the evaluation of the sonication-assisted leaching process for lithium and cobalt recovery from lithium-ion batteries |
| Author: | Silva, Rayelle Caroline |
| First Advisor: | Ferreira, Juliana de Souza |
| First coorientator: | Falleiros, Larissa Nayhara Soares Santana |
| First member of the Committee: | Batista, Fabiana Regina Xavier |
| Second member of the Committee: | Lemos, Diego Andrade |
| Summary: | A reciclagem de metais que compõem lixos eletrônicos, como as baterias de íons de lítio (LIBs) usadas, representa uma fonte secundária destes componentes, além de ser uma alternativa de redução dos impactos ambientais e à saúde, uma vez que, os metais, ao serem descartados inadequadamente contaminam solos e lençóis freáticos. As LIBs são fontes valiosas de materiais de recuperação, principalmente de lítio e de cobalto. Portanto, torna-se urgente definir um processo de reciclagem ambiental e economicamente viável que ofereça o retorno dos metais como matéria-prima em quantidade suficiente para a fabricação de novas LIBs, visto que seu consumo tem se elevado continuamente. A proposta deste estudo foi abordar a recuperação de Li e Co presentes nas LIBs, investigando a técnica de lixiviação por ácidos orgânicos produzidos por fermentação com o intuito de reduzir o consumo de ácido sulfúrico. O pó de bateria empregado neste estudo foi composto do cátodo e do ânodo previamente moído. Este material foi caracterizado por difratometria de raios-X, microscopia eletrônica de varredura acoplada à espectroscopia por dispersão de energia e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado. Para o processo de lixiviação, o meio lixiviante foi composto de 1,07 M de H2SO4 e 0,93 M de ácidos orgânicos provenientes de meio de fermentação e comparou-se três tamanhos de partículas ("d" _"1" ≤ 250 μm, 250 μm < d2 ≤ 500 μm e 500 μm < d3 ≤ 850 μm). Nos testes preliminares, a eficiência da lixiviação a 70 ± 2 °C por 2,5 h e tendo razão sólido/líquido (S/L) de 18,5 g/L foi comparada sob sonicação (40 kHz e 200 W), agitação magnética (300 rpm) e sem agitação. Como estes testes mostraram que o processo sob sonicação possibilitou maiores recuperações de Li e Co, os demais experimentos deste estudo foram realizados empregando-se este sistema de lixiviação. Objetivando-se avaliar o efeito do tamanho da partícula sobre a recuperação de lítio e cobalto, realizou-se o delineamento composto central (DCC), tendo como variáveis independentes tempo (3 a 6 h), razão S/L (5,55 a 18,5 g/L) e temperatura (55 a 75 ºC) para cada tamanho de partícula. Como os resultados destes DCCs mostraram que a faixa da quantidade de bateria poderia ser ampliada e o tempo de processo poderia ser reduzido, aumentando-se assim a eficiência da lixiviação, um novo DCC foi realizado empregando-se tempo de 1,5 a 3,5 h, razão S/L de 20 a 100 g/L e temperatura de 55 a 75 ºC. Os resultados para a otimização do DCC para as partículas de granulometria d ≤ 250 μm, resultaram em recuperações de 99,44 % ± 0,02 % para Li e 99,70 % ± 0,07 % para Co, para as condições ótimas de 70 °C, 123,2 g/L e 2,5 h de processo. Para as partículas de granulometria 250 µm < d ≤ 500 µm a otimização consistiu em uma recuperação de 98,07 % ± 0,03 % de Li e 97,03 % ± 0,13 % de Co, sob as condições ótimas de 72 °C, 120 g/L e 2,5 h de processo. Já as partículas de granulometria 500 µm < d ≤ 850 µm apresentaram recuperação de 96,70 % ± 0,03 % de Li e 95,17 % ± 0,16 % de Co, sob as condições ótimas de 71 °C, 118 g/L e 2,5 h. A partir da realização do Teste de Tukey verificou-se que as recuperações obtidas pelas amostras de diferentes tamanhos apresentavam diferenças significativas entre si. Diante disso, constatou-se que um menor tamanho de amostra promove recuperações dos metais de interesse mais efetivas, quando empregando-se as condições avaliadas neste estudo. |
| Abstract: | The recycling of metals that make up electronic waste, such as used lithium-ion batteries (LIBs), represents a secondary source of these components, in addition to being an alternative for reducing environmental and health impacts, since when improperly disposed of, they contaminate soils and groundwater. LIBs are valuable sources of recovery materials, particularly lithium and cobalt. Therefore, it is urgent to define an environmentally and economically viable recycling process that offers the return of metals as raw material in sufficient quantity for new LIBs since their consumption has been rising continuously. The purpose of the current study was to address the recovery of Li and Co present in LIBs, investigating the leaching technique by organic acids produced by fermentation to reduce the consumption of sulfuric acid. The battery powder used was composed of the previously ground cathode and anode. The material was characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy coupled with energy dispersion spectroscopy, and inductively coupled plasma mass spectrometry. For the leaching process, the leaching medium was composed of 1.07 M H2SO4 and 0.93 M organic acids from the fermentation medium, and three particle sizes were compared (d1 ≤ 250 μm, 250 μm < d2 ≤ 500 μm and 500 μm < d3 ≤ 850 μm). In preliminary tests, the leaching efficiency at 70 ± 2 °C for 2.5 h and a solid/liquid ratio (S/L) of 18.5 g/L was compared under sonication (40 kHz and 200 W), magnetic stirring (300 rpm) and without agitation. As these tests showed that the process under sonication enabled higher recoveries of Li and Co, the other experiments were carried out using this leaching system. Aiming to evaluate the effect of particle size on lithium and cobalt recover a central composite design (CCD) was carried out, with the independent variables time (3 to 6 h), S/L ratio (5.55 to 18.5 g/L) and temperature (55 to 75 ºC) for each particle size. As the results of these DCCs showed that the battery quantity range could be expanded and the processing time could be reduced, thus increasing the leaching efficiency, a new DCC was performed using a reaction time of 1.5 to 3.5 hours, an S/L ratio ranging from 20 to 100 g/L, and a temperature between 55 to 75 °C. The results for the optimization of the DCC for the particles of particle size d ≤ 250 μm resulted in recoveries of 99.44 % ± 0.02 % for Li and 99.70 % ± 0.07 % for Co for the optimal conditions of 70 °C, 123.2 g/L and 2.5 h process. For the particles of granulometry 250 µm < d ≤ 500 µm, the optimization consisted of recovery of 98.07 % ± 0.03 % of Li and 97.03 % ± 0.13 % of Co under the optimal conditions of 72 ° C, 120 g/L, and 2.5 h process. The particles of granulometry 500 µm < d ≤ 850 µm presented recovery of 96.70 % ± 0.03 % of Li and 95.17 % ± 0.16 % of Co under the optimal conditions of 71 °C, 118 g /L, and 2.5 h. From the performance of the Tukey Test, the recoveries obtained by the samples of different sizes presented significant differences among themselves. Therefore, a smaller sample size promotes more effective recoveries of the metals of interest when using the conditions evaluated in this study. |
| Keywords: | Lixos eletrônicos Hidrometalurgia Economia circular Reciclagem Electronic waste Hydrometallurgy Circular economy Recycling |
| Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS |
| Subject: | Engenharia química Lítio Cobalto Lixo eletrônico - Reaproveitamento |
| Language: | por |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
| Quote: | SILVA, Rayelle Caroline. Avanços na avaliação do processo de lixiviação sob sonicação para recuperação de Lítio e Cobalto de baterias de íons de lítio. 2023. 122 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, 2023. DOI Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.349. |
| Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.349 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/50208 |
| Date of defense: | 14-Jul-2023 |
| Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 12. Consumo e produção responsáveis - Assegurar padrões de produção e de consumo sustentáveis. |
| Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Química |
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