SEPARAÇÃO ELETROSTÁTICA APLICADA NA RECICLAGEM
DE BATERIAS DE ÍON DE LÍTIO
M. P. de SANTANA1, A. V. M. da SILVEIRA1, E. H. TANABE1 e D. A. BERTUOL1
1 Laboratório de Processos Ambientais - LAPAM, Departamento de Engenharia Química,
Universidade Federal de Santa Maria - UFSM E-mail para contato: andrevicente_eq@hotmail.com
RESUMO – Sabe-se que há uma preocupação ambiental relacionada com o crescente aumento na geração de lixo tecnológico com destaque para os telefones celulares e o consequente descarte de suas baterias. Nesse cenário, tecnologias de reciclagem eficientes e ambientalmente aceitáveis, que visam recuperar os diferentes componentes, têm grande importância. Este trabalho tem como objetivo o estudo dos parâmetros do processo de reciclagem de baterias de íon de lítio através de separação eletrostática. Os parâmetros selecionados para os testes foram a tensão dos eletrodos, a rotação do rolo, a distância do eletrodo de atração e o ângulo do defletor do coletor. Os mesmos foram estudados com material sintético cominuído em moinho de martelos. Como resultado, obteve-se uma elevada pureza na fração condutora com média de 98,98% de metais e também da fração não condutora, na qual obteve-se 99,6% de polímeros. Assim, desenvolveu-se um método eficiente que proporcionou a separação de metais e polímeros sem geração de resíduos adicionais. Além disso, o modelo de bateria de íon de lítio selecionada foi caracterizado através da separação e pesagem dos seus componentes e, posteriormente, processado no separador eletrostático utilizando as melhores condições avaliadas anteriormente.
1. INTRODUÇÃO
O grande desenvolvimento tecnológico faz com que também haja um grande consumo de equipamentos elétricos e eletrônicos (EEE), fazendo com que os mesmos sejam cada vez mais rapidamente descartados (Kasper et al., 2011). Dentre os EEEs portáteis, destacam-se os celulares, dos quais se estima que 60% são equipados com baterias de íons de lítio (LIBs - Lithium-ion Batteries), além de 90% dos laptops e de todos os aparelhos de mp3 do mundo (Carelli, 2009). Além da questão ambiental, esse tipo de bateria é uma fonte rica de metais de grande interesse comercial. Cerca de 36% do material metálico das baterias é de cobalto e cerca de 6% corresponde ao lítio. Estas baterias ainda contêm cerca de 14,5% de cobre e alumínio (Mantuano et al., 2006).
As baterias de íon de lítio secundárias são recarregáveis e não utilizam lítio metálico. A sua estrutura é basicamente composta por um cátodo, um ânodo, um eletrólito orgânico e um
separador polimérico. O cátodo é uma placa de alumínio revestida com uma mistura de material ativo catódico, adesivos e aditivos. O ânodo é constituído por uma placa de cobre revestido com uma mistura de grafite, adesivos e aditivos (Zhang et al., 1998). O material ativo catódico mais comumente usado em LIBs é o LiCoO2 (Lítio Cobalita) (Mohan et al., 2009). O eletrólito mais
utilizado é composto por sais de lítio dissolvidos em solventes orgânicos, juntamente com alguns aditivos, sendo absorvidos pelo separador polimérico (Linden e Reddy, 2008).
Atualmente, a reciclagem de LIBs baseia-se nos dois tipos básicos de reciclagem: processos físicos e químicos. Entre os processos físicos, pode-se citar o processamento mecânico (cominuição, separação granulométrica, etc) e tratamentos térmicos. Quanto aos processos químicos, têm-se a lixiviação ácida, biolixiviação, extração por solvente, precipitação química e eletroquímica (Xu et al., 2008). Os melhores resultados geralmente são obtidos com uma combinação de processos físicos e químicos (Al-Thyabat et al., 2013).
Os processos mecânicos de separação consistem na redução, homogeneização do tamanho de partículas e separação de diferentes componentes de acordo com suas propriedades físicas. A cominuição é a primeira etapa de qualquer processo de reciclagem, tendo como objetivo a redução do tamanho do material, assim como uniformização do tamanho das partículas do material. Existem diferentes tipos de moinhos que podem ser utilizados, como martelos, facas e bolas, sendo que o primeiro utiliza o impacto e a pressão gerada pelos martelos nas partículas para fragmentá-las (Costa, 2010). Já a separação eletrostática é definida como a separação seletiva de corpos polarizados em um campo elétrico e se apresenta como uma maneira promissora na reciclagem de EEEs. No separador do tipo corona, as partículas não condutoras são carregadas após um “bombardeamento de íons” e ficam aderidas ao rolo, enquanto as condutoras são carregadas por indução eletrostática e atraídas para o eletrodo de atração (Jiang, Jia e Zhen-Ming, 2008).
Sendo assim, a aplicação da separação eletrostática na reciclagem de baterias de íon de lítio é um processo a ser estudado. Este trabalho avaliou o uso do processamento mecânico com a utilização de um separador eletrostático tipo rolo para a reciclagem baterias de íon de lítio. Foram avaliados diferentes parâmetros na recuperação dos diferentes materiais, com intuito de encontrar os parâmetros ideais de operação. O material utilizado no processamento mecânico foi caracterizado através de pesagem dos componentes.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Estudo dos parâmetros da separação eletrostática
Processamento mecânico: Para o estudo dos parâmetros do processo de separação eletrostática dos polímeros e metais, optou-se por não utilizar os componentes contendo o pó composto de grafite e óxido de lítio-cobalto. Devido à dificuldade da separação manual do óxido de lítio-cobalto do cátodo de alumínio, optou-se por utilizar um material sintético constituído de
todos os demais componentes metálicos e poliméricos da bateria de íon de lítio, com exceção do eletrodo de alumínio que foi substituído por papel alumínio comercial. Este material foi cominuído em um moinho de martelos com malha de abertura de 5 mm.
Separação eletrostática: Nesta etapa foi utilizado um separador eletrostático de laboratório modelo ESP-14/01S INBRAS na configuração tipo rolo (Inbras Eriez). Um esquema prático do funcionamento do separador pode ser observado na Figura 1. As variáveis testadas foram: velocidade de rotação do rolo (n), tensão dos eletrodos (U), distância do eletrodo de atração (D2) e ângulo do defletor (Â). O ângulo (Ө1) e a distância (D1) do eletrodo de ionização foram mantidos constantes em 6 cm e 25º, respectivamente, enquanto o ângulo do eletrodo de atração (Ө2) foi regulado em 75º, conforme já otimizado por Jiang, Jia e Zhen-ming (2008) na separação dos componentes de placas de circuito impresso. O ajuste do alimentador vibratório foi mantido em 30% e a umidade relativa do ar foi mantida abaixo de 50% em todos os testes. A determinação da melhor condição foi feita através da pesagem de cada uma das três frações: não condutora (FNC), intermediária (FI) e condutora (FC), seguida da separação manual dos metais e polímeros presentes em cada fração e nova pesagem. Com isso, foi possível determinar a quantidade de metais presente em cada fração.
Figura 1 – Esquema do funcionamento do separador tipo rolo. Fonte: Elaborado pelo autor.
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2.2. Caracterização e processamento mecânico
Caracterização por pesagem dos componentes: A caracterização da bateria Motorola BR50 foi feita visando a quantificação dos diferentes materiais presentes. Uma bateria foi aberta com o auxílio de alicates e colocada em estufa a 80ºC durante 24 horas para evaporação dos solventes orgânicos. Então, os componentes foram separados e pesados individualmente, enquanto a massa de eletrólito foi calculada através da perda de massa.
foi selecionado e 10 baterias foram cominuídas em um moinho de martelos com malha de abertura de 5 mm. A secagem foi realizada em estufa a 80ºC por 24 horas para evaporação dos solventes orgânicos. A separação granulométrica foi realizada em peneira de Tyler 65 (0,212 mm). Com isso, houve separação das frações metálica e polimérica da fração mais fina composta do óxido de lítio-cobalto e grafite. O material composto de metais e polímeros foi separado no separador eletrostático, utilizando as melhores condições avaliadas anteriormente.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Separação eletrostática
Para os testes iniciais, o eletrodo de atração foi regulado para a distância de 9 cm, a tensão fixada em 25 kV e o ângulo do defletor em 0°. Assim, a rotação do rolo foi variada entre 10, 20, 30, 40 e 50 rpm. Os percentuais de metais presentes em cada fração estão representados na Figura 2. Percebe-se que com rotações mais altas há uma redução da quantidade de metais na fração intermediária, mas também há uma diminuição do percentual de metais na fração condutora devido a um aumento da quantidade de polímeros nessa fração.
Figura 2 – Estudo da influência da variação da rotação do rolo à tensão de 25 kV, onde FC = Fração Condutora; FI = Fração Intermediária; FNC = Fração Não Condutora.
A partir do primeiro teste, tem-se como melhor resultado a rotação de 20 rpm, a qual foi fixada para testes posteriores. Variou-se então a tensão entre 15, 20, 25 e 30 kV. Observa-se na figura 3 que a maximização do percentual de metais presentes na fração condutora ocorre em 25 kV, onde 98,24% da fração é composta por metais. Assim, fixa-se a tensão em 25 kV. Após a determinação da melhor tensão e rotação, a distância do eletrodo de atração foi variada entre 4, 6, 9 e 12 cm e o resultado está representado na Figura 4. A melhor condição foi com 6 cm, na qual obteve-se uma pureza elevada na fração condutora (98,8%) combinada com o menor percentual de metais na fração intermediária (14,91%).
Figura 3 – Estudo da influência da tensão dos eletrodos à rotação de 20 rpm.
Figura 4 – Estudo da influência da distância do eletrodo estático a 20 rpm e 25 kV. Por último, o ângulo do defletor do coletor foi variado em 0 º, 2,5 º, 5 º e 7,5º conforme ilustrado na Figura 5. É possível observar que com o aumento do ângulo, tem-se também um aumento da percentagem de metais na fração intermediária, o que é indesejável.
Assim, as melhores condições para separação eletrostática foram definidas como indicado na Tabela 1. As melhores condições foram reproduzidas em triplicata, obtendo-se uma separação com 98,98% (± 0,43%) de metais na fração condutora, 16,26% (± 2,61%) na fração intermediária e 0,40% (±0,69%) na fração não condutora.
Tabela 1 – Descrição das melhores condições de operação para separação eletrostática
Parâmetro Condição Tensão 25 kV Rotação do rolo 20 rpm Eletrodo de indução 6 cm e 25º Eletrodo de atração 6 cm e 75º Ângulo do defletor 0º
Nessas condições, também foi testada a possível melhora no resultado quando a fração intermediária (FI) era reprocessada no separador eletrostático. Observou-se que há uma diminuição considerável na quantidade de metais na fração intermediária, caindo de 14,91% quando não reprocessada para 2,97% apenas com um reprocessamento. No entanto, houve também um aumento da quantidade de polímeros na fração condutora fazendo com que o percentual de metais decaísse de 98,80% para 96,41%.
3.2. Caracterização e aplicação do processamento mecânico
O resultado da pesagem dos componentes da bateria Motorola BR50 aberta manualmente está representado na Tabela 2, juntamente com a fração mássica correspondente.
Tabela 2 – Quantificação dos componentes da bateria
Material Massa % mássica
Papel 0,030 0,16 Case Metálico 7,550 40,82 Polímeros 2,098 11,34 Conector 0,410 2,22 Separador Polimérico 0,305 1,65 Cobre 0,967 5,23 Grafite 1,443 7,80 Alumínio 0,640 3,46 LiCoO2 3,104 16,78 Eletrólito 1,950 10,54 Σ 18,497 100,00
Observa-se que o componente de maior massa da bateria é o case metálico, o qual corresponde a 40,82% do total. Outros componentes com massa relevante são o LiCoO2 e os
polímeros, o quais correnpondem a 16,78% e 11,34%, respectivamente. Os eletrodos de Cu e Al correspondem a apenas 8,69% da massa total das baterias.
Por fim, a Figura 6, representa as frações obtidas após aplicação de todas as operações unitárias do processamento mecânico. Após a cominuição e secagem os materiais passam por uma separação granulométrica onde se separa o pó, composto de LiCoO2 e grafite (Figura 6a),
dos demais componentes. O material restante é levado ao separador eletrostático nas melhores condições já estudas. Assim, é possível a obtenção de uma fração não condutora composta pelos polímeros (Figura 6b), uma fração intermediaria composta de uma mistura de polímero e metais (Figura 6c) e uma fração condutora composta pelos metais presentes nas baterias (Figura 6d).
Figura 6 - Frações obtidas após o processamento mecânico a) Pó (LiCoO2 + Grafite), b) FNC, c)
FI e d) FC.
4. CONCLUSÃO
A separação eletrostática foi eficiente para separar os metais dos polímeros que compõem as baterias de íon de lítio. Através deste processamento, obteve-se a fração condutora com 98,98% de metais e a fração não condutora com 99,6% de polímeros utilizando as condições ideais de operação. Sendo assim, esta operação constitui-se como uma boa alternativa para a reciclagem de baterias de íon de lítio. A observação visual, do resultado da aplicação do processamento mecânico à bateria Motorola BR50, mostra que também houve a separação, pois se visualiza a fração não condutora composta por polímeros e a fração condutora composta majoritariamente por metais.
Além disso, através da caracterização pode-se observar que o as frações metálicas (case metálico, eletrodo de cobre e eletrodo de alumínio) e as frações poliméricas, correspondem a 49,51% e 12,99% em massa, respectivamente. Essas frações podem ser recuperadas com um alto grau de pureza através da separação eletrostática, como visualizado na figura 6. Já o LiCoO2 corresponde a
16,78% da massa, e os metais presentes nele, Li e Co, podem ser recuperados por processos químicos de reciclagem.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores do presente trabalho agradecem o apoio da Secretaria de Desenvolvimento Econômico, Ciência e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul (SDECT - RS); da Agência de Inovação e Transferência de Tecnologia UFSM (AGITTEC - UFSM); da Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
6. REFERÊNCIAS
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