ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

ICTR 2004 – CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

Costão do Santinho – Florianópolis – Santa Catarina

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PRÓXIMA

RECICLAGEM DE COBRE DE SUCATAS DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO Hugo M. Veit Vanessa C. Pereira Taiana R. Diehl Andréa M. Bernardes Jorge A. S. Tenório

RECICLAGEM DE COBRE DE SUCATAS DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

Hugo M. Veit⁽²⁾, Vanessa C. Pereira ⁽³⁾, Taiana R. Diehl ⁽⁴⁾, Andréa M. Bernardes ⁽⁵⁾, Jorge A. S.

Tenório ⁽⁶⁾

Resumo

A produção e o consumo de bens eletro-eletrônicos tem crescido muito e conseqüentemente a geração de resíduos sólidos no processo produtivo e a geração de sucatas após o consumo aumentam na mesma proporção. As placas de circuito impresso - PCI, que fazem parte destes equipamentos, são resíduos complexos, pois são compostos de polímeros, cerâmicos e metais, o que dificulta o seu reaproveitamento. Vários estudos para a sua reciclagem estão sendo realizados, pois estas sucatas contêm metais base, como o cobre, que são interessantes do ponto de vista econômico, e metais pesados, como o chumbo, que são perigosos ao meio ambiente. Este trabalho usou processamento mecânico e técnicas eletroquímicas a fim de concentrar os metais presentes em uma fração e os polímeros e cerâmicos em outra, e após separar e recuperar os metais entre si. Os resultados obtidos mostram que é possível concentrar os metais após processamento mecânico, tendo em média 50% de cobre, e através de eletrodeposição, o cobre pode ser recuperado.

Palavras-Chave: Reciclagem, Placas de Circuito Impresso, Cobre, Sucata Eletrônica.

2 LACOR – PPGEM – Universidade Federal do Rio Grande do Sul (PPGEM). Mestre em Engenharia (área de concentração: ciência dos materiais). Doutorando em Engenharia (PPGEM). Bolsista de doutorado da Capes.

3 LACOR – Escola de Engenharia – Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Graduanda do Curso de Engenharia Química da UFRGS. Bolsista de Iniciação Científica.

4 LACOR – Escola de Engenharia – Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Graduanda do Curso de Engenharia Metalúrgica da UFRGS. Bolsista de Iniciação Científica.

5 LACOR – PPGEM – Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Professora do Departamento de Materiais da UFRGS.

6 ESCOLA POLITÉCNICA – Universidade de São Paulo. Professor do Departamento de Metalurgia e Materiais da USP.

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Introdução

A indústria de produtos eletro-eletrônicos tem crescido muito nos últimos anos, e a tendência é manter este alto índice de desenvolvimento. Paralelamente, a quantidade de sucatas provenientes da indústria eletro-eletrônica cresce na mesma proporção, principalmente considerando-se o pequeno ciclo de vida (SAITO, 1994, p. 207-214) deste tipo de produto, ou seja, eles se tornam obsoletos rapidamente.

Entre os vários componentes dos produtos eletro-eletrônicos estão as placas de circuito impresso, que são componentes extremamente heterogêneos, contendo metais, polímeros e cerâmicos (ZHANG, 1999, p. 295; TENÓRIO, 1997, p. 505;

FELIX, 1994, p. 159).

Este trabalho está direcionado para as PCI usadas em computadores pessoais, que são atualmente a maior fonte deste tipo de resíduo.

Através deste trabalho pretende-se reciclar metais, em especial o cobre, presente em placas de circuito impresso, através de processamento mecânico e técnicas eletroquímicas, de maneira mais eficiente, mais econômica e com menos danos ao meio ambiente do que os processos já existentes, que usam hidrometalurgia ou pirometalurgia.

Materiais e Métodos

Neste trabalho foram utilizados cerca de 7 kg de sucatas de placas de circuito impresso. Inicialmente foram separadas duas porções, a primeira não sofreu nenhum tipo de processamento, enquanto da segunda foram retirados os componentes eletrônicos que estavam soldados aos substratos. Desta maneira obtivemos dois tipos de amostras, que serão estudadas em todas as outras etapas do trabalho.

• PCI: são as placas de circuito impresso completas, que foram separadas na primeira porção;

• CE: são somente os componentes eletrônicos, que foram retirados dos substratos na segunda porção;

Essa preparação inicial tem o objetivo de permitir o estudo de cada caso separadamente, ou seja, quando trabalhamos com as PCI completas, estamos estudando a sucata após o consumo. Quando trabalhamos somente com os componentes eletrônicos (CE), estamos trabalhando com os rejeitos da própria linha de montagem, seja por defeito ou por alterações no projeto.

Cominuição e Separação Granulométrica

Os dois tipos de amostras foram enviadas a um processo de cominuição em dois moinhos de facas. O primeiro faz um quebrantamento preliminar e o segundo um quebrantamento mais fino, deixando toda a massa cominuída com uma granulometria inferior a 1 mm. Em cada cominuição era processado cerca de 1 kg de sucata.

Após terem sido cominuídas, as amostras foram separadas granulometricamente em três frações distintas:

• F1: tamanho de partícula inferior a 0,25 mm;

• F2: tamanho de partícula entre 0,25 e 0,50 mm;

• F3: tamanho de partícula entre 0,50 e 1,00 mm.

As três frações para os dois tipos de amostras passaram então por um separador magnético, seguido de um separador eletrostático. Após utilizou-se a eletroobtenção a fim de recuperar o cobre separadamente.

A Figura 1 mostra esquematicamente todas as etapas do trabalho.

Separação Magnética e Separação Eletrostática

A rota estudada neste trabalho para concentrar os metais em uma fração utilizou separação magnética seguida de uma separação eletrostática.

Primeiramente cada fração para cada tipo de amostra foi separada magneticamente em um separador magnético de esteira por via seca, utilizando, em média, um campo magnético de 6000 a 6500 Gauss.

Quando uma partícula suscetível a um campo magnético é colocada em um separador magnético, uma força magnética irá agir sobre esta partícula possibilitando a sua separação dos demais materiais restantes.

A principal aplicação de um separador magnético a seco é remover partículas ferrosas e impurezas fortemente magnéticas ou então concentrar componentes valiosos que sejam fortemente magnéticos (SVOBODA, 2003, p. 785).

Nesse trabalho o resultado obtido foi uma fração magnética (provavelmente Fe e Ni) e uma não magnética (metais restantes, polímeros e cerâmicos). A fração não magnética foi conduzida ao separador eletrostático que irá então separar materiais condutores de não condutores.

Os separadores eletrostáticos são usados para separar materiais condutores de não condutores. A extrema diferença entre a condutividade elétrica ou resistência elétrica específica entre metais e não metais proporciona uma excelente condição para a implementação com sucesso de um separador eletrostático em reciclagem de resíduos.

Essa separação tem sido principalmente utilizada para separar cobre ou alumínio de fios e cabos elétricos picotados e também na recuperação de cobre e metais preciosos de sucatas de placas de circuito impresso (FORSSBERG, 2003, p.

243).

O separador eletrostático utilizado foi o modelo ES1010 da marca Equimag. A Figura 2 mostra esquematicamente o funcionamento do separador eletrostático.

4283

PCI

H2SO4 Água-Régia

Cominuição

Desmontagem Partes Perigosas

(Baterias, Capacitores, etc.)

3 Frações: F1, F2, F3

Análise

Química

Separação Eletrostática

Análise

Química

F1 < 0,25mm

0,25 <F2< 0,50 0,50 <F3< 1,0

Separação

Magnética Material Magnético (Fe, Ni) Material Não Magnético

Material Não Condutor (Polímeros e Cerâmicos)

Material Condutor (Cu, Sn, Pb, ...)

Solução Real com Ac.

Sulfúrico

Solução Real com Água-Régia

Eletroobtenção de Cobre

Classificação

Granulométrica

Figura 1 – Fluxograma apresentando esquematicamente todas as etapas do trabalho.

Figura 2 – Funcionamento de um Separador Eletrostático.

Neste trabalho o separador eletrostático foi regulado da seguinte maneira:

™ Eletrodo Ionizante: distância do rotor = 25 cm Ângulo = 80^o

™ Eletrodo Estático: distância do rotor = 25 cm Ângulo = 52,5^o

™ Rotação do Rotor: 85 rpm

™ Fonte de Alta Tensão: 45 – 46 kV

Da separação eletrostática retirou-se uma fração condutora e uma fração não condutora. As frações consideradas magnéticas, condutoras e as não condutoras foram analisadas quimicamente e os resultados serão apresentados na seqüência. A próxima etapa foi a utilização de processo de eletroobtenção a fim de recuperar o cobre separadamente.

Eletroobtenção

As frações concentradas em metais, provenientes do separador eletrostático, foram dissolvidas utilizando água régia ou ácido sulfúrico, para que os íons metálicos ficassem em solução, e então enviadas a um processo de eletroobtenção. Para realizar a dissolução pesou-se 10 gramas de amostra real da fração F3 condutora e dissolveu-se com água-régia ou ácido sulfúrico. Usando água-régia, a dissolução completa ocorreu em pouco tempo, cerca de 10 minutos. Quando se usou ácido sulfúrico, o tempo necessário foi maior, cerca de 1 hora. Em ambos os casos, a dissolução foi realizada aquecendo a solução. Após decorrido o tempo necessário, deixou-se esfriar e após filtrou-se a solução para retirar impurezas (polímeros e cerâmicos) que ainda poderiam estar presentes nas frações condutoras e que não são dissolvidos pelos ácidos empregados.

Os ensaios de eletroobtenção foram realizados com um potenciostato da marca EG&G modelo 362. Foram feitas eletroobtenções com duas soluções de F3 de PCI (dissolvida com Ácido Sulfúrico e com Água-Régia) e com duas soluções de CE (dissolvida com Ácido Sulfúrico e com Água-Régia).

A célula foi montada usando uma placa de cobre como cátodo e uma placa de platina como ânodo. As eletroobtenções foram realizadas aplicando 40 mA/cm² como densidade de corrente, valor obtido através de ensaios de voltametrias cíclicas.

4285

Resultados

Cominuição e classificação granulométrica

O processo de cominuição das Placas de Circuito Impresso realizado em dois moinhos de facas diferentes mostra que, devido à presença de metais, as Placas de Circuito Impresso são materiais de difícil cominuição. O resultado está mostrado na Figura 3-a (para PCI) e Figura 3-b (para CE) onde pode-se ver que a massa cominuída se concentrou principalmente nas frações mais grosseiras (F3).

25,5

20,09

54,37

0 10 20 30 40 50 60

F1 F2 F3

(%)

F1 < 0,25 mm 0,25 < F2 < 0,5 0,5 < F3 < 1,0

12,8 8,6

78

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

F1 F2 F3

(%)

F1 < 0,25 mm 0,25 < F2 < 0,5 0,5 < F3 < 1,0

a) b)

Figura 3 – Resultado da cominuição para placas de circuito impressa (a) e para componentes eletrônicos (b).

Uma análise química para os principais metais foi realizada em cada tipo de amostra e em cada fração. As amostras foram digeridas com água-régia em aproximadamente 15 minutos, após foram filtradas e analisadas quimicamente. Os resultados estão apresentados nas tabelas abaixo.

Tabela 1 – Análise química das frações metálicas de PCI após separação granulométrica.

PCI

(%) F1 F2 F3 Cobre 6,28 23,53 24,34 Ferro 0,13 0,13 0,18 Alumínio 3,01 1,55 1,56 Níquel 0,05 0,20 0,20 Chumbo 0,35 0,95 1,35 Estanho 2,51 2,50 2,51

Tabela 2 – Análise química das frações metálicas de CE após separação granulométrica.

CE

(%) F1 F2 F3 Cobre 9,68 17,25 30,15 Ferro 0,28 0,10 0,08 Alumínio 2,06 1,62 0,92 Níquel 0,40 0,31 0,60 Chumbo 2,34 3,18 2,78 Estanho 3,83 4,78 4,92

Separação Magnética

Os resultados estão apresentados na Tabela 3, que mostra os teores de Fe, Ni, Cu e Pb após análise química. Os metais analisados foram escolhidos da seguinte maneira: por serem ferromagnéticos, ou seja, deveriam estar presentes após uma separação magnética, casos do Fe e do Ni; por ser o metal mais encontrado nas placas de circuito impresso e o principal metal estudado neste trabalho, caso do Cu, e por ser o metal que torna as placas de circuito impresso resíduos perigosos, caso do Pb.

Tabela 3 - Análise química das frações de PCI e CE após separação magnética.

(%) Cobre Ferro Níquel Chumbo

F1 PCI 11,40 43,28 13,02 1,10

F2 PCI 16,22 42,02 17,76 1,88

F3 PCI 17,04 43,81 14,96 4,39

F1 CE 10,62 37,62 12,56 1,46

F2 CE 13,26 45,80 17,76 1,34

F3 CE 11,40 54,70 16,80 1,52

Separação Eletrostática

Após as sucatas de placas de circuito impresso terem sido cominuídas, separadas granulometricamente e sofrerem uma separação magnética, as frações restantes foram enviadas para a etapa de separação eletrostática.

As tabelas a seguir apresentam os teores de metais obtidos após a separação eletrostática (Tabela 4 e Tabela 5).

Os metais analisados foram escolhidos por serem bons condutores e também por serem os metais com os maiores teores encontrados nas placas de circuito impresso.

A Tabela 4 apresenta os teores de Cu, Fe, Ni, Pb, Al e Sn para as frações condutoras e a Tabela 5, os teores de Cu, Pb e Sn para as frações não condutoras.

Tabela 4 – Análise química das frações concentradas em metais (fração condutora) após a separação eletrostática.

(%) Cobre Ferro Níquel Chumbo Alumínio Estanho

F1 PCI 36,66 0,78 0,53 5,50 0,84 31,86

F2 PCI 53,21 0,12 0,27 9,67 0,76 20,58

F3 PCI 53,04 0,48 0,43 6,42 0,59 20,22

F1 CE 34,42 1,04 0,66 10,96 0,34 29,40

F2 CE 43,76 0,18 0,18 7,54 0,60 26,86

F3 CE 59,54 0,26 0,50 6,34 0,66 12,72

Tabela 5 – Análise química das frações não condutoras após separação eletrostática.

(%) Cobre Chumbo Estanho

F1 PCI 3,72 2,52 1,90

F2 PCI 9,80 0,74 0,90

F3 PCI 12,52 1,86 1,52

F1 CE 6,42 2,62 5,20

F2 CE 6,53 1,92 3,33

F3 CE 2,23 0,27 0,22

Eletroobtenção:

4287

Para realizar a eletroobtenção com a amostra de PCI, dissolveu-se 10g de F3 da fração condutora (concentrada em metais) com cerca de 100 mL de ácido sulfúrico ou 30 mL de água régia. Os resultados para a solução com ácido sulfúrico estão apresentados na Figura 4 e para a solução com água régia na Figura 5.

0 2 4 6

0 50 100 150

Tempo (minutos)

Concentração (g/L)

Cobre

Figura 4 – Variação da concentração de cobre e estanho em relação ao tempo em uma solução real de PCI dissolvida com ácido sulfúrico no ensaio de eletroobtenção.

0 2 4 6 8

0 50 100 150 200

Tempo (minutos)

Concentração (g/L)

Cobre

Figura 5 - Variação da concentração de cobre em relação ao tempo em uma solução real de PCI dissolvida com água régia no ensaio de eletroobtenção.

Para a amostra de CE, a eletroobtenção foi feita dissolvendo a F3 da fração condutora com ácido sulfúrico, Figura 6, ou com água régia, Figura 7.

0 2 4 6

0 50 100 150 200

Tempo (minutos)

Concentração (g/L)

Cobre

Figura 6 - Variação da concentração de cobre em relação ao tempo em uma solução real de CE dissolvida com ácido sulfúrico no ensaio de eletroobtenção.

0 2 4 6 8

0 50 100 150 200

Tempo (minutos)

Concentração (g/L)

Cobre

Figura 7 - Variação da concentração de cobre em relação ao tempo em uma solução real de CE dissolvida com água régia no ensaio de eletroobtenção.

Discussão

Considerando-se os resultados gerais obtidos na moagem e separação granulométrica pode-se observar que já foi possível obter um concentrado de metais. Para as placas completas (PCI) o resultado está na Figura 3-a e mostra que a fração fina (F1) possui menos metal que a fração mais grossa (F3). Essa tendência também acontece para os componentes eletrônicos (CE), Figura 3-b. Essa tendência

se deve principalmente ao fato de que moer materiais dúcteis é mais difícil que moer materiais frágeis.

Com os resultados da análise química dos principais elementos nas 3 frações granulométricas (Tabela 1 para PCI e Tabela 2 para CE) pode-se observar que o cobre é o elemento principal, mas que o Alumínio, o Chumbo e o Estanho também estão presentes com quantidades consideráveis.

Os resultados obtidos com as frações separadas magneticamente apresentaram altos teores de Fe, comprovando a eficiência deste tipo de separação.

Embora a quantidade de material magnético presente em placas de circuito impresso seja pequena, é interessante separá-los antecipadamente, pois assim as frações condutoras estarão ainda mais concentradas em cobre.

Na separação eletrostática obtivemos ótimos resultados: a percentagem de material condutor é bastante significativa e pode-se ver que os teores de cobre alcançaram 53% na F3 de PCI e 59% na F3 de CE e significativos teores de Pb e Sn. A presença majoritária destes três elementos era esperada, pois o cobre é ótimo condutor e é o elemento metálico mais presente nas PCI. Já o Pb e o Sn são usados nas soldas dos componentes eletrônicos ao substrato, ou seja, também são ótimos condutores e também estão presentes em significativas quantidades.

As frações não condutoras (polímeros e cerâmicos) apresentaram teores muito baixos de metais, comprovando assim a eficiência da separação magnética e separação eletrostática.

Na etapa de eletroobtenção os resultados mostraram que é possível recuperar o cobre através de uma eletrodeposição, pois como pode-se ver em todos os gráficos, o teor de cobre em solução decaiu rapidamente. Nas soluções dissolvidas com ácido sulfúrico (Figura 4 e Figura 6) o teor de cobre chegou próximo de zero num intervalo de tempo menor do que nas soluções dissolvidas com água régia (Figura 5 e Figura 7).

Na solução de PCI com ácido sulfúrico, Figura 4, em 60 minutos o teor de cobre já está próximo de zero, enquanto na solução com água régia, no tempo de 60 minutos ainda existe cerca de 50 % do teor de cobre original.

Este mesmo comportamento pode-se observar para a amostra de CE, onde na solução com ácido sulfúrico, Figura 6, em 60 minutos o teor de cobre já está próximo de zero, enquanto na solução com água régia, Figura 7, em 60 minutos, o teor de cobre ainda é bastante elevado.

Também é importante salientar que o cobre depositado no cátodo forma uma camada aderente, o que é muito útil, pois mesmo após cessar o processo de eletroobtenção o cobre não retornará a solução.

Conclusão

Com base nos resultados obtidos nesse trabalho pode-se afirmar que as sucatas de placas de circuito impresso são matérias primas interessantes, pois apresentam quantidades de metais que estimulam o seu reaproveitamento.

O metal que está presente em maior quantidade é o cobre, mas o chumbo e o estanho também possuem uma grande participação na composição das placas de circuito impresso analisadas.

O processamento mecânico é um processo alternativo na reciclagem destas sucatas, pois através apenas de um processo de cominuição foi possível concentrar metais nas frações de maior granulometria e as etapas de separação magnética

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seguida de uma separação eletrostática mostraram-se muito eficientes para obter-se frações concentradas em metais a partir de sucatas de placas de circuito impresso.

Essas frações podem ser enviadas para indústrias secundárias ou então aplicar técnicas de eletroobtenção para separar a maioria dos metais entre si. Neste trabalho verificou-se que essa recuperação foi possível, pois o teor de cobre nas soluções reais alcançou praticamente zero, o que comprova que os íons cobre estão sendo recuperados e depositados no cátodo.

As frações não condutoras (que contém polímeros e cerâmicos) necessitam de mais estudos para serem dispostas adequadamente ou enviadas a processos de reciclagem de polímeros e cerâmicos.

Referências Bibliográficas

1) SAITO, I. Recovery of Valuable Metals from Printed Wiring Board Wastes. Trans. Mat.

Res. Soc, 18A, p. 207-214, 1994.

2) ZHANG, S., FORSSBERG, E. Intelligent Liberation and Classification of Electronic Scrap. Powder Technology, 105, p. 295-301, 1999.

3) TENÓRIO, J. A. S., MENETTI, R. P., CHAVES, A. P. Production of Non-Ferrous Metallic Concentrates from Electronic Scrap. In: TMS Annual Meeting, p. 505-509, 1997.

4) FELIX, N., RIET, C. V. Recycling of Electronic Scrap at Um’s Hoboken Smelter. In:

International Precious Metals Conference, p. 159-169, 1994.

5) SVOBODA, J., FUJITA, T. Recent Developments in Magnetic Methods of Material Separation. Minerals Engineering, 16, p. 785-792, 2003.

6) CUI, J., FORSSBERG, E. Mechanical Recycling of Waste Electric and Electronic Equipment: a Review. Journal of Hazardous Materials, B99, p. 243-263, 2003.

Abstract

The production and consumption of electro-electronic equipments has been growing a lot. Consequently the generation of solid residues in productive process and the generation of scraps after consumption increases in the same proportion.

The printed circuit boards - PCI, that are part of these equipments, are complex residues, because they are composed of polymer, ceramic and metals, dificulting its recovery. These scraps contain copper, that turns the recycling process interesting of the economical point of view. They also contain heavy metals, as the lead, that are dangerous to environment. This work used mechanical processing and electrochemical techniques in order to concentrate metals in a fraction and polymeric and ceramic material in another. The results show that it is possible to concentrate the metals after mechanical processing, with fraction containing 50% of copper on average. Through electrodeposition the copper can be recovered.

Keywords: Recycling, Printed Circuit Board, Copper, Electronic Scrap.