PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Thiago Rodrigues Martins
RECICLAGEM DE CABOS COAXIAIS E LÂMPADAS DE LED APLICANDO OPERAÇÕES DE PROCESSAMENTO MECÂNICO
Santa Maria, RS
2019
Thiago Rodrigues Martins
RECICLAGEM DE CABOS COAXIAIS E LÂMPADAS DE LED APLICANDO OPERAÇÕES DE PROCESSAMENTO MECÂNICO
Dissertação apresentada ao Curso de Pós- Graduação em Engenharia Química, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Química.
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Hiromitsu Tanabe
Santa Maria, RS 2019
Thiago Rodrigues Martins
RECICLAGEM DE CABOS COAXIAIS E LÂMPADAS DE LED APLICANDO OPERAÇÕES DE PROCESSAMENTO MECÂNICO
Dissertação apresentada ao Curso de Pós- Graduação em Engenharia Química, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Química.
Santa Maria, RS 2019
DEDICATÓRIA
A minha família, meu pai Jânio, minha mãe Miriam, meu irmão Matheus e minha irmã Tatiana. Cada um contribuiu de uma forma, e sem o auxílio de vocês, não teria conseguido
realizar nem metade do que fiz. Portanto, este trabalho é tanto meu quanto de vocês.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi possível devido ao auxílio de diversas pessoas que contribuíram em minha jornada. Aqui vão minhas palavras de agradecimento.
Agradeço à minha família. Aos meu pais Jânio e Miriam: Papai e Mamãe, obrigado pela ajuda e apoio sempre que precisei; vocês foram essenciais para este Mestrado, e são exemplos de quem quero ser. Aos meus irmãos Matheus e Tatiana: Teteu e Tati, meus irmãos e melhores amigos; não importava a distância ou a hora, sempre soube que podia contar com vocês, no Mestrado ou até em um loop temporal. Também agradeço à minha avó Nely que sempre esteve perto mesmo estando em outra cidade e ao meu avô Omar e à minha tia Marcina, que também estiveram torcendo por mim desde o início desta jornada.
Agradeço ao meu orientador, professor Eduardo Tanabe, pelas conversas e orientação para realização deste trabalho. Graças ao senhor amadureci profissional e pessoalmente, e desenvolvi muito mais pelo qual só posso agradecer. O aprendizado valeu muito. Ao meu coorientador, professor Daniel Bertuol, pelos desafios apresentados e pelos trabalhos desenvolvidos. Aprendi muito com o senhor e só posso agradecer. À professora Poliana Pollizzello Lopes, pela disponibilidade e pela ajuda sempre que as dúvidas surgiram. Ao secretário da Pós-Graduação, Marcos Mello, pelo tempo e atenção nos momentos necessários.
Aos demais professores, muito obrigado pelo aprendizado disponibilizado sempre que necessário.
Agradeço às duas alunas de iniciação científica, Natani Slongo Mrozinski e Bruna Clarissa Steffens, que desenvolveram junto comigo os trabalhos aqui apresentados e, seja nos momentos de experimentos dando errado, seja nas horas em que a eficiência de recuperação deu alta, foram essenciais no trabalho a ser realizado. Este trabalho também é de vocês.
Aos demais amigos, colegas e funcionários: cada um sabe o quanto me ajudou e foi especial durante o Mestrado. Muito obrigado!
À CAPES, pelo incentivo financeiro.
“Pensar é o trabalho mais difícil que existe. Talvez por isso tão poucos se dediquem a ele.”
(Henry Ford)
RESUMO
RECICLAGEM DE CABOS COAXIAIS E LÂMPADAS DE LED APLICANDO OPERAÇÕES DE PROCESSAMENTO MECÂNICO
AUTOR: Thiago Rodrigues Martins ORIENTADOR: Eduardo Hiromitsu Tanabe
O desenvolvimento tecnológico, atrelado à melhoria da qualidade de vida, resulta em aumento da geração de resíduos eletroeletrônicos, entre eles cabos e lâmpadas de LED. Desta forma, alternativas de reciclagem e recuperação destes materiais possuem grande importância. Este trabalho trata da aplicação de operações de processamento mecânico para separação dos materiais de cabos coaxiais e lâmpadas de LED. Para os cabos coaxiais foram realizadas etapas de caracterização, cominuição, peneiramento, separação magnética e separação eletrostática.
Foi realizada a comparação entre dois processos de separação: I – moagem, peneiramento e separação eletrostática; e II – moagem, separação magnética e separação eletrostática. Os parâmetros analisados foram: rotação do rolo, distância do eletrodo eletrostático, tensão do eletrodo e ângulo de defletor. Os melhores parâmetros para separação eletrostática de cada processo foram: I - rotação do rolo de 30 rpm, distância do eletrodo eletrostático de 8 cm, tensão aplicada aos eletrodos de 30 kV e ângulo do defletor de 0°; II - rotação do rolo de 10 rpm, distância do eletrodo eletrostático de 10 cm, tensão aplicada aos eletrodos de 25 kV e ângulo do defletor de 2,5. O Processo I obteve pureza de 99,51% para o alumínio e 96,79% para o aço cobreado, com respectivos valores de eficiência de recuperação de 94,53% e 99,68%. O Processo II obteve valores de pureza de 99,53% (aço cobreado) e 96,51% (alumínio), com eficiência de recuperação de 99,46% para o primeiro e 70,12% para o último. Devido aos altos valores de pureza e recuperação, o Processo I foi considerado mais vantajoso para reciclagem dos cabos coaxiais. Para a reciclagem das lâmpadas de LED foram realizadas etapas de caracterização, cominuição, peneiramento, separação eletrostática, separação magnética e separação gravimétrica. Na separação eletrostática foram avaliados os parâmetros de rotação do rolo, tensão do eletrodo e ângulo do defletor, com os melhores valores encontrados de 20 rpm, 30 kV e 0°, respectivamente. Na separação magnética foi avaliada a rotação do rolo, sendo escolhido o valor de 50 rpm. Também foi adaptada a separação magnética para utilização de um conjunto de esteiras para separação de acordo com o caráter magnético dos materiais. Na separação gravimétrica uma solução de iodeto de potássio 30% foi suficiente para separação dos componentes. O processo estudado possibilitou a obtenção e separação de todos os componentes das lâmpadas de LED obtida com as operações unitárias com alta pureza e eficiência de recuperação, chegando em alguns casos a separação total dos componentes.
Palavras-chave: Reciclagem. Cabos Coaxiais. Lâmpadas de LED. Processamento Mecânico.
ABSTRACT
RECYCLING OF COAXIAL CABLES AND LED BULBS BY APPLYING MECHANICAL PROCESSING OPERATIONS
AUTHOR: Thiago Rodrigues Martins ADVISOR: Eduardo Hiromitsu Tanabe
Technological development, although linked to quality of life improvement, results in the increase of waste electrical and electronical equipment, which cables and LED bulbs are part of. Thus, new approaches towards recycling and recovery of these materials are of great need.
This work deals with the applying of mechanical processing operations for the separation of materials from coaxial cables and LED bulbs. For the coaxial cables, the following steps were utilized: characterization, comminution, sieving, magnetic separation and electrostatic separation. A comparative between two processes was established: I – comminution, sieving and electrostatic separation; and II – comminution, magnetic separation and electrostatic separation. The analyzed parameters were: roll speed, electrostatic electrode distance, voltage applied to the electrodes and splitter angle. The best results for each process electrostatic separation were found at: I - roll speed of 30 rpm, electrostatic electrode distance of 8 cm, voltage applied to the electrodes of 30 kV and splitter angle of 0°; II – roll speed of 10 rpm, electrostatic electrode distance of 10 cm, voltage applied to the electrodes of 25 kV and splitter angle of 2,5. Process I obtained purity of 99,51% for aluminum and 96,79% for copper-clad steel, with recovery efficiency of 94,53% and 99,68%, respectively. Process II achieved purity of 99,53% (copper-clad steel) and 96,51% (aluminum), with recovery efficiency of 99,46% for the first and 70,12% for the latter. Due to the high values of purity and recovery attained, Process I was considered more advantageous for the recycling of coaxial cables. For the LED bulbs recycling, stages of characterization, comminution, sieving, electrostatic separation, magnetic separation and gravimetric separation were included. In the electrostatic separation the parameters of roll speed, voltage applied to the electrodes and splitter angle were evaluated, with the best values found at 20 rpm, 30 kV and 0°, respectively. In the magnetic separation, the roll speed was evaluated, with the best value found at 50 rpm. Magnetic separation was also adapted for the use of a conveyor belt for the separation according to the magnetic susceptibility of the materials. For the gravimetric separation, a solution of potassium iodide 30% was enough for the system separation. The proposed process enabled the obtention and separation of all LED bulb components with high purity and recovery efficiency, with total separation of the components in some steps.
Keywords: Recycling. Coaxial Cables. LED Bulbs. Mechanical Processing.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Estimativa e projeções da geração de resíduo eletroeletrônico no período 2014 –
2021. ... 17
Figura 2 – Produção física da indústria eletroeletrônica para os anos de 2013, 2017, 2018 e 2019. ... 20
Figura 3 – Funcionamento do moinho de martelos. ... 22
Figura 4 – Funcionamento do moinho de facas. ... 23
Figura 5 – Funcionamento de um separador magnético. ... 24
Figura 6 – Funcionamento de um separador eletrostático. ... 26
Figura 7 – Configurações de separador eletrostático (a) do tipo placa e (b) do tipo placa-tela. ... 27
Figura 8 – Princípio de funcionamento da separação gravimétrica... 28
Figura 9 – Composição mássica dos resíduos eletroeletrônicos... 29
Figura 10 – Representação de um cabo coaxial. ... 33
Figura 11 – Receita anual de lâmpadas de LED. ... 34
Figura 12 – Fluxograma dos processos propostos para reciclagem dos cabos coaxiais... 37
Figura 13 – Esquema ilustrativo do separador eletrostático do tipo rolo. ... 39
Figura 14 – Fluxograma dos processos propostos para reciclagem das lâmpadas de LED. .... 42
Figura 15 – Arranjo de esteiras utilizado na separação da fração magnética. ... 44
Figura 16 – Cabo coaxial inteiro (abaixo) e com suas camadas expostas (acima). ... 46
Figura 17 – Imagens referentes ao MEV dos metais presentes nos cabos coaxiais: (a) alumínio e (b) aço cobreado. ... 47
Figura 18 – Imagem frontal referente ao aço cobreado e mapeamento frontal obtido através do EDS(a), contendo: (b) ferro e (c) cobre. ... 47
Figura 19 – Análise termogravimétrica dos polímeros presentes nos cabos coaxiais. ... 49
Figura 20 – Pureza e eficiência de recuperação de aço cobreado no coletor I em função da rotação do rolo na separação eletrostática (D2 = 8 cm; U = 25 kV; γ = 0°). ... 51
Figura 21 – Pureza e eficiência de recuperação de aço cobreado no coletor I em função da distância do eletrodo eletrostático na separação eletrostática (n = 30 rpm; U = 25 kV; γ = 0°). ... 53
Figura 22 – Pureza e eficiência de recuperação de aço cobreado no coletor I em função da tensão aplicada aos eletrodos na separação eletrostática (n = 30 rpm; D2 = 8 cm; γ = 0°). ... 54
Figura 23 – Pureza e eficiência de recuperação de aço cobreado no coletor I em função do ângulo do defletor na separação eletrostática (n = 30 rpm; D2 = 8 cm; U = 30 kV). ... 55
Figura 24 – Pureza e eficiência de recuperação de alumínio no coletor I em função da rotação do rolo na separação eletrostática (D2 = 8 cm; U = 25 kV; γ = 0°). ... 57
Figura 25 – Pureza e eficiência de recuperação de alumínio no coletor I em função da distância do eletrodo eletrostático na separação eletrostática (n = 10 rpm; U = 25 kV; γ = 0°). ... 58
Figura 26 – Pureza e eficiência de recuperação de alumínio no coletor I em função da tensão aplicada aos eletrodos na separação eletrostática (n = 10 rpm; D2 = 10 cm; γ = 0°). ... 59
Figura 27 – Pureza e eficiência de recuperação de alumínio no coletor I em função do ângulo do defletor na separação eletrostática (n = 10 rpm; D2 = 10 cm; U = 25 kV). ... 60
Figura 28 – Balanços mássicos dos Processos I e II... 62
Figura 29 – Componentes das lâmpadas de LED do tipo bulbo. ... 63
Figura 30 – Percentual mássico dos componentes das lâmpadas de LED. ... 64 Figura 31 – Análise de DSC para a base polimérica da lâmpada de LED. ... 65 Figura 32 – Análise de DSC para o bulbo da lâmpada de LED. ... 65 Figura 33 – Mapeamento por EDS da solda do chip de LED, apresentando: (a) a solda, (b) o
cobre, (c) a prata, (d) o estanho e (e) o chumbo. ... 66 Figura 34 – MEV do LED (a) com sua análise por EDS (b). ... 66 Figura 35 – Análises por EDS dos capacitores (a), parafuso de Edison (b) e alumínio interno
(c) presentes nas lâmpadas de LED. ... 67 Figura 36 – Constituintes das lâmpadas de LED pós-moagem. ... 69 Figura 37 – Efeito da velocidade de rotação na separação magnética dos componentes da
lâmpada de LED: (a) fração não-magnética e (b) fração magnética. ... 71 Figura 38 – Separação magnética com esteiras I (D = 3,5 cm; α = - 45°, n1 = n2 = 25 rpm) e
separação magnética com esteiras II (D = 1,5 cm; α = 0°; n1 = n2 = 25 rpm). ... 73 Figura 39 – Efeitos dos diferentes parâmetros na separação eletrostática dos materiais
peneirados de lâmpadas de LED: (a) rotação do rolo (tensão aplicada aos eletrodos = 25 kV; ângulo do defletor = 0°); (b) tensão aplicada aos eletrodos (rotação do rolo = 20 rpm; ângulo do defletor = 0°); (c) ângulo do defletor
(rotação do rolo = 20 rpm; tensão aplicada aos eletrodos = 30 kV). ... 75 Figura 40 – Separação gravimétrica do bulbo e do alumínio interno das lâmpadas de LED. .. 77 Figura 41 – Diagrama de Pourbaix para o alumínio na solução de iodeto de potássio. ... 77 Figura 42 – Balanço mássico para o processo de reciclagem de lâmpadas de LED. ... 79
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valor potencial de materiais nos resíduos eletroeletrônicos em 2016. ... 18
Tabela 2 - Geração de resíduos eletroeletrônicos por continente em 2016. ... 19
Tabela 3 – Parâmetros avaliados para a separação eletrostática de metais de cabos. ... 40
Tabela 4 – Parâmetros utilizados na separação com sistema de esteiras... 44
Tabela 5 – Composição mássica dos cabos coaxiais. ... 46
Tabela 6 – Diâmetro médio das partículas cominuídas de cabos coaxiais. ... 49
Tabela 7 – Dados do peneiramento do Processo I. ... 50
Tabela 8 – Dados da separação magnética do Processo II. ... 56
Tabela 9 – Comparativo entre processos analisados para separação dos cabos coaxiais. ... 61
Tabela 10 – Dados do peneiramento com peneira de abertura 25 mm realizado com as lâmpadas de LED. ... 70
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Tipos de forças encontradas na redução de partículas. ... 22
Quadro 2 - Tipos de cabos e suas definições de acordo com a NBR 5471 de 1986. ... 30
Quadro 3 - Equipamentos utilizados na reciclagem dos cabos coaxiais. ... 36
Quadro 4 - Equipamentos utilizados na reciclagem das lâmpadas de LED. ... 41
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 14
2 OBJETIVOS ... 16
2.1 OBJETIVO GERAL ... 16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
3.1 RESÍDUOS ELETROELETRÔNICOS ... 17
3.2 RECICLAGEM DE RESÍDUOS ELETROELETRÔNICOS ... 21
3.2.1 Processos físicos ... 21
3.2.1.1 Cominuição ... 21
3.2.1.2 Peneiramento ... 23
3.2.1.3 Separação magnética ... 23
3.2.1.4 Separação eletrostática ... 25
3.2.1.5 Separação gravimétrica... 27
3.2.2 Processos químicos ... 28
3.2.3 Reciclagem de cabos elétricos ... 29
3.2.3.1 Cabos coaxiais ... 32
3.2.4 Reciclagem de lâmpadas de LED ... 33
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 36
4.1 CABOS COAXIAIS ... 36
4.1.1 Materiais ... 36
4.1.2 Métodos ... 36
4.1.2.1 Caracterização dos materiais ... 37
4.1.2.2 Cominuição e análise granulométrica... 38
4.1.2.3 Peneiramento e separação magnética ... 38
4.1.2.4 Separação eletrostática ... 39
4.2 LÂMPADAS DE LED ... 41
4.2.1 Materiais ... 41
4.2.2 Métodos ... 42
4.2.2.1 Caracterização dos materiais ... 42
4.2.2.2 Cominuição e peneiramento ... 43
4.2.2.3 Separação magnética ... 43
4.2.2.4 Separação eletrostática ... 44
4.2.2.5 Separação gravimétrica... 45
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 46
5.1 CABOS COAXIAIS ... 46
5.1.1 Caracterização dos materiais ... 46
5.1.2 Cominuição e análise granulométrica ... 49
5.1.3 Processo I: peneiramento e separação eletrostática ... 50
5.1.3.1 Peneiramento ... 50
5.1.3.2 Separação eletrostática ... 51
5.1.3.2.1 Rotação do rolo (n) ... 51
5.1.3.2.2 Distância do eletrodo eletrostático (D2) ... 52
5.1.3.2.3 Tensão aplicada aos eletrodos (U) ... 54
5.1.3.2.4 Ângulo do defletor (γ) ... 55
5.1.4 Processo II: separação magnética e separação eletrostática ... 56
5.1.4.1 Separação magnética ... 56
5.1.4.2 Separação eletrostática ... 56
5.1.4.2.1 Rotação do rolo (n) ... 57
5.1.4.2.2 Distância do eletrodo eletrostático (D2) ... 58
5.1.4.2.3 Tensão aplicada aos eletrodos (U) ... 59
5.1.4.2.4 Ângulo do defletor (γ) ... 60
5.1.5 Comparativo entre os processos e balanços mássicos ... 61
5.2 LÂMPADAS DE LED ... 63
5.2.1 Caracterização dos materiais ... 63
5.2.1.1 Análise por DSC ... 64
5.2.1.2 Análise por MEV/EDS ... 66
5.2.2 Cominuição e peneiramento ... 68
5.2.3 Separação magnética ... 70
5.2.4 Separação eletrostática... 73
5.2.5 Separação gravimétrica ... 76
5.2.6 Balanço mássico do processo de reciclagem das lâmpadas de LED ... 78
6 CONCLUSÃO ... 80
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 81
REFERÊNCIAS ... 82
1 INTRODUÇÃO
O contínuo desenvolvimento tecnológico observado nas últimas décadas tem conduzido a uma melhoria na qualidade de vida da população mundial. No entanto, à medida em que novos produtos são desenvolvidos, os antigos se tornam obsoletos, o que aumenta a geração de resíduos eletroeletrônicos (CUCCHIELLA, et al., 2015).
Dentre todos os tipos de resíduos, os resíduos eletroeletrônicos são os que apresentam o maior crescimento, com geração estimada de 44,7 milhões de toneladas métricas em 2016 (equivalente a 4500 torres Eiffel) e previsão de geração para 2021 de 52,2 milhões de toneladas métricas (BALDÉ, et al., 2017). Esta situação é ainda mais agravante ao se levar em conta que os resíduos eletroeletrônicos apresentam em sua composição materiais prejudiciais ao meio ambiente e saúde humana, além de materiais valiosos e que podem ser recuperados (KIDDEE, et al., 2013; WU, et al., 2019). Por isso, diversos estudos têm sido realizados em relação à reciclagem de diversas formas de resíduos eletroeletrônicos (ZHANG, et al., 2015; YUN, et al., 2018; SOUZA, et al., 2017). Entre destes resíduos encontram-se os cabos elétricos e as lâmpadas de diodos emissores de luz (LED).
Os cabos elétricos usualmente são constituídos de materiais condutores, como alumínio e cobre, que transportam informações e eletricidade e materiais poliméricos, que atuam como reforço, isolamento e proteção da parte condutora dos cabos (CRISP, 2002; SURESH, et al., 2017). Como em sua composição estão presentes materiais de natureza tão diferentes, a separação e reciclagem dos cabos têm sido investigada (ARAÚJO, et al., 2008; XIAO, et al., 2015). Apesar da quantidade de operações já estudadas para a separação de cabos ser considerável, poucos são os estudos que analisam comparativos de processos de separação, ou seja, a utilização de várias operações unitárias seguidas.
Por sua vez, as lâmpadas de LED apresentam em sua composição materiais de natureza muito diferente, alguns valiosos, como alumínio, cobre, ouro, gálio e prata, ou até mesmo perigosos, como arsênio e chumbo (LIM, et al., 2013). Esta variedade de elementos presentes tem motivado alguns estudos de reciclagem dos LEDs, através de diferentes operações como pirólise, lixiviação, biolixiviação e troca iônica (ZHAN, et al., 2015; SWAIN, et al., 2015;
POURHOSSEIN, et al., 2018; MURAKAMI, et al., 2015). Contudo, estes trabalhos utilizaram os LEDs já isolados, não focando em sua obtenção a partir das lâmpadas, o que é árduo devido à heterogeneidade de componentes e partes presentes em uma lâmpada.
Uma alternativa promissora para ambos os casos é a utilização de etapas de processamento mecânico, que separam o material de acordo com suas propriedades físicas,
como densidade, susceptibilidade magnética ou condutividade. Dessa forma, é possível a obtenção de processos de reciclagem tanto para os cabos elétricos quanto para as lâmpadas de LED, que viabilizem a separação dos materiais com elevadas recuperação e pureza. Além disso, podem facilitar as etapas posteriores ao processamento mecânico na obtenção de matérias- primas como fonte secundária para outros processos industriais. A partir disso, foi desenvolvido este trabalho, com a aplicação de operações de processamento mecânico para reciclagem de cabos coaxiais e lâmpadas de LED, buscando a separação dos materiais presentes nestes resíduos.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho objetiva a investigação da aplicação de operações de processamento mecânico para obtenção de elevada recuperação e pureza dos materiais presentes em resíduos de cabos coaxiais e lâmpadas de LED.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para atingir o objetivo geral, são definidos os seguintes objetivos específicos:
- Caracterizar os materiais presentes nos cabos coaxiais e lâmpadas de LED;
- Aplicar diferentes operações unitárias de processamento mecânico e avaliar diferentes parâmetros destas operações para a reciclagem dos cabos coaxiais e lâmpadas de LED;
- Definir, a partir das operações unitárias testadas, processos para a reciclagem dos cabos coaxiais e lâmpadas de LED;
- Realizar os balanços de massa para os processos encontrados.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 RESÍDUOS ELETROELETRÔNICOS
O desenvolvimento social, em conjunto com o desenvolvimento tecnológico, tem proporcionado um aumento na demanda de equipamentos eletroeletrônicos, como computadores, telefones móveis, eletrodomésticos e afins (KIDDEE, et al., 2013). O aumento de demanda acarreta em diminuição da vida útil dos equipamentos, acelerando seu descarte: a unidade central de processamento de um computador, por exemplo, que em 1997 possuía vida útil entre 4 a 6 anos, teve este tempo reduzido para apenas dois anos em 2005 (WILDMER, et al., 2005).
Consequentemente, a geração mundial de resíduos de equipamentos eletroeletrônicos é crescente. Segundo dados do Global E-Waste Monitor - 2017 (BALDÉ, et al., 2017), a geração mundial estimada de resíduo eletroeletrônico foi de 44,7 milhões de toneladas métricas em 2016. Pelo mesmo estudo, são projetadas 52,2 milhões de toneladas métricas geradas para o ano de 2021, como pode ser observado na Figura 1, que apresenta o crescimento estimado da geração de resíduo eletroeletrônico no período 2014 – 2021.
Figura 1 – Estimativa e projeções da geração de resíduo eletroeletrônico no período 2014 – 2021.
Fonte: Adaptado de (BALDÉ et al., 2017).
O impacto dessa crescente geração de resíduos é preocupante ambientalmente. Os resíduos eletroeletrônicos apresentam em sua composição diversos materiais danosos ao meio ambiente e à saúde humana. Entre diferentes variedades de resíduos eletroeletrônicos encontram-se tanto metais pesados, como cádmio, chumbo e mercúrio, quanto polímeros, que causam os mais variados danos, além de apresentarem níveis significativamente altos de
poluentes tóxicos e substâncias nocivas ao ser humano, como retardantes de chama halogenados e clorofluorcarbonos (CUI, et al., 2003; WEBB, et al., 2013; SAHAJWALLA, et al., 2018;
BALDÉ, et al., 2017). É estimado que a composição geral dos resíduos eletroeletrônicos seja de 60% de metais e 15% de polímeros, sem considerar os outros componentes presentes (WILDMER, et al., 2005). Estes valores variam, porém, devido a variedade de equipamentos que constituem os resíduos eletroeletrônicos. Por exemplo, Menetti, et al. (1997) realizaram uma classificação referente a lotes que continham placas de circuito impresso, partes de computadores, rádio e televisores, e obtiveram valores de plásticos e óxidos variando em até 10% em massa para cada lote, apesar da porcentagem de metais se manter aproximadamente a mesma em todos.
Os resíduos eletroeletrônicos apresentam atrativos econômicos também, pois muitos de seus materiais constituintes são valiosos, como alumínio, cobalto, cobre, gálio, ouro, índio, níquel, paládio, platina e prata, entre outros (CUCCHIELLA, et al., 2015). O Global E-Waste Monitor – 2017 (BALDÉ, et al., 2017) estima o valor dos materiais nos resíduos eletroeletrônicos em aproximadamente 55 bilhões de euros em 2016, com alguns dos principais materiais em conjunto com a estimativa de preço apresentados na Tabela 1. O estudo inclusive cita que a quantidade de telefones celulares descartados ao redor do mundo (435 quilotoneladas, aproximadamente) em si só já equivaleria a 9,4 bilhões de euros. É válido notar que a presença destes materiais valiosos nos resíduos é baixa se comparada ao montante total de materiais presentes, havendo a necessidade de separação adequada para recuperação.
Tabela 1 - Valor potencial de materiais nos resíduos eletroeletrônicos em 2016.
Material Quantidade (quilotoneladas) Valor (milhões de euros)
Fe 16.283 3.582
Cu 2.164 9.524
Al 2.472 3.585
Ag 1,6 884
Au 0,5 18.840
Pd 0,2 3.369
Plásticos 12.230 15.043
Fonte: Adaptado de (BALDÉ et al., 2017).
Muitos países ainda não possuem um controle sobre a geração de resíduos eletroeletrônicos, ou seu controle aborda apenas uma parcela dos resíduos gerados. A Tabela 2 apresenta a geração de resíduos eletroeletrônicos por continente, com o principal país gerador
de resíduo em destaque, obtidos do Global E-Waste Monitor – 2017 (BALDÉ, et al., 2017). A Ásia foi o continente com maior geração de resíduos eletroeletrônicos, com 18,2 milhões de toneladas métricas, além de abranger o país de maior geração, China, que apresentou 7,2 milhões de toneladas métricas. Devido aos diferentes níveis de desenvolvimento de seus países constituintes, a Ásia apresenta contrastes curiosos na situação de geração de seus resíduos, com alguns países como os Emirados Árabes Unidos, que apresentam uma baixa expectativa de vida de eletrônicos e consequente alta geração de seus resíduos (13,6 kg anual por habitante) e países como o Nepal, que gera menos que 1 kg anual por habitante de resíduo eletroeletrônico.
Tabela 2 - Geração de resíduos eletroeletrônicos por continente em 2016.
Continente
Quantidade de resíduo eletroeletrônico gerado
(milhões de toneladas métricas)
Maior país gerador
Quantidade de resíduo eletroeletrônico gerado
(milhões de toneladas métricas)
África 2,2 Egito 0,5
Américas 11,3 Estados Unidos
da América 6,3
Ásia 18,2 China 7,2
Europa 12,3 Alemanha 1,9
Oceania 0,7 Austrália 0,57
Fonte: Adaptado de (BALDÉ et al., 2017).
Os dois continentes da Tabela 2 com menor geração (África e Oceania) apresentam estes valores por diferentes motivos: a África apresenta relativa baixa industrialização e consequente baixa geração de resíduos; a Oceania, apesar da alta industrialização, abrange menor quantidade de países, o que diminui sua geração em comparação ao restante. Os outros dois continentes, Europa e América, também possuem dados relevantes referentes à sua geração. A Europa apresenta uma diretiva sobre os resíduos eletroeletrônicos (UNIÃO EUROPÉIA, 2012), a qual regula toda geração, reciclagem e recuperação dos resíduos, além de sua classificação. Isto aumenta a confiabilidade dos dados sobre os resíduos eletroeletrônicos da Europa. A América apresenta o segundo país com maior geração de resíduos eletroeletrônicos, os Estados Unidos da América, nos quais apenas 22% (1,4 milhões de toneladas métricas) foram recolhidos. Os Estados Unidos da América possuem legislações específicas para cada um de seus estados (KAHHAT, et al., 2008), tornando de certa forma heterogênea a forma como os resíduos eletroeletrônicos (e seus dados) são tratados e obtidos ao longo do país.
O segundo maior gerador de resíduos eletroeletrônicos nas Américas é o Brasil, apresentando 1534 quilotoneladas em 2016, sendo o maior gerador da América Latina (BALDÉ, et al., 2017). A média anual estimada de geração de resíduos eletroeletrônicos por habitantes no Brasil foi de 7,4 kg (BALDÉ, et al., 2017); outra estimativa, realizada para a cidade de São Paulo no período 2006 – 2010, estipulou a média de geração de resíduos eletroeletrônicos entre 2,9 – 6,0 kg por habitante, dependendo do cenário adotado (RODRIGUES, et al., 2015). No entanto, quando se trata da produção de artigos eletroeletrônicos, tem sido observado um comportamento de relativa estabilidade para o período 2017-2019 na produção da indústria eletroeletrônica brasileira, como pode ser visualizado na Figura 2, a qual apresenta a produção física dos anos de 2013, 2017, 2018 e 2019, em comparação à base de produção anual de 2012 (ABINEE - Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica, 2019).
Figura 2 – Produção física da indústria eletroeletrônica para os anos de 2013, 2017, 2018 e 2019.
Fonte: Adaptado de (ABINEE, 2019).
A lei n° 12.305/2010 instituiu a Política Nacional dos Resíduos Sólidos (PNRS) no Brasil. Esta lei atribui responsabilidades para todos os setores da sociedade (produtores, consumidores, órgãos públicos) em relação aos seus resíduos gerados, fomentando a produção e consumo sustentáveis (BRASIL, 2010). Tal Política prevê a implementação, por exemplo, de sistemas de logística reversa para alguns produtos perigosos ao final da vida útil, como pilhas, baterias, produtos eletrônicos, entre outros. Por ser a primeira lei brasileira de abrangência
nacional a incluir os resíduos eletroeletrônicos, a PNRS é um marco no que se refere aos resíduos eletroeletrônicos no Brasil.
3.2 RECICLAGEM DE RESÍDUOS ELETROELETRÔNICOS
Pelos motivos ambientais e econômicos previamente citados, a reciclagem dos resíduos eletroeletrônicos tem sido amplamente estudada (BORTHAKUR, et al., 2019). Desta forma, recursos podem ser poupados, evitando a obtenção desnecessária, além de combater os danos causados à saúde humana e ao meio ambiente (HEACOCK, et al., 2016). A reciclagem dos resíduos eletroeletrônicos possui dificuldades devido à heterogeneidade destes materiais, sendo necessário o emprego de diferentes operações unitárias para separação completa dos componentes (CUI, et al., 2003). Os métodos de reciclagem de resíduos eletroeletrônicos podem ser classificados em processos físicos e processos químicos. Nos processos físicos ocorre apenas a mudança na forma dos materiais, sem alteração em sua estrutura química. Já os processos químicos apresentam transformação de um material em outro (USBERCO, et al., 2006).
3.2.1 Processos físicos
Majoritariamente, os processos físicos se dividem em processamento mecânico e tratamento térmico. O processamento mecânico consiste em redução do material até tamanho particulado para posterior separação de acordo com as propriedades da mistura a ser separada (ORTEGA-RIVAS, 2012).
3.2.1.1 Cominuição
O termo genérico para descrever a redução das partículas é cominuição, a qual engloba diferentes operações e mecanismos para a redução. O Quadro 1 apresenta as principais forças utilizadas para redução do tamanho da partícula, com exemplos de equipamentos em que estas forças são predominantemente presentes. O moinho de martelos, apresentado na Figura 3, faz uso do impacto dos martelos no material para fragmentá-lo, sendo utilizado quando é possível fragmentar o material por impacto. Já o moinho de facas (Figura 4) utiliza o princípio de corte das facas móveis para realizar o corte e redução do material, mais indicado em materiais que possam ser cortados par diminuição. Normalmente mais de uma força atua na redução das
partículas, como no moinho de bolas, que atua tanto com o princípio de impacto quanto com o princípio de atrito, à medida em que as bolas que ficam dentro do moinho se chocam com o material (ORTEGA-RIVAS, 2012). De acordo com a necessidade do processo mais de uma etapa de redução das partículas pode ser necessária para que as partículas alcancem o tamanho desejado.
Quadro 1 - Tipos de forças encontradas na redução de partículas.
Força Exemplo de equipamento Compressiva Rolos esmagadores
Impacto Moinho de martelos Atrito Moinho de discos de atrito
Corte Moinho de facas
Fonte: Adaptado de (ORTEGA-RIVAS, 2012).
Figura 3 – Funcionamento do moinho de martelos.
Fonte: Adaptado de (ORTEGA-RIVAS, 2012).
Figura 4 – Funcionamento do moinho de facas.
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.2.1.2 Peneiramento
Normalmente, o material cominuído não apresenta um tamanho totalmente uniforme.
Por isso, após a etapa de cominuição é usual algum método para a classificação quanto ao tamanho das partículas do material. Esta separação granulométrica pode ser atingida através do peneiramento, uma das formas mais simples, reproduzíveis e de baixo custo de separação pelo tamanho da partícula (ORTEGA-RIVAS, 2012). O peneiramento consiste na separação de uma mistura de partículas em duas ou mais parcelas através de superfície peneirante, que separa partículas de acordo com seu tamanho; ao final da operação, as parcelas resultantes são mais uniformes que a mistura original (PERRY, et al., 1980). Desta forma, é possível a obtenção do material na faixa desejada de diâmetro, além do perfil do material em função de seu tamanho (ORTEGA-RIVAS, 2012).
3.2.1.3 Separação magnética
Conforme as propriedades do material a ser separado, diferentes operações podem ser realizadas após a cominuição do material. Uma destas operações é a separação magnética, que
ocorre através da aplicação de um campo magnético na mistura. Convencionalmente, utiliza-se esta operação para concentração do material magnético, com o produto desejado podendo ser tanto a parcela magnética quanto a parcela não-magnética, dependendo do processo (ORTEGA- RIVAS, 2012). Os materiais que apresentam maior susceptibilidade magnética são os chamados ferromagnéticos, e seus principais expoentes do ponto de vista industrial são o ferro (Fe), o níquel (Ni) e o cobalto (Co), bem como a maioria de suas ligas (SMITH, et al., 2012). Quando há a presença de alguns destes materiais na mistura a ser separada, é possível a utilização de separação magnética para segregação dos materiais.
O exemplo de funcionamento do separador magnético está apresentado na Figura 5. As partículas são alimentadas e levadas por uma esteira até um rolo ferromagnético e, de acordo com a susceptibilidade magnética, são influenciadas pelo campo magnético gerado pelo rolo.
As partículas ferromagnéticas ficam aderidas ao rolo até saírem da região de maior influência do campo, após a força da gravidade superar a influência que a força do campo magnético exerce sobre a partícula, sendo coletadas em um recipiente, enquanto as partículas que não são influenciadas pelo campo são lançadas em outro recipiente (ORTEGA-RIVAS, 2012).
Figura 5 – Funcionamento de um separador magnético.
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.2.1.4 Separação eletrostática
A separação eletrostática é outro método de separação de partículas, baseado na diferença de condutividade entre materiais: de acordo com a forma como um material age perante a ação de um campo elétrico é possível a separação de uma mistura. Por exemplo, uma mistura que apresente uma parcela de materiais condutores e outra de materiais não-condutores (ou dielétricos), sob a ação de um campo elétrico, apresenta comportamento diferente para cada parcela, pois o campo influencia cada tipo de material de maneira distinta (ORTEGA-RIVAS, 2012).
Os principais mecanismos de carregamento de partículas na separação eletrostática são o mecanismo de indução condutora e o mecanismo de bombardeamento de íons (ORTEGA- RIVAS, 2012). Conforme Younes et al. (2007), o mecanismo de indução condutora age em partículas condutoras as quais, quando submetidas à ação do campo elétrico, adquirem carga elétrica positiva, pois passam sua carga negativa através do eletrodo aterrado, sendo atraídas em direção ao eletrodo de sinal negativo. As partículas dielétricas são pouco ou nada influenciadas pelo mecanismo de indução condutiva (SALAMA, et al., 2018).
O mecanismo de bombardeamento de íons atua em partículas condutoras e dielétricas.
Ambas são bombardeadas por íons de gases da atmosfera que são gerados por uma descarga corona de uma fonte de alta tensão e adquirem carga (ORTEGA-RIVAS, 2012). Quando em contato com um eletrodo aterrado, a partícula condutora rapidamente perde sua carga adquirida, enquanto a partícula dielétrica, dada a sua natureza, não perde a carga adquirida e permanece aderida ao eletrodo aterrado (YOUNES, et al., 2009).
A configuração mais comum de um separador eletrostático está apresentada na Figura 6. Este separador é denominado separador do tipo rolo. As partículas são alimentadas nele e levadas até um rolo, que atua como eletrodo aterrado. O eletrodo de corona (ou eletrodo de ionização) e o eletrodo eletrostático (ou eletrodo de atração) complementam os mecanismos previamente descritos. A partícula condutora entra em contato com o rolo e, no campo elétrico gerado entre os eletrodos, fica sujeita principalmente à força de campo elétrico (que a atrai em direção ao eletrodo eletrostático), força da gravidade (que a puxa para baixo) e à força centrífuga do rolo (que a impulsiona para longe do rolo devido ao movimento de rotação) (YOUNES, et al., 2007). A partícula dielétrica fica sujeita à ação da força do campo elétrico (que a deixa aderida ao rolo), força centrífuga (pela ação do rolo, que a impulsiona para longe) e força da gravidade. Quando a influência das outras forças for maior que a do campo na partícula, ela se solta do rolo (YOUNES, et al., 2009). As partículas que permanecem aderidas
ao rolo são derrubadas ao passar por uma escova localizada após o coletor de material dielétrico.
Na Figura 6 está presente também um defletor entre os coletores da parcela condutora e dielétrica, responsável por melhorar a separação ao impedir que partículas dielétricas caiam no coletor incorreto (MEDLES, et al., 2007).
Outras duas configurações possíveis para a realização da separação eletrostática são a configuração do tipo placa e a configuração do tipo placa-tela (respectivamente, Figura 7a e Figura 7b). O mecanismo de indução é o principal nestes tipos de separadores; por conseguinte, sua eficiência é menor se comparado ao separador do tipo rolo com efeito corona (ORTEGA- RIVAS, 2012). Contudo, a utilização de eletrodos de corona tem sido empregada para estas configurações, com resultados promissores (ZEGHLOUL, et al., 2015).
Figura 6 – Funcionamento de um separador eletrostático.
Fonte: Adaptado de (MEDLES et al., 2007).
Figura 7 – Configurações de separador eletrostático (a) do tipo placa e (b) do tipo placa-tela.
Fonte: Adaptado de (ORTEGA-RIVAS, 2012).
3.2.1.5 Separação gravimétrica
Por último, outro método utilizado para separar materiais de acordo com suas características é a separação gravimétrica, também denominada separação em meio denso, que é baseada na diferença de massa específica existente entre diferentes materiais (PERRY, et al., 1980). O princípio de operação é simples: dois materiais com massa específica diferentes são imersos em uma solução de densidade intermediária e conhecida. O meio denso utilizado pode ser constituído de líquidos orgânicos, soluções de sais inorgânicos ou até mesmo suspensão de sólidos insolúveis dispersos em água (LUZ, et al., 2010). Este método, inicialmente utilizado para o beneficiamento de carvões de difícil lavabilidade, apresenta a possibilidade de realização de separações precisas (PERRY, et al., 1980; LUZ, et al., 2010). A operação de separação gravimétrica está apresentada de forma simplificada na Figura 8. As partículas mais densas que o meio se dirigem para o fundo, sendo esta fração denominada de afundado, enquanto as partículas menos densas flutuam, sendo esta fração denominada flutuado.
Figura 8 – Princípio de funcionamento da separação gravimétrica.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A utilização dos processos físicos para separação dos materiais é importante por possibilitar que, em virtude das características de cada um dos materiais constituintes de uma mistura, seja possível uma separação maior com relativo baixo custo e simplicidade de operação. Desta forma, os materiais podem ser repassados para etapas posteriores de separação e purificação, como os processos hidrometalúrgicos, que viabilizem a recuperação final dos materiais.
3.2.2 Processos químicos
Os processos químicos são comumente utilizados para recuperação da fração metálica, e neles se destacam os processos hidrometalúrgicos (PERRY, et al., 1980). Normalmente, são empregados após a utilização dos processos físicos, quando a fração de interesse é menor do que antes das etapas de processamento. Os processos hidrometalúrgicos são baseados na dissolução do material, sendo empregadas soluções de diferentes naturezas de acordo com o material a ser recuperado. Esta operação de dissolução é denominada lixiviação, e possui uma vasta gama de aplicações, com variáveis como pH do agente lixiviante, temperatura, pressão e tempo de contato muito influentes no processo (BODSWORTH, 1994). Além disso, a lixiviação apresenta vantagens como relativo baixo custo, pouca ou nenhuma emissão de gases ou particulado e alta recuperação de metais (TUNCUK, et al., 2012). Após a lixiviação, é necessária alguma operação para obtenção dos metais que permanecem em solução, como adsorção, troca-iônica, precipitação e eletro-obtenção (TUNCUK, et al., 2012).
3.2.3 Reciclagem de cabos elétricos
Uma parcela considerável pertencente aos resíduos eletroeletrônicos é referente aos cabos elétricos, correspondentes a aproximadamente 2% do total dos resíduos, conforme Figura 9 (ONGONDO, et al., 2011; WILDMER, et al., 2005). Os cabos são utilizados na transmissão de informação e eletricidade. Normalmente, apresentam um filamento central composto de material condutor, pelo qual a eletricidade é encaminhada, e uma camada de material isolante que serve para isolamento e proteção. A Norma Brasileira 5471, de 1986 (NBR 5471/1986) contém definições sobre condutores elétricos, nos quais os cabos estão inclusos (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1986).
Figura 9 – Composição mássica dos resíduos eletroeletrônicos.
Fonte: (ONGONDO et al., 2011).
Primeiramente, a NBR 5471/1986 define fio e cabo, diferenciando ambos: um fio é um
“produto metálico e flexível, de seção transversal invariável e de comprimento muito maior do que a maior dimensão transversal” (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1986), enquanto um cabo é um “conjunto de fios encordoados, isolados ou não entre si, podendo o conjunto ser isolado ou não” (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1986). A NBR 5471/1986 também classifica os cabos em 26 categorias diferentes, de acordo com as características específicas de cada cabo, conforme o Quadro 2, que apresenta todas as classificações de cabos, bem como suas definições pela NBR:
Quadro 2 - Tipos de cabos e suas definições de acordo com a NBR 5471 de 1986.
(continua)
Tipo de cabo Definição
Nu Cabo sem isolação ou cobertura, constituído de fios nus Coberto Cabo dotado unicamente de cobertura
Revestido Cabo sem isolação ou cobertura, constituído de fios revestidos Isolado
Cabo constituído de uma ou mais veias e, se existentes, o envoltório individual de cada veia, o envoltório do conjunto de veias e os envoltórios de proteção do cabo, podendo ter também um ou mais condutores não isolados
Unipolar Cabo constituído por um único condutor isolado e dotado no mínimo de cobertura
Multipolar Cabo constituído por dois ou mais condutores isolados e dotado no mínimo de cobertura
Multiplexado Cabo formado por dois ou mais condutores isolados, ou cabos unipolares, dispostos helicoidalmente, sem cobertura
Multiplexado autossustentado
Cabo formado por dois ou mais condutores isolados, ou cabos unipolares, e um condutor de sustentação isolado ou não, dispostos helicoidalmente, sem cobertura
Setorial Cabo multipolar cujos condutores são setoriais Concêntrico
Cabo multipolar constituído por um condutor central isolado e uma ou mais camadas isoladas entre si, de condutores dispostos helicoidalmente
De controle Cabo utilizado em circuitos de controle de sistemas e equipamentos elétricos
A campo radial Cabo provido de blindagem semicondutora e/ou condutora, envolvendo cada condutor e sua isolação
Cintado Cabo multipolar dotado de cinta isolante sendo normalmente a campo não radial
De potência
Cabo unipolar ou multipolar utilizado para transporte de energia elétrica em instalações de geração, transmissão, distribuição ou utilização de energia elétrica
Sob pressão
Cabo de potência cuja isolação é mantida sob pressão superior à pressão atmosférica, por meio de um fluido adequado com função isolante
A gás Cabo sob pressão em que o fluido é um gás inerte
A SF8 Cabo sob pressão em que a isolação é hexafluoreto de enxofre A óleo fluido
Cabo sob pressão em que o fluido é um óleo isolante, sendo projetado de modo que o óleo possa se mover livremente no seu interior
Tubular Cabo sob pressão em que o fluido é contido em um tubo metálico rígido, instalado previamente em posição
Quadro 2 - Tipos de cabos e suas definições de acordo com a NBR 5471 de 1986.
(conclusão) Seco Cabo unipolar ou multipolar cuja isolação é constituída
exclusivamente por material sólido Com isolação
extrudada
Cabo cuja isolação consiste geralmente em uma camada de um material termoplástico ou termofixo, aplicada por um processo de extrusão
Com isolação de papel impresso
Cabo cuja isolação é constituída por fitas de papel impregnadas com compostos isolantes e dotado de capa metálica
Não escoante (com isolação de papel
impregnado)
Cabo com isolação de papel impregnado, no qual o impregnante não é fluido na temperatura máxima admissível em serviço
Flexível Cabo capaz de assegurar uma ligação que pode ser flexionada em serviço
Criogênico Cabos cujos condutores são mantidos na faixa de temperaturas criogênicas
De aquecimento Cabo projetado para gerar calor para fins de aquecimento
Fonte: Adaptado de (ABNT, 1986).
A maioria dos cabos apresentados no Quadro 2 é utilizada em situações específicas, enquanto alguns deles possuem uso mais geral e frequente. Os metais mais utilizados nas partes metálicas dos cabos são cobre, alumínio e ferro (normalmente como aço) (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1986). Já a parte isolante dos cabos normalmente é constituída de polímeros termoplásticos, como o policloreto de vinila (PVC) e o polietileno (PE), ou polímeros termofixos, como polietileno reticulado (XLPE) e borracha etileno- propileno (EPR). A escolha do tipo de polímero para o isolamento é realizada de acordo com a tensão de trabalho: polímeros termoplásticos são aconselhados para menores tensões, enquanto polímeros termofixos são utilizados para tensões maiores (ARAÚJO, et al., 2008).
Além da ampla utilização em diferentes áreas, os cabos possuem em sua composição materiais de natureza e propriedades diferentes, conforme anteriormente dito, que podem ser danosos ao meio ambiente e saúde humana ou até mesmo valiosos. Com o crescente desenvolvimento das indústrias de tecnologia da informação, a quantidade e aplicação de cabos têm crescido, bem como resíduos gerados por esta utilização (LI, et al., 2017). Por isso, a reciclagem de cabos tem sido amplamente estudada. De Araújo et. al (2008) compararam o uso de diferentes tecnologias utilizadas no processamento mineral para a reciclagem de cabos, tais como, moagem, peneiramento, separação gravimétrica, separação eletrostática e elutriação.
Xiao et. al (2015) analisaram diferentes tecnologias utilizadas na reciclagem de cabos tradicionalmente, como a tecnologia de desencapagem, na qual o interior dos cabos é separado
do isolamento através de um motor que, ao rotacionar, puxa o cabo enquanto uma lâmina corta o isolamento. Outras tecnologias analisadas incluíram processamento mecânico, congelamento, separação ultrassônica, tratamento químico, incineração e decomposição térmica.
Recentemente, Tanabe et al. (2019) obtiveram sucesso na reciclagem de cabos através da elutriação. Li et al. (2017) também revisaram mais detalhadamente as tecnologias utilizadas na reciclagem de cabos, definindo, de acordo com o tipo de cabo a ser separado, quais tecnologias são mais convenientes.
Devido à constituição dos cabos apresentar tanto materiais condutores quanto dielétricos, têm sido recorrente a utilização das técnicas de separação eletrostática para obtenção dos componentes de cabos (MEDLES, et al., 2007; RICHARD, et al., 2017a;
RICHARD, et al., 2017b; RICHARD, et al., 2017c; SALAMA, et al., 2018). Contudo, esta técnica pode apresentar limitações quando há mais de um tipo de material condutor presente nos cabos, como é o caso de um tipo de cabo denominado “cabo coaxial”.
3.2.3.1 Cabos coaxiais
Dentro das diversas classificações de cabos, um tipo muito utilizado é o cabo coaxial.
Este cabo recebe esta denominação por possuir um filamento condutor interno circulado por diferentes camadas de materiais isolantes, dielétricos e condutores, todas compartilhando o mesmo eixo em comum; por isto o nome coaxial (CRISP, 2002). É muito utilizado na transmissão de frequências de sinais com poucas perdas, devido às suas diferentes camadas intercaladas, sendo muito comum sua utilização em aplicações como transmissão de sinais de internet, transmissão de sinais de televisão e transmissão de sinais de rádio às suas antenas (CRISP, 2002).
A Figura 10 apresenta um esquema ilustrativo de um cabo coaxial com suas diferentes camadas. O filamento mais interno pode ser um fio ou diversos entrelaçados, feito de um material condutor, como cobre, alumínio ou aço cobreado. Ao redor do núcleo condutor há uma camada isolante, normalmente feita de polietileno, e a redor desta há um malha de cobre ou alumínio, havendo em algumas vezes mais uma camada de plástico aluminizado antes do isolante externo, denominado “jaqueta” e usualmente feito de PVC (CRISP, 2002). A presença das diferentes camadas nos cabos coaxiais permite a baixa perda ocorrida durante a transmissão de sinais.
Os cabos coaxiais, por possuírem em sua composição uma grande variedade de materiais, constituem um desafio para a reciclagem, visto que técnicas clássicas para sua
separação, como a separação eletrostática, possuem limitações pela presença de até dois tipos de metais diferentes. São necessários estudos, portanto que analisem formas de otimizar a separação dos componentes deste tipo de cabo.
Figura 10 – Representação de um cabo coaxial.
Fonte: Adaptado de (CRISP, 2002).
3.2.4 Reciclagem de lâmpadas de LED
Além da geração crescente de resíduos eletroeletrônicos, a busca por formas alternativas e mais eficientes de utilização de energia é outro problema recorrente (PIETROSEMOLI, et al., 2019). Uma tecnologia que está ligada a ambos os tópicos é referente às lâmpadas de diodo emissor de luz (LED), utilizadas em diferentes aplicações e tendo desbancado lâmpadas tradicionais como as incandescentes e fluorescentes em diversos setores, dada a sua maior eficiência energética (TSAO, et al., 2010).
Os LEDs são dispositivos semicondutores que realizam a conversão de energia elétrica em luz; recebem também a denominação de “iluminação de estado sólido” devido à sua luz ser emitida a partir do bloco de material semicondutor (sólido) (FERREIRA, 2014). Os materiais semicondutores possuem sua condutividade modulada de acordo com a introdução de impurezas (dopantes), e alguns exemplos de semicondutores inorgânicos são Si, GaAs, InP e GaN. Os diodos semicondutores emitem energia na forma de fótons quando uma tensão é aplicada e, de acordo com o material utilizado como semicondutor, a luz emitida possui cor diferente (GAYRAL, 2017).
As lâmpadas de LED começaram a ser utilizadas desde a década de 1960; contudo, apenas em 2014 o Prêmio Nobel em Física foi concedido aos cientistas Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura pela invenção de LEDs azuis, os quais possibilitaram a obtenção de
luz branca (GAYRAL, 2017). A maior eficiência de vida, e o tempo de vida útil prolongado permitem às lâmpadas de LED maior competitividade em relação às lâmpadas usuais incandescentes e fluorescentes. Uma lâmpada de LED pode apresentar vida útil entre 30.000 a 50.000 horas sob condições normais de utilização; para efeitos de comparação, uma lâmpada fluorescente apresenta vida útil de 10.000 horas, enquanto uma lâmpada incandescente apresenta 1.000 horas de vida útil (GAYRAL, 2017; TSAO, et al., 2010). Em diversos países e regiões do mundo a venda e produção de lâmpadas incandescentes têm sido abandonada em favor do uso de lâmpadas de LED, que se tornam cada vez mais economicamente atrativas aos consumidores (FANG, et al., 2018).
As lâmpadas de LED apresentam benefícios em sua utilização, além da redução do consumo de energia previamente citada, tais como: baixo custo associado à manutenção e ciclo de vida, durabilidade, tamanho compacto e fácil controlabilidade por sensores, segurança, boa manutenção e ajuste de cor, iluminação homogênea e controle de intensidade luminosa.
Algumas das aplicações das lâmpadas de LED oriundas destes benefícios incluem sinalização, decoração, iluminação residencial, comercial e urbana. (U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, 2008).
De fato, conforme Fang et al. (2018), o crescimento anual de produtos com LEDs tem sido de aproximadamente 4,5% ao ano. A expectativa é que a receita gerada em 2020 ultrapasse US$ 18 bilhões de dólares com produtos de LED, conforme Figura 11. Em conjunto com este crescimento, é inevitável o aumento do descarte dos produtos que contenham LEDs (FANG, et al., 2018).
Figura 11 – Receita anual de lâmpadas de LED.
Fonte: Adaptado de (FENG et al., 2018).
Devido ao conteúdo de materiais valiosos, as lâmpadas de LED apresentam maior potencial de escassez de recursos. Metais como alumínio, cobre, ouro, gálio e prata são encontrados em lâmpadas de LED, além de quantidades menores de terras raras como európio, cério, ítrio e gadolínio (LIM, et al., 2013; FANG, et al., 2018). E embora sejam isentas de mercúrio, como no caso das lâmpadas fluorescentes, as lâmpadas de LED ainda podem ser consideradas resíduos perigosos pela presença de metais como arsênio e chumbo, além de compostos orgânicos como retardadores de chama bromados, que também podem ser prejudiciais ao meio ambiente (LIM, et al., 2011).
Devido a esses fatores, diferentes estudos têm sido conduzidos sobre a reciclagem de LEDs. Zhan et al. (2015) conseguiram realizar a recuperação de índio e gálio com a utilização de pirólise. Swain et al. (2015), por sua vez, realizaram a recuperação de resíduos de LEDs através da moagem e lixiviação. A recuperação de metais como cobre, níquel e gálio de resíduos de LED foi realizada através da biolixiviação, apresentando resultados promissores (POURHOSSEIN, et al., 2018). A utilização de troca iônica foi realizada por Murakami et al.
(2015) para a obtenção de ouro de resíduos de LED. A maioria destes trabalhos, no entanto, sempre focaram na recuperação de materiais de LED ou de seus pacotes isoladamente, sem considerar a etapa prévia de separação mecânica dos componentes da lâmpada, a qual pode ser dificultada pela quantidade de outras partes presentes na lâmpada, como bulbo, parafuso de Edison, placa de circuito, bobina, entre outros (LIM, et al., 2013). Etapas de processamento mecânico são necessárias primeiramente para obtenção de frações ricas nos chips de LEDs.
Uma simulação de provável processamento mecânico das lâmpadas de LED foi apresentada por Reuter e van Schaik, (2015) e incluía, entre outras, etapas de cominuição, separação magnética, separação eletrostática e separação gravimétrica. A literatura ainda carece, porém, de estudos que demonstrem a viabilidade técnica do processamento mecânico das lâmpadas de LED para obtenção de frações mais concentradas para etapas posteriores de recuperação dos materiais.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 CABOS COAXIAIS 4.1.1 Materiais
Para realização dos experimentos referentes à reciclagem de cabos foram utilizados cabos do tipo coaxial RGC-59, adquiridos em uma empresa de Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brasil. Os equipamentos utilizados, assim como suas especificações, estão presentes no Quadro 3, e a forma como cada um foi utilizado está descrita na seção 4.1.2 deste trabalho.
Quadro 3 - Equipamentos utilizados na reciclagem dos cabos coaxiais.
Equipamento Especificações
Balança analítica Bioscale, Modelo 2204
Câmera fotográfica Canon, Modelo SX530 HS
Analisador térmico Shimadzu, Modelo TGA-50
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
Tescan, Modelo VEGA-3 com Espectroscopia de Raios-X por Dispersão em Energia
Moinho de facas Rone, Modelo N150
Sistema de peneiras vibratórias Produtest, Modelo T Separador eletrostático do tipo rolo Inbras, Modelo ESP-14/01S
Termo-higrômetro digital J Prolab, Modelo Sh-122
Separador magnético Inbras, Modelo RE 05/4-1
Fonte: Elaborado pelo autor.
Além destes equipamentos, também foram usadas algumas ferramentas como alicates e pinças para preparo e manuseio das amostras durante os experimentos e vidrarias de laboratório como placas de Petri para a pesagem de amostras.
4.1.2 Métodos
Os cabos coaxiais a serem reciclados passaram por diferentes etapas e operações unitárias de separação, com a finalidade de caracterizar e recuperar os metais presentes em sua composição. As etapas foram realizadas conforme o fluxograma apresentado na Figura 12, sendo descritas posteriormente.
Figura 12 – Fluxograma dos processos propostos para reciclagem dos cabos coaxiais.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Foram empregados dois diferentes processos para reciclagem dos cabos coaxiais, conforme a Figura 12: um que apresenta cominuição no moinho de facas, peneiramento e separação eletrostática (Processo I) e outro que apresenta cominuição no moinho de facas, separação magnética e separação eletrostática (Processo II). Todas as operações testadas foram realizadas em triplicata.
4.1.2.1 Caracterização dos materiais
Inicialmente, os cabos coaxiais foram desmantelados manualmente com o auxílio de alicates para posterior quantificação em percentual mássico dos componentes presentes nos cabos, com o auxílio de uma balança analítica, sendo classificados em fração metálica (aço e alumínio) e fração polimérica. A quantidade foi a equivalente a aproximadamente 30 gramas de cabos. Após o desmantelamento, a caracterização da fração polimérica foi realizada através de análises termogravimétricas (TGA), sendo aplicada uma taxa de aquecimento da amostra de 20 °C.min-1 e uma vazão constante de nitrogênio de 100 mL.min-1. As temperaturas finais de análise foram 600 °C para o polietileno e 700 °C para os demais materiais poliméricos. A fração metálica foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) com espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDS).
4.1.2.2 Cominuição e análise granulométrica
As amostras de cabos coaxiais a serem separadas foram cominuídas em um moinho de facas com a malha de saída do equipamento de 5 mm. Nesta etapa, uma amostra de 30 g de cabos foi utilizada. Depois da cominuição, as amostras foram submetidas à peneiramento em agitador vibratório com peneiras (Tyler 100, 28, 20, 14, 10, 8), para análise granulométrica do material a ser processado. O diâmetro médio foi calculado através da definição de Sauter dada por Foust et al. (2008), representada pela Equação (1):
𝐷̅𝑆𝑎𝑢𝑡𝑒𝑟 = 1
∑(∆𝑋𝑖/𝐷𝑚𝑖) (1)
Onde D̅Sauter é o diâmetro médio de Sauter (mm), Dmi é a média do diâmetro de duas peneiras consecutivas (mm) e Xi é a fração mássica das partículas com diâmetro Dmi.
4.1.2.3 Peneiramento e separação magnética
A operação de peneiramento relativa ao Processo I objetivou a separação do alumínio presente nos cabos do restante da mistura. Apenas duas peneiras, de Tyler 28 e 100, foram utilizadas no agitador vibratório. O tempo de operação das peneiras foi de 10 minutos, sendo constatado que estas condições foram suficientes para a separação de quase todo o alumínio.
A separação magnética, por outro lado, pertencente ao Processo II, tinha como objetivo separar o aço cobreado, que caráter magnético, do restante da mistura. Para tanto foi utilizado um separador magnético, com funcionamento similar ao apresentado na Figura 5, e os seguintes parâmetros mantidos constantes: alimentação vibratória a 30% de sua capacidade máxima e ângulo do defletor de 15°. A velocidade do rolo foi utilizada conforme um trabalho prévio e fixada em 250 rpm (TRIPATHY, et al., 2017). Tais condições foram suficientes para obtenção da eficiência de separação desejada.
Tanto para a etapa de peneiramento, quanto para a etapa de separação magnética foram realizados cálculos de pureza e eficiência de recuperação, de acordo com as Equações (2) e (3), respectivamente:
𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 (%) =𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑥100 (2)
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (%) = 𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙−𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑥100 (3)
Onde mmetal é a massa do metal presente na fração de interesse (g), mtotal é a massa total de materiais na fração de interesse (g) e mmetal-total é a massa de metal total em todas as frações advindas da operação (g).
4.1.2.4 Separação eletrostática
A operação de separação eletrostática esquematizada na Figura 13, foi realizada tanto para o Processo I quanto para o Processo II, com o intuito de avaliar a separação da fração metálica restante (condutora) da fração polimérica (não condutora), diferenciando o metal a ser separado para cada processo. O separador eletrostático do tipo rolo possui um eletrodo eletrostático, um eletrodo de ionização e um eletrodo aterrado na forma de rolo. Além disso, o equipamento utilizado apresenta três coletores, identificados como I (coletor da fração condutora), II (coletor da fração intermediária) e III (coletor da fração não condutora).
Figura 13 – Esquema ilustrativo do separador eletrostático do tipo rolo.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Os parâmetros avaliados no separador eletrostático foram a rotação do rolo (n, em rpm), a distância do eletrodo eletrostático (D2, em cm), a tensão aplicada aos eletrodos (U, em kV) e o ângulo de defletor (γ, em °), conforme apresentado na Tabela 3.
Tabela 3 – Parâmetros avaliados para a separação eletrostática de metais de cabos.
Processo I
n (rpm) D2 (cm) U (kV) γ (°)
10; 20; 30; 40 8 25 0
30 6; 8; 10; 12 25 0
30 8 15; 20; 25; 30 0
30 8 30 -2.5; 0; 2.5; 5
Processo II
n (rpm) D2 (cm) U (kV) γ (°)
10, 20, 30, 40 8 25 0
10 6, 8, 10, 12 25 0
10 10 15, 20, 25, 30 0
10 10 25 -2.5; 0; 2.5; 5
Fonte: Elaborado pelo autor.
Devido à grande quantidade de parâmetros disponíveis, alguns parâmetros foram fixados durante os experimentos: a distância do eletrodo de ionização (D1) = 6 cm; o ângulo do eletrodo de ionização (θ1) = 25° e o ângulo do eletrodo eletrostático (θ2) = 75° (JIANG, et al., 2008; SILVEIRA, et al., 2017). Além disso, os experimentos foram sempre realizados e mantidos com umidade relativa do ar na faixa de 40-50% e temperatura entre 22-25 °C, medidos com auxílio de um termo-higrômetro. A alimentação vibratória foi mantida em 30% de sua capacidade máxima (SILVEIRA, et al., 2017).
Os valores de pureza e eficiência de recuperação foram adaptados e determinados para a separação eletrostática pelas Equações (4) e (5), respectivamente.
𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 (%) =𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙−𝐼
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙−𝐼 𝑥100 (4)
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (%) = 𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙−𝐼 𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙−𝐼+𝐼𝐼+𝐼𝐼𝐼
𝑥100 (5)
Onde mmetal-I é a massa de metal presente no coletor I, mtotal-I é a massa total de material no coletor I e mmetal-I+II+III é a massa de metal total nos três coletores.
