Viabilidade do uso de solvente eutético para dissolução seletiva de cobalto e lítio oriundo de baterias íon-lítio descartadas

Abstract

O cobalto e o lítio têm sido muito demandados pela sociedade moderna levando a diminuição das reservas naturais. Para evitar a falta destes metais no mercado e minimizar os impactos ambientais gerados pela mineração e descartes inadequados, tem sido proposto o reaproveitamento de resíduos, como as baterias de íon-lítio (íon- Li) descartadas. O desafio para obtenção de cobalto e lítio com alta pureza a partir dessas fontes secundárias é a quantidade e variedade de metais concomitantes que dificultam o processo de recuperação. Em adição a isso, os ácidos normalmente empregados para a dissolução das baterias íon-Li são considerados poluentes e lixiviam igualitariamente todos os metais presentes. Assim, obter um meio de dissolução verde e seletivo para cobalto das baterias descartadas contribuirá para introduzir este metal no mercado de forma mais sustentável, contribuindo para economia circular. Neste trabalho foi investigada a viabilidade do uso de solvente eutético (ES) a base de cloreto de colina ([Ch]Cl) e ácidos orgânicos ácido cítrico (CiA), ácido acético (AcA) ou ácido metanossulfônico (MtA) para lixiviar os metais a partir de baterias íon-Li descartadas. Diferentes tipos de bateria íon-Li foram descarregadas e desmanteladas. O material correspondente ao cátodo foi calcinado em diferentes condições (1h a 300 °C e 5h a 550 °C), (1h a 300 °C e 5h a 650 °C) e (1h a 300 °C e 5h a 750 °C) a fim de remover fluoreto de polivinilideno (PVDF). O resíduo calcinado foi caracterizado por Espectroscopia Raman e Difratometria de raio- X. A (1h a 300 °C e 5h a 550 °C) de calcinação o PVDF foi completamente removido. O material calcinado é constituído por óxidos (LiCoO 2 , LiNiCoO 2 , LiNiCoMnO 2 CoO 2 e Li 2 CoMn 3 O 8 ) e carbono. A lixiviação do material calcinado foi avaliada em função do tipo de solvente eutético ([Ch]Cl:CiA, [Ch]Cl:AcA, [Ch]:MtA), razão molar do ES [Ch]Cl:AcA (1:1, 1:2 e 2:1), quantidade de água adicionada (0 a 50 % (m/m)), temperatura (30 a 80 °C) e tempo (0 a 150 min). O ES foi preparado pela mistura de ChCl e CiA, AcA, ou MtA, seguida de sua caracterização por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier. Os resultados obtidos em cada condição experimental foram comparados e amplamente discutidos buscando compreender o mecanismo de lixiviação quando ES são empregados e encontrar a melhor condição de lixiviação. O ES [Ch]Cl:AcA na razão molar 1:2, porcentagem de água de 30 % (m/m), temperatura de 40 °C e 30 min de lixiviação possibilitaram obter uma mistura de cobalto e lítio com 94,6 % (m/m) de pureza em relação aos metais concomitantes. Os resultados demonstram a viabilidade do uso do ES para obtenção seletiva e sustentável de cobalto e lítio. Entretanto, a porcentagem de lixiviação de cobalto e lítio foi (32,6 ± 0,2) e (49,8 ± 0,4) % (m/m), respectivamente, mostrando a necessidade de novos estudos para melhoria da eficiência de lixiviação sem perda da seletividade. Palavras-chave: Metais críticos. Resíduos eletroeletrônicos. Sustentabilidade. Química verde.Cobalt and lithium have been in great demand by modern society, leading to the decrease of natural reserves. To avoid the lack of cobalt and lithium in the market and minimize the environmental impacts generated by mining and inadequate disposal, it has been proposed to reuse waste rich in these metals, such as discarded lithium-ion (Li-ion) batteries. The challenges for obtaining cobalt and lithium from these secondary sources are the amount and variety of concomitant metals that difficult obtaining high purity cobalt and lithium. In addition to this, the acids usually used for dissolving Li-ion batteries are considered pollutants and they can leach all metals present equally. Thus, obtaining a green and selective dissolution medium for cobalt from discarded batteries will contribute to introducing cobalt on the market in a more sustainable way, playing a role in the circular economy. In this work, it was investigated the feasibility of using eutectic solvent (ES) based on choline chloride ([Ch]Cl) and organic acids (citric acid (CiA), acetic acid (AcA, or methanesulfonic acid (MtA) to leach metals from discarded Li-ion batteries. Different types of Li-ion batteries were discharged and dismantled. The material corresponding to the cathode was calcined under different conditions (1h at 300 °C and 5h at 550 °C), (1h at 300 °C and 5h at 650 °C) and (1h at 300 °C and 5h at 750 °C) to remove polyvinylidene fluoride (PVDF). The calcined residue was characterized by Raman Spectroscopy and X-Ray Diffractometry. At (1h at 300 °C and 5h at 550 °C) of calcination, the PVDF was completely removed. The calcined material consists of oxides (LiCoO 2 , LiNiCoO 2 , LiNiCoMnO 2 CoO 2 and Li 2 CoMn 3 O 8 ) and carbon. The leaching of the calcined material was evaluated as a function of the type of eutectic solvent ([Ch]Cl:CiA, [Ch]Cl:AcA, [Ch]:MtA), molar ratio of ES [Ch]Cl:AcA (1:1 , 1:2 and 2:1), amount of water added (0 to 50% (m/m)), temperature (30 to 80°C) and time (0 to 150 min). ES were prepared by mixing ChCl with CtA, AcA, or MtA. Then, they were characterized using Fourier Transform Infrared Spectroscopy. The results obtained in each experimental condition were compared and widely discussed to understand the leaching mechanisms when ES are used and to find the best leaching conditions. The ES [Ch]Cl:AcA, in the molar ratio 1:2, percentage of water of 30 % (m/m), temperature of 40 °C and 30 min of leaching allowed to obtain a mixture of cobalt and lithium with 94.6 % purity in relation to the concomitant metals. The results demonstrate the feasibility of using ES for selective and sustainable production of cobalt and lithium. However, the percentages of cobalt and lithium leached were (32.6 ± 0.2) and (49.8 ± 0.4) %, respectively, showing the need for further studies to improve the leaching efficiency without the loss of selectivity. Keywords: Critical metals. Electronic waste. Sustainability. Green chemistry.