BIOLEACHING IN THE REHABILITATION OF HEAVY METALS FROM CELL PHONE BATTERIES
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.11225067
Nathalia de Lima Moralis1;
Pamela Santos Yamashita1;
Rondineli Florindo Lemos1;
Vanessa Arruda dos Santos1;
Orientadora: Elisângela Ronconi Rodrigues2
RESUMO
O resumo aborda a recuperação de metais pesados de baterias usadas por meio do processo de biolixiviação. Este método sustentável e inovador envolve a utilização de microrganismos para extrair metais pesados das baterias, proporcionando uma alternativa ambientalmente amigável em comparação aos métodos convencionais. A biolixiviação destaca-se pela eficiência na solubilização dos metais, facilitando sua recuperação posterior. Este estudo explora os aspectos técnicos e ambientais da biolixiviação, considerando seu potencial como uma abordagem sustentável para a gestão de resíduos eletrônicos e a recuperação responsável de recursos metálicos. O estudo aborda considerações econômicas, destacando a viabilidade econômica da biolixiviação em comparação com processos convencionais. Na pesquisa aponta-se a importância de integrar abordagens sustentáveis na gestão de resíduos eletrônicos, considerando não apenas a eficiência técnica, mas também os benefícios ambientais e econômicos a longo prazo. Em conclusão, a biolixiviação emerge como uma abordagem promissora na recuperação de metais pesados de baterias usadas, representando uma contribuição significativa para a economia circular e a sustentabilidade ambiental na indústria de eletrônicos. O estudo incentiva a adoção e o aprimoramento dessa técnica como uma alternativa inovadora e eficaz na gestão responsável de resíduos eletrônicos.
Palavras-chaves: Baterias, biolixiviação, metais pesados, celulares.
ABSTRACT
The brief addresses the recovery of heavy metals from used batteries through the process of bioleaching. This sustainable and innovative method involves the use of microorganisms to extract heavy metals from batteries, providing an environmentally friendly alternative to conventional methods. Biolixivation stands out for its efficiency in solubilizing metals, facilitating their subsequent recovery. This study explores the technical and environmental aspects of bioleaching, considering its potential as a sustainable approa3ch to e-waste management and the responsible recovery of metal resources. The study addresses economic considerations, highlighting the economic viability of bioleaching compared to conventional processes. The research points to the importance of integrating sustainable approaches into e-waste management, considering not only technical efficiency, but also long-term environmental and economic benefits. In conclusion, bioleaching emerges as a promising approach to recovering heavy metals from used batteries, representing a significant contribution to the circular economy and environmental sustainability in the electronics industry. The study encourages the adoption and improvement of this technique as an innovative and effective alternative in the responsible management of electronic waste.
Keywords: Batteries, bioleaching, metal recovery, cell phones.
1. INTRODUÇÃO
A crescente produção de resíduos eletrônicos, impulsionada pela rápida obsolescência de dispositivos como telefones celulares, apresenta um desafio ambiental significativo em escala global. Dentro desse contexto, a necessidade urgente de desenvolver abordagens inovadoras e sustentáveis para a gestão de resíduos eletrônicos tornou-se imperativa.
O aumento exponencial na produção de resíduos eletrônicos representa não apenas um desafio ambiental, mas também uma oportunidade crítica para redefinir nossa abordagem em relação à gestão de recursos. Entre os principais contribuintes para essa problemática estão as baterias de celulares, que frequentemente contêm metais pesados valiosos, mas que também representam um risco ambiental significativo se descartadas inadequadamente.
O avanço tecnológico contínuo, impulsionado por uma sociedade cada vez mais dependente de dispositivos eletrônicos, intensificou o desafio global da gestão de resíduos eletrônicos. Segundo Pereira (2008) e Portilho (2005), o estímulo para a geração e aperfeiçoamento de novas tecnologias vão muito além do que uma mera necessidade de sobrevivência, mas compreende uma competição de mercado. Dentro desse contexto, a necessidade urgente de desenvolver abordagens inovadoras e sustentáveis para a gestão de resíduos eletrônicos tornou-se imperativa.
No Brasil, assim como a reciclagem do papel, vidro e garrafas PET cresce diariamente, observa-se também um aumento na reciclagem de rejeitos metálicos, como alumínio, ferro, cobre e estanho (VEIT et al., 2005). Segundo Silva et al. (2007), as rotas pirometalurgia e hidrometalurgia são os métodos mais arcaicos e mais utilizados na recuperação de metais-base. Entretanto, pode-se apontar a biolixiviação como um método alternativo na recuperação destes metais provenientes de sucata eletrônica, por praticamente não gerar contaminantes, por não requerer energia e produtos químicos, pela simplicidade das instalações e principalmente por evitar a emissão de poluentes gasosos como aqueles gerados no processo pirometalúrgico (SANTANA, 2016).
Uma alternativa sustentável e eficiente para a recuperação desses metais é a técnica da biolixiviação. Essa técnica utiliza microorganismos para solubilizar os metais presentes nas baterias usadas de celulares, facilitando sua extração. Os microrganismos produzem ácidos orgânicos que promovem a dissolução dos metais na solução aquosa, permitindo sua posterior recuperação por processos físico-químicos. A biolixiviação apresenta vantagens significativas em relação aos métodos convencionais de recuperação de metais pesados, como menor geração de resíduos sólidos, menor consumo energético e menor impacto ambiental.
Ao centrar-se na aplicação prática da biolixiviação, este estudo também considerará as implicações mais amplas dessa técnica. Isso inclui avaliar sua viabilidade econômica, compreender as condições ideais para a eficácia do processo e abordar questões logísticas relacionadas à implementação em larga escala. Ao fazê-lo, pretende-se não apenas oferecer uma contribuição significativa para a literatura científica, mas também fornecer insights práticos que possam orientar futuras estratégias de gestão de resíduos eletrônicos.
Este estudo não apenas se concentra na técnica em si, mas também busca explorar as possíveis ramificações sociais, econômicas e ambientais, mas também posicionar-se como um chamado à ação. À medida que nos esforçamos para equilibrar os benefícios da tecnologia com a necessidade premente de preservar nosso ambiente, a biolixiviação emerge como uma ferramenta promissora que pode moldar um futuro mais sustentável. Para o desenvolvimento do tema, foram utilizadas pesquisas bibliográficas, fundamentadas em publicações científicas.
2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1 O uso de eletrônicos e a indispensabilidade de reabilitação e reciclagem
O século XX foi marcado pelo advento de uma revolução tecnológica. Isto permitiu um fluxo altamente sofisticado de tecnologia, ciência e informação em tempo real, levando ao crescimento da indústria e das cidades, bem como ao capitalismo globalizado. Um mundo em que a sociedade se tornou mais consumista e criou um mercado consumidor de produtos eletrônicos, como telefones celulares, que proporcionam conveniência, localização, status, pesquisa, trabalho e entretenimento (DANTAS, 2010).
O primeiro celular pesava 40 kg e foi desenvolvido pela Ericsson em 1956. O primeiro telefone celular foi desenvolvido pela Motorola em 1973. O celular pesava 1 kg, tinha 25 cm de comprimento e 7 cm de largura. Os telefones celulares comerciais foram desenvolvidos no Golfo Pérsico em 1978. No ano seguinte, as transportadoras japonesas abriram uma rede comercial cobrindo Tóquio, e a tecnologia se espalhou pelas Américas e pela Europa entre 1981 e 1982. A utilização desses serviços teve início na cidade do Rio de Janeiro, Brasil, no final de 1990 (DANTAS, 2010).
Embora a tecnologia seja constantemente renovada em ritmo acelerado, a substituição de um telefone celular para outro tornou-se comum. Além disso, há um aumento no consumo de baterias suficientes para operar esses dispositivos. No entanto, essas fontes de energia, apresentam estabilidade reduzida, com vida útil menor que a dos eletrodomésticos. As baterias podem ser feitas de um ou mais metais pesados, como chumbo (Pb), cádmio (Cd), mercúrio (Hg), níquel (Ni), prata (Ag), lítio (Li), zinco (Zn) e manganês (Mn), que são produtos magnetizados.
Devido à falta de conhecimento do consumidor, o prazo de validade é curto utilidade dos eletrônicos e a falta de políticas de descarte adequadas, esses dispositivos são de forma inadequada no meio ambiente, eles criam problemas não só por causa do volume produtos, mas também pela presença de poluentes, uma vez que são lançados 4 o meio ambiente, os metais poluem as águas subterrâneas, as culturas e a vida aquática, que causam riscos à saúde humana, além de danos ambientais (MENDES; BUOSI, 2010).
No Japão, entre as décadas de 1950 e 1960, na cidade de Minamata, onde milhares de pessoas foram envenenadas por mercúrio (Hg), que veio à disposição de resíduos industriais na Bahia de Minamata. Este peixe é contaminado com mercúrio e frutos do mar consumidos pela população. Mais de 2.000 pessoas morreram durante esse período, e como a doença foi transmitida de mãe para filho, estima-se que atualmente existam mais de 3.000 pessoas. As pessoas ainda sofrem as consequências da doença. Minamata Evil é caracterizado por degeneração neurológica e deformidades físicas, com sintomas que vão desde fadiga, dor de cabeça, comprometimento da visão, audição, fala e coordenação motora, levando a convulsões e morte (LEGAT; BRITO, 2010).
Atualmente, a cidade de Minamata é considerada um modelo ambiental. Em agosto de 2017, durante a Convenção de Minamata, foi assinado um tratado internacional para evitar poluição por mercúrio. O objetivo é regular o uso de substâncias químicas e impedi-las a partir de 2020, a produção e comercialização de produtos que contenham mercúrio em baterias. (RODRIGUES et al., 2017). Hoje, em países com uma forte indústria eletrônica, fabricação de componentes para telefones celulares como México, Japão, China, Filipinas, EUA e na Tailândia, a maioria das fontes de terra e água, perto de áreas comerciais, são contaminados por metais pesados (CONTE, 2016).
2.2 Legislação Brasileira
Devido à grande tragédia causada pela eliminação incorrecta de baterias e outros resíduos tóxicos e à pressão social contínua, muitos países e economias introduziram políticas e leis para controlar a utilização e a eliminação adequada dos metais pesados contidos nas baterias. A primeira política de controle do descarte de resíduos perigosos no Brasil é a Resolução 401/2008 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA). Padrão de adequação. Descarte Gestão Ambiental Esta bateria é vendida no Brasil. De acordo com esta resolução, o teor máximo de chumbo, mercúrio e cádmio em células e baterias dos tipos zinco-manganês e alcalino-manganês deve ser de 0,1%, 0,0005% e 0,002%, respectivamente, e nas baterias de chumbo-ácido o percentual em peso deve ser 0,005% de mercúrio e 0,010% de cádmio e também estipula como descartar baterias de chumbo-ácido, óxido de mercúrio e níquel-cádmio, que devem ser enviadas diretamente para empresas de reciclagem licenciadas, em vez de incineradas ou depositadas em aterros. (CONAMA, 2008).
A resolução enfatiza a importância da educação ambiental por meio de materiais publicitários e das próprias embalagens, alerta para os perigos de descartar esses resíduos em locais inadequados e orienta o consumidor a encaminhá-los para um revendedor ou serviço técnico no final de sua vida útil. A rede é permitida. Além disso, as empresas que vendem baterias devem ter instalações de recolha adequadas e os fabricantes devem ter investido em pesquisas para remover ou reduzir a quantidade de metais tóxicos nesses itens (CONAMA, 2008).
Foi instituído por meio da Política Nacional de Resíduos Sólidos pela Lei 12.305 de 08/02/2010 que complementou o CONAMA em 2008. A lei exige que a indústria química assuma a responsabilidade pela produção e descarte de seus produtos, estabelecendo um plano de gestão de resíduos sólidos e registrando-se no Cadastro Nacional de Gestores de Resíduos Perigosos. A lei visa prevenir e reduzir volumes com base em padrões de consumo sustentáveis e na criação de ferramentas que permitam maior reutilização e reciclagem. Procura criar uma responsabilidade solidária entre produtores, importadores, distribuidores, comerciantes, utilizadores e titulares responsáveis pela gestão de resíduos sólidos urbanos, eliminar os aterros e cooperar no desenvolvimento de mecanismos de planeamento urbano a nível nacional e municipal. Neste contexto, sob a orientação da Lei, os geradores de resíduos perigosos têm 12 meses para propor um plano de gestão, cuja não implementação resultará em sanções especificadas na regulamentação. MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2010).
3. METODOLOGIA
3.1 A bateria e sua composição
Uma bateria consiste em um grupo de células conectadas em série ou paralelo, para fornecer maior potência ou corrente. Essas baterias são dispositivos eletroquímicos que convertem energia química em energia elétrica e vice-versa por meio de reações químicas Redox. Eles consistem em um eletrodo negativo onde ocorre a oxidação, denominado ânodo. O eletrodo positivo onde ocorre a reação de redução é chamado de cátodo, portanto a energia elétrica é produzido pelo fluxo de elétrons do eletrodo negativo para o eletrodo positivo. esses sistemas Eletroquimicamente, a diferença entre eles é a capacidade de serem recarregáveis ou não recarregáveis.Portanto, são classificadas como baterias primárias, que não podem ser recarregadas e Bateria secundária recarregável e reutilizável. (Boch;Ferrita; Piaggio, 2000)
Os principais metais pesados encontrados nas baterias usadas de celulares são o chumbo, cádmio, níquel e cobalto. O chumbo é utilizado nas placas das baterias para aumentar sua capacidade de armazenamento de energia. O cádmio é utilizado nos eletrodos das baterias para melhorar sua eficiência energética. O níquel é utilizado nas células das baterias para aumentar sua vida útil. E o cobalto é utilizado nos cátodos das baterias para melhorar sua estabilidade e desempenho. Esses metais são essenciais na indústria eletrônica e automotiva, sendo utilizados na fabricação de baterias recarregáveis, dispositivos eletrônicos e veículos elétricos (GUIRRA et al., 2021).
A bateria de zinco/manganês (Leclanché) é a bateria mais comum primário, eles foram inventados em 1860 pelo químico francês George Leclanché. O cátodo disso a bateria é feita de um bastão de grafite, seu ânodo é formado por uma placa de zinco metálico, contendo pequenas quantidades de chumbo e cádmio e seu eletrólito é composto com uma mistura de cloreto de amônio e zinco. Estas baterias não podem ser recarregável, pois quando é utilizado ocorre uma reação de redução irreversível e, a partir do momento em que o dióxido de manganês é totalmente consumido, sua atividade descansar Muitas vezes ocorrem vazamentos mesmo durante o uso, devido a reações redox provocam ruptura do cilindro de zinco, o que apresenta grande potencial de contaminação ambiental meio ambiente (BOCCHI; FERRACIN; BIAGGIO, 2000).
As pilhas alcalinas (pilhas de dióxido de zinco/dióxido de manganês) têm a mesma coisa Eletrodos da bateria Leclanché, no entanto, seu eletrólito agora consiste em um solução aquosa concentrada de hidróxido de potássio (30% em massa) adicionada de uma certa quantidade quantidade de óxido de zinco e recipiente externo de chapa de aço. Roupas 12 com uma placa de aço confere a essas baterias uma melhor vedação, reduzindo o risco de fluxo, a menos que contenha metais tóxicos como mercúrio, chumbo e cádmio (BOCCHI; FERRACINA; BIAGGIO, 2000). Com o advento da exploração espacial na década de 1960, eram necessários sistemas reservas de energia estáveis e confiáveis, surgiram pesquisas que usavam o lítio como ânodos para esses fins, ou seja, baterias de lítio/dióxido de manganês e em produção deles foram utilizados eletrólitos não aquosos, devido à reatividade do lítio com a água. Esses dispositivos são caros e apresentam grandes riscos associados à reatividade do metal lítio e umidade do ar, por isso devem estar bem vedados para evitar chamas (BOCCHI; FERRACINA; BIAGGIO, 2000).
A invenção das baterias de chumbo/óxido de chumbo remonta a 1859, quando o físico francês Raymond Gaston Planté criou o primeiro sistema recarregável, este tipo de bateria utiliza o fio em seus dois eletrodos. O processo de reação inclui 2 fases: descarga e carga. Durante a fase de descarga, no cátodo, o dióxido de chumbo reage com o ácido sulfúrico, produzindo sulfato de chumbo e água e, no ânodo, o chumbo reage com íons sulfato para formar sulfato de chumbo. a bala Durante o processo de carregamento, o sulfato de chumbo retorna ao chumbo no ânodo e dióxido de chumbo no cátodo. Essas baterias são automotivas, industriais e à prova d’água e possuem agravante no uso do chumbo, que é um metal tóxico e, por não existir no Brasil reservas deste material (BOCCHI; FERRACIN; BIAGGIO, 2000).
As baterias de cádmio/óxido de níquel (níquel/cádmio) foram propostas em 1899 por Sueco Waldemar Jungner e são feitos de uma liga de cádmio e ferro no ânodo e hidróxido de níquel em seu cátodo, imerso em uma solução aquosa de hidróxido de níquel potássio (20% a 28% em massa). Durante o processo de descarga, o cádmio metálico é oxidado O hidróxido de cádmio no ânodo e o hidróxido de níquel são hidratados no cátodo.
A Figura 2.1 abaixo, representa o sistema de funcionamento das baterias íons lítio.
Figura 2.1 – Funcionamento de uma bateria íon lítio
3.2 Métodos de reciclagem das baterias
A reciclagem de baterias tornou-se uma prioridade nas últimas décadas, após pressões progressivas em relação à legislação política, social e ambiental nesta área neste contexto, muitos estudos têm sido feitos com o objetivo de reduzir e aumentar custos a eficácia dos métodos de reciclagem destes resíduos. Estas baterias são primeiro separadas porque cada tipo possui uma composição química característica. Devido a esta diversidade de composição química, os processos de reciclagem são, em sua maioria, específicos de cada turma. No entanto, devido à falta de conscientização e falta de informação no rótulo desses dispositivos, as baterias são misturadas no sistema de coleta, o que leva a um aumento no custo de reciclagem (MANTUANO et al. 2011).
São duas etapas para o processo de reciclagem de baterias e pilhas: preparação da sucata e processamento metalúrgico.
Durante a fase de preparação dos resíduos, a separação é realizada primeiro de acordo com o tipo de bateria ou na pilha, que pode ser manual e/ou utilizar equipamentos desenvolvidos para esse fim, tais como: Separação mecânica por tamanho, campo magnético, imagem de raios X e sensores ópticos para leitura
eletrônica dos códigos colocados no corpo do material coletado. Depois disso, vamos continuar beneficiamento do minério, que visa concentrar a fração metálica presente, reduzir os custos das operações subsequentes. as operações envolvidas são sobreviventes, nas quais existem divisões de cadáveres (metal e plástico); fragmentação, que visa reduzir o tamanho das partículas de resíduos e a liberação de diversos tipos de materiais; e finalmente outras operações visam separar cada componente de acordo com suas diferenças propriedades, nomeadamente separação magnética, separação eletrostática e separação de meios espesso; A separação de meios densos é um processo de separação gravimétrica de minerais, onde o meio denso consiste em um sistema heterogêneo que consiste em um sólido insolúvel dispersas em água, que se comportam com propriedades líquidas, as espécies minerais de 15 separados devem apresentar diferença de densidade, para que a maior parte dos minerais os mais densos afundam e os menos densos flutuam (MANTUANO et al. 2011).
Depois vêm as transformações metalúrgicas, que podem seguir diferentes caminhos: pirometalurgia, hidrometalurgia ou biohidrometalurgia. A primeira é a forma mais arcaica de se produzir metais, o segundo é mais jovem e desenvolvido quando os mais básicos já são conhecidos e o terceiro está sendo pesquisado. Esses processos visam tratar os resíduos para recuperar os metais de interesse.
Segundo Mantuano et al. (2011), os processos serão descritos a seguir:
a) a rota pirometalúrgica utiliza técnicas que utilizam altas temperaturas para isso transformação da sucata, durante o aquecimento desta ocorrem reações decomposição, redução ou evaporação do composto. reciclagem de baterias Ni/Cd, envolve principalmente etapas piro metalúrgicas; Essas etapas estão em temperatura ambiente magnitude de 900°C, no vácuo, em atmosfera inerte ou redutora. Os produtos são provenientes de metal cádmio com pureza de cerca de 99,9% e um material que é uma mistura de ferro, níquel e cobalto, usados na fabricação de aço inoxidável;
b) a rota hidrometalúrgica depende da lixiviação ácida ou básica da sucata resultante da etapa de preparação, durante a qual os metais de interesse são lixiviados do sólido para a solução água. Esta solução passa então por etapas de purificação seletiva para recuperar metais: extração por solvente, troca iônica, precipitação e carburação. Na extração de solvente, uma fase orgânica é usada para remover o metal de interesse da solução aquosa. ó a fase orgânica que contém o metal é então submetida a uma nova extração, na última o metal é transferido para uma solução aquosa sem outros metais (2 fases separadas). A solução iônica é semelhante à anterior, mas a solução aquosa é colocada em contato com uma resina sólida que pega o metal sozinho e, logo em seguida, em contato com uma solução aquosa diferente, o metal é removido da resina. A precipitação usada para recuperar metais das baterias é precipitação seletiva por mudança de pH, através da adição de reagentes específicos (NaOH, CaO e barril). Finalmente, a cementação utiliza um metal menos nobre que reduz o íon metálico mais nobre (reação de deslocamento);
c) a biohidrometalurgia (ou biolixiviação) utiliza interações entre microrganismos e minerais para recuperar metais preciosos, como: cobre, ouro, cobalto e lítio. Na recuperação de metais provenientes de lixo eletrônico, a biohidrometalurgia é aplicada como purificação biológica de sulfetos metálicos ou na produção de ácidos e quelantes que auxiliam na recuperação de metais. Esta rota é análoga à rota hidrometalúrgica, na qual os microrganismos presentes são utilizados em dinheiro, tratamento de resíduos ou na fase de digestão.
O Brasil não possuía empresas de recuperação de metais utilizando a técnica da biohidrometalurgia. A biolixiviação é utilizada nos Estados Unidos e em outros países no setor de mineração; até o momento, há apenas pesquisas sobre a viabilidade de utilizá-lo para reciclar os metais presentes nas baterias (FERREIRA, 2014). Este trabalho tem como objetivo coletar informações sobre a via biohidrometalúrgica tão eficaz quanto a recuperação de metais, esse processo será detalhado a seguir.
3.3 A biolixiviação
A biolixiviação é um processo que utiliza microorganismos para solubilizar os metais presentes nas baterias usadas de celulares. Essa técnica envolve a utilização de bactérias ou fungos que possuem a capacidade de oxidar compostos inorgânicos contendo metais pesados, transformando-os em formas solúveis. Essas formas solúveis podem ser posteriormente recuperadas por processos químicos ou físicos. A biolixiviação apresenta vantagens em relação a outros métodos convencionais de recuperação de metais, como a lixiviação química, pois é mais eficiente e sustentável (NASCIMENTO et al., 2022).
Os microorganismos envolvidos na biolixiviação desempenham um papel essencial na solubilização dos metais presentes nas baterias usadas de celulares. Bactérias como Acidithiobacillus ferrooxidans e Acidithiobacillus thiooxidans são capazes de oxidar compostos sulfurosos contendo metais pesados, liberando íons metálicos solúveis. Além disso, alguns fungos como Aspergillus niger e Penicillium simplicissimum também podem ser utilizados na biolixiviação de metais. Esses microorganismos possuem enzimas específicas que catalisam as reações de oxidação dos compostos contendo metais, contribuindo para a solubilização dos mesmos (FERREIRA et al., 2021).
O tempo de contato entre os micro-organismos e as baterias usadas de celulares também influencia na eficiência da biolixiviação. Um tempo prolongado pode aumentar a taxa de extração dos metais pesados, uma vez que permite uma maior interação entre os micro-organismos e os minerais contendo esses metais. No entanto, é importante ressaltar que esse tempo deve ser controlado adequadamente, pois um tempo excessivo pode levar à inibição do crescimento dos micro-organismos (FERREIRA et al., 2021)
A realização da biolixiviação requer condições ideais para o crescimento e atividade dos microorganismos envolvidos. O pH é um fator crucial, sendo que a faixa ótima varia de acordo com o tipo de microorganismo utilizado. Geralmente, pH ácido entre 1,5 e 3,0 é favorável para a atividade das bactérias acidófilas envolvidas na biolixiviação. A temperatura também desempenha um papel importante, sendo que temperaturas moderadas entre 25°C e 35°C são adequadas para o crescimento e atividade dos microorganismos. Além disso, a concentração de nutrientes como ferro e enxofre também deve ser controlada para garantir o bom desempenho da biolixiviação (BATISTA et al., 2021).
3.3.1 Bactérias Acidófilas
As bactérias acidófilas são capazes de sobreviver e prosperar em ambientes altamente ácidos, como as pilhas de baterias usadas, devido à sua capacidade de resistir a condições extremas (BATISTA et al., 2021).
As características das bactérias acidófilas são essenciais para o sucesso da biolixiviação. Esses microorganismos possuem uma membrana celular resistente ao pH ácido e enzimas específicas que permitem sua adaptação a ambientes hostis. Além disso, as bactérias acidófilas possuem sistemas de transporte ativos que lhes permitem extrair nutrientes essenciais para seu crescimento em ambientes com baixa disponibilidade nutricional (FERREIRA et al., 2021)
Estas bactérias são classificadas como quimiolitotróficas, mesófilas e acidófilas; A primeira classificação se deve ao fato de que a energia necessária à assimilação do carbono nas células para seu crescimento e manutenção é obtida a partir da oxidação do enxofre (na forma reduzida), dos íons tiossulfato, do enxofre e dos minerais ferro, carbono e este. carbono usado. . das células. vem da oxidação do CO na atmosfera; a segunda e terceira classificação correspondem às condições favoráveis do ambiente em que esta espécie se desenvolve, correspondendo respetivamente a uma temperatura de cerca de 30 °C e a um pH entre 1,5 e 3,0 (GÓMEZ e CANTERO, 2005 e BLAUTH, 2008).
Segundo Garcia Jr. (1989), a bactéria Acidithiobacillus ferrooxydans apresenta características favoráveis, o que permite sua utilização na biolixiviação de metais de interesse em resíduos de baterias, essas características são:
a) crescimento em condições ambientais extremas em ambientes ácidos e concentração de metais;
b) crescimento autotrófico (fixação de CO da atmosfera) resultante da oxidação de formas reduzidas de enxofre, íons tiossulfato, minerais de enxofre e ferro-carbono, que liberam energia suficiente para esta fixação;
c) resistência à concentração de metais tóxicos;
d) a capacidade de dissolver metais preciosos graças ao seu metabolismo oxidativo que produz agentes ácidos para lixiviar metais;
e) a capacidade de adaptação a ambientes com diferentes concentrações tóxicas elementos.
A utilização microbiana destas bactérias acidófilas tem sido utilizado em muitos estudos recentes, no entanto, a maioria dos ensaios ainda utiliza cepas puras de microrganismos; neste novo método, mais de uma espécie de microorganismo é utilizada realizar drenagem bacteriana (QIU et al., 2005).
As bactérias Thiooxidans (Acidithiobacillus thiooxidans) pertencem ao mesmo gênero das ferroxidans, portanto são morfologicamente semelhantes. Os tiooxidanos, diferentemente dos óxidos de ferro, não são capazes de obter energia através da oxidação de íons de ferro, porém, os primeiros são capazes de crescer em ambientes muito ácidos, produzindo e tolerando maiores concentrações de ácido sulfúrico (LIU et al.; 2015). A espécie pode crescer em ambientes com faixa de pH entre 0,5 e 5,5, com pH ótimo entre 2,0 e 3,0 e semelhante ao ferrooxidan, com temperatura ótima próxima a 30 °C (XIANG et al., 2010).
3.3.2 Fungos
A biolixiviação é um processo que envolve a utilização de microrganismos, como os fungos, para solucionar os metais presentes nas baterias e torná-los disponíveis para extração. Essa técnica tem se mostrado promissora devido à capacidade dos fungos em produzir enzimas capazes de solubilizar os metais, facilitando sua remoção (FACCO et al., 2022)
Os fungos utilizados na biolixiviação possuem a capacidade de solubilizar os metais presentes nas baterias através da produção de ácidos orgânicos e enzimas específicas. Essas substâncias secretadas pelos fungos são capazes de dissolver as partículas metálicas, liberando-os para o meio líquido. Além disso, alguns fungos também podem formar complexos com os metais, aumentando sua mobilidade e facilitando sua extração (FERREIRA et al., 2021)
Para que a biolixiviação seja eficiente, é necessário estabelecer condições ideais para o crescimento e atividade dos fungos. O pH do meio é um fator crucial, pois influencia diretamente na atividade das enzimas envolvidas na solubilização dos metais. Geralmente, um pH próximo à neutralidade é favorável para a maioria dos fungos utilizados nesse processo. Além disso, a temperatura e concentração de nutrientes também devem ser controladas adequadamente para garantir o crescimento ótimo dos fungos (MENDONÇA, 2017).
3.4 Fatores que influenciam a biolixiviação de metais pesados A biolixiviação é um processo biológico, muitos fatores afetam o crescimento e a atividade dos microrganismos envolvidos no processo, que por sua vez tem impacto direto na eficiência de recuperação de metais preciosos de baterias usadas. No Quadro 2.1 abaixo, são representados os principais parâmetros físico-químicos que influenciam a biolixiviação.
O impacto de cada fator no processo depende das condições que ele apresenta. Os principais fatores que interferem no processo de lixiviação microbiana são: pH, temperatura, potencial redox, disponibilidade de oxigênio e dióxido de carbono, meio de cultura, concentração de ferro e íons ferrosos, presença de inibidores e adaptação bacteriana.
3.4.1 PH do meio
O pH do meio tem uma influência direta na eficiência da biolixiviação. Valores extremos de pH podem afetar negativamente a atividade dos microorganismos envolvidos no processo. Em valores muito ácidos ou muito alcalinos, esses microorganismos podem ter sua atividade inibida ou até mesmo serem mortos. Portanto, é essencial manter um pH adequado para garantir a máxima eficiência da biolixiviação (BATISTA et al., 2021)
Durante a biolixiviação, diversos fatores podem afetar o pH do meio. Um desses fatores é a presença de ácidos orgânicos produzidos pelos próprios microorganismos durante o processo. Esses ácidos podem diminuir o pH do meio, tornando-o mais ácido. Além disso, a liberação de íons metálicos das baterias também pode afetar o pH, uma vez que alguns metais pesados podem reagir com a água e formar compostos ácidos (PERES NETO, 2022)
Para controlar o pH do meio durante a biolixiviação, são utilizadas estratégias específicas. Uma dessas estratégias é a adição de substâncias alcalinas ou ácidas para ajustar os valores desejados. Por exemplo, se o pH estiver muito ácido, pode-se adicionar uma substância alcalina para elevar o pH até um valor adequado. Da mesma forma, se o pH estiver muito alcalino, pode-se adicionar uma substância ácida para diminuir o pH (FACCO et al., 2022)
A manutenção de um pH adequado durante o processo de recuperação de metais pesados traz diversos benefícios. Um dos principais benefícios é a melhoria da eficiência da biolixiviação. Isso ocorre porque os microorganismos envolvidos no processo funcionam melhor em determinados intervalos de pH e a manutenção desses valores otimiza sua atividade. Além disso, um pH adequado também contribui para a redução dos impactos ambientais, uma vez que evita condições extremas que podem levar à morte dos microorganismos e à liberação descontrolada de metais pesados (MENDONÇA, 2017).
No contexto das perspectivas futuras relacionadas ao controle do pH do meio na recuperação de metais pesados por biolixiviação, espera-se o desenvolvimento de novas técnicas e tecnologias mais eficientes. Isso inclui a busca por métodos mais precisos e rápidos para medir o pH do meio, bem como o aprimoramento das estratégias utilizadas para controlar o pH.
3.4.2 Temperatura
Os microrganismos são classificados de acordo com a faixa de temperatura em que se encontram. vivos, podem ser mesofílicos, termofílicos moderados e termofílicos extremos, bactérias e O gênero Acidithiobacillus, por exemplo, é classificado como mesófilo porque sobrevive em Temperaturas moderadas entre 30°C e 40°C, com temperaturas entre 28°C e 30°C ideal para oxidação de íons de ferro; termófilos moderados e extremos são aqueles que sobrevivem em altas temperaturas, acima de 45°C, esses organismos não sobrevivem temperatura abaixo de 45°C (BARRET et al., 1993).
3.4.3 Potencial Redux
O potencial redox na biolixiviação é determinado pela oxidação biológica de íons materiais de ferro, porque o crescimento de bactérias está associado a um aumento da concentração no meio ambiente desses íons, o potencial redox é refletido na curva de crescimento biológico (FACCO et al., 2022).
Onde:
Eⱨ = potencial de oxirredução na lixívia [V]
R = constante dos gases ideais [J/(mol.K)]
T = temperatura [K]
F = constante de Faraday [J/(mol.V)]
O potencial de equilíbrio é +0,75V, valores de Eⱨ acima favorecem a formação de íon férrico (Fe3+) e valores abaixo favorecem a formação de íon ferroso Fe2+
3.4.4 Meio de cultivo
O meio de crescimento deve fornecer condições suficientes para crescimento e atividade microbiana, deve conter sal e uma fonte de íons de ferro, são utilizadas diferentes análises tipos de meio, dependendo da mudança na concentração de sal; a presença de certos nutrientes (íons prata, íons de sódio ou íons de amônio) no ambiente, pode levar à formação de precipitados e, portanto, reduzir a eficácia do procedimento.
Conforme Nemati et al. (1998) a presença de íons ferrosos no meio é proporcional ao crescimento de microrganismos, com isso, esse parâmetro é fundamental para acompanhar a taxa de crescimento do número de células, todavia, concentrações desse íon, maiores que 6g/L podem inibir a taxa de crescimento microbiana. A presença de inibidores, é outro fator que afeta o meio de cultivo, metais em concentrações inadequadas, podem vir a matar a cultura de microrganismos presente no meio lixiviante ou mesmo inibir suas atividades, assim como pH, concentração de íons férrico e íons ferrosos, a disponibilidade de oxigênio, a densidade da polpa e a concentração de sais no meio, as bactérias possuem tolerância aos cátions metálicos pois suas células são capazes de eliminar esses cátions de sua estrutura interna (YAMANE, 2012).
3.4.5 Disponibilidade de oxigênio e fixação de gás carbônico
A disponibilidade de oxigênio é muito importante para as bactérias envolvidas nesses processos, porque são aeróbios, por exemplo, as espécies Acidithiobacillus ferrooxydans usa gás oxigênio para oxidar íons de ferro. Alguns estudos usam garrafas de shake, onde o oxigênio é introduzido no meio de fluxo com agitação progressiva e é obtido resultados satisfatórios, com taxas de extração superiores a 70% e velocidade de agitação de 150rpm a 250rpm. As espécies regulam o dióxido de carbono atmosférico através de uma reação em cadeia a fixação, redução e regeneração das moléculas que receberão esse gás e o utilizarão carbono para o metabolismo celular (GARCIA JÚNIOR, 1989).
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Métodos de avaliação
Uma das principais vantagens da biolixiviação em relação aos métodos convencionais de recuperação de metais é a redução do consumo de energia. Enquanto os métodos tradicionais envolvem processos térmicos ou químicos intensivos em energia, a biolixiviação ocorre em condições ambientais e não requer altas temperaturas. Além disso, a biolixiviação também contribui para a diminuição da geração de resíduos sólidos, uma vez que utiliza microorganismos para solubilizar os metais, evitando assim a formação de grandes quantidades de rejeitos (FACCO et al., 2022).
4.2 Mecanismo de biolixiviação
A atividade microbiana é muito importante no ciclo dos metais no solo, através de processos naturais como oxidação, redução, acumulação e biolixiviação (ALEKSANDRI, 1961). Ao longo dos anos, muitos projetos de mecanismos foram desenvolvidos envolvidos nesses processos naturais e alguns desses designs resumem esses processos segundo dois mecanismos de ação: direto e indireto, esses processos provêm de bactérias acidófilas, porque são os mais usados.
No mecanismo direto, a bactéria tem ação direta sobre o material, a partir da produção de enzimas que oxidam usualmente sulfetos, liberando o metal de interesse na solução (BOON et al., 1998). A equação 1 abaixo representa esse mecanismo:
A partir da equação (1) acima, conclui-se que a enzima atua em meio ácido (H+), diretamente sobre o material (MS), não há a presença de espécies intermediárias e por fim o metal oxidado (M2+) é liberado no meio lixiviante juntamente com a água produzida (SILVERMAN; EHRLICH, 1964).
Por outro lado, existe o mecanismo de contato indireto, em que não há contato direto entre a bactéria e a superfície do material; a decomposição ocorre graças aos exopolissacarídeos (polissacarídeos extracelulares) produzidos por certas bactérias, como o gênero Acidithiobacillus; este polissacarídeo interage com a superfície do metal por meio de interações eletrostáticas, proporcionando assim uma interface favorável para a atividade enzimática. (SILVERMAN; EHRLICH, 1964).
A lixiviação bacteriana de sulfetos ocorre principalmente por um mecanismo indiretamente, neste mecanismo, as bactérias não precisam estar em contato com a superfície, os microrganismos têm papel catalítico, pois geram espécies químicas que oxidam sulfetos espécies metálicas, espécies químicas oxidadas por bactérias, são responsáveis pela oxidação do material.
A equação 2, mostra a participação do íon férrico na oxidação do metais:
O processo, observado na equação (2), consiste na oxidação de íons de ferro (Fe+2) por bactérias a fim de obter energia para manter sua atividade metabólica, como produto há água e íon férrico (Fe+3), que por sua vez oxida sulfetos metálicos, liberando-os metais livres (M+2) e íons de ferro restauradores; o íon ferro será reaproveitado pelo microrganismo e o enxofre (S0) é oxidado pela ação microbiana e produz ácido sulfúrico, que o ácido é responsável por manter o pH do meio ácido (SANTANA, 2016).
4.3 Vantagens e desvantagens da biolixiviação
A biolixiviação é uma alternativa viável e de bom fator econômico devido ao esgotamento de minerais preciosos.
Economia em insumos (ácidos e oxidantes) comumente utilizados em uma processo hidrometalúrgico; baixa demanda energética em comparação aos processos pirometalúrgicos; baixo investimento de capital inicial e custo operacional, devido à sua simplicidade objetos; redução de pessoal especializado; não emite gases poluentes, como o (S0) gerado durante o processo pirometalúrgico. Comparado a outros métodos, a principal desvantagem do fluxo bacteriano é o processo ser mais lento.
4.4 Limitações e sugestões para pesquisas futuras
Para otimizar o processo de biolixiviação e aumentar a eficiência na recuperação dos metais pesados presentes nas baterias usadas, são necessárias pesquisas futuras nessa área. É importante investigar novas estratégias para melhorar a solubilização dos metais pelos microorganismos envolvidos no processo, bem como identificar as melhores condições operacionais (como concentração do agente lixiviante, tempo de reação e relação sólido-líquido) para maximizar a extração dos metais (NASCIMENTO et al., 2022)
Além disso, é essencial realizar estudos que avaliem os impactos ambientais da biolixiviação como método de recuperação de metais pesados. É necessário investigar possíveis contaminações do solo e da água durante o processo, bem como desenvolver estratégias para minimizar esses impactos. A análise do ciclo de vida do processo também deve ser considerada, levando em conta aspectos como consumo energético e geração de resíduos (MENDONÇA, 2017).
Outra sugestão para pesquisas futuras é a utilização de diferentes microorganismos na biolixiviação. A escolha dos microorganismos adequados pode influenciar diretamente na eficiência do processo, uma vez que diferentes espécies possuem capacidades distintas de solubilização dos metais pesados. Portanto, é importante investigar e comparar o desempenho de diferentes cepas microbianas visando encontrar aquelas que sejam mais eficientes na recuperação dos metais (MENDONÇA, 2017).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A pesquisa representa uma significativa incursão na interface entre a gestão de resíduos eletrônicos, a sustentabilidade ambiental e os avanços tecnológicos. Ao longo deste estudo, foram exploradas diversas facetas desse processo inovador, que emprega microrganismos para solubilizar e recuperar metais valiosos de baterias, apresentando uma alternativa promissora e sustentável aos métodos tradicionais de reciclagem.
Os resultados obtidos indicam que a biolixiviação é eficiente na extração seletiva de metais pesados, incluindo cobalto, níquel e lítio, presentes em baterias de celulares. Esse método não apenas simplifica o processo de recuperação desses metais, mas também demonstra uma abordagem mais ecológica e menos agressiva quando comparada às técnicas convencionais, como a lixiviação ácida.
A pesquisa aqui apresentada não é apenas uma contribuição ao campo da biolixiviação, mas também serve como um apelo à ação. Incentiva a colaboração entre setores, governos e organizações não governamentais para promover a adoção de práticas mais sustentáveis na gestão de resíduos eletrônicos. A conscientização e a educação pública sobre a importância da reciclagem responsável, aliada a tecnologias inovadoras como a biolixiviação, podem desempenhar um papel crucial na criação de uma mudança cultural em direção a uma sociedade mais ecologicamente consciente.
A reabilitação de metais pesados das baterias de telefones celulares por biolixiviação não é apenas uma proposta científica; é um chamado à ação. Instiga a indústria, a comunidade científica e os formuladores de políticas a considerarem esta técnica inovadora como um meio transformador para lidar com a problemática dos resíduos eletrônicos. Ao fazer isso, aponta para um caminho onde a tecnologia e a sustentabilidade convergem, forjando um futuro onde os avanços tecnológicos não só impulsionam o progresso, mas também preservam nosso precioso ambiente para as gerações futuras.
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1 Discentes do Curso Superior de Engenharia Química da Faculdades Metropolitanas Unidas Campus Liberdade. e-mails: nahmoralis1@gmail.com, pamelayamashita99@gmail.com, rondinelineli@hotmail.com, vanessa.arrudadossantos@yahoo.com.br;
2Docente do Curso Superior de Engenharia Química da Faculdades Metropolitanas Unidas Campus Liberdade.. e-mail: elisangela.rodrigues@fmu.br