Investigação de variáveis na extração de lítio a partir de rejeito industrial de pegmatitos litiníferos : estratégia para sustentabilidade ambiental.

Abstract

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Núcleo de Pesquisas e Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Ouro Preto.A demanda por lítio no mercado global foi impulsionada pela expansão da indústria de baterias Li-íon, utilizadas em veículos elétricos (EVs) e dispositivos eletrônicos (celulares, computadores, tablets, etc.). A fabricação destas baterias demanda majoritariamente o processamento de fontes minerais portadores de lítio. O Estado de Minas Gerais é o principal produtor de concentrados de lítio no Brasil, obtido a partir do espodumênio (LiAlSi2O6). No processo de produção de concentrados de espodumênio, há também a geração de grandes volumes de rejeitos com baixo teor de lítio. Portanto, na presente dissertação, foram investigadas duas rotas (ácida e potássica) de extração de lítio contido em concentrados de flotação produzidos em laboratório a partir de rejeitos gerados no processo industrial de concentração de minério de lítio. A rota ácida necessitou inicialmente da conversão do espodumênio da fase alfa para beta, a 1050°C, seguida da sulfatação com H2SO4 (98%), em temperaturas variando entre 180°C e 240°C. Posteriormente, a amostra sulfatada foi lixiviada em água, a 60°C e 200 min-1 de agitação, entre 6 horas e 24 horas. Os resultados experimentais demonstraram extração de lítio acima de 93%, nas temperaturas de sulfatação de 210°C e 240°C, com proporção 0,5/1 de g-H2SO4/g-espodumênio, em 6 horas de lixiviação. Desta forma, foi definido a condição 210°C, como a temperatura de sulfatação otimizada por alcançar resultados similares aos obtidos na condição de 240°C. Em contraste à rota convencional ácida, a rota com sulfato de potássio, investigada nesta dissertação, pretendeu extrair o lítio diretamente da fase alfa-espodumênio avaliando o efeito da relação mássica (sólido/sólido) K2SO4/espodumênio, em duas horas de calcinação, seguindo de lixiviação em água a 60°C e 200min-1 de agitação, variando-se o tempo entre 1,5 horas e 3 h. Os resultados demonstraram até 94,92% de extração de lítio, nas seguintes condições experimentais: temperatura de sulfatação 1050°C, proporção mássica igual a 0,5/1 g-K2SO4/g- espodumênio, em 3 horas de lixiviação e 200 min-1 de agitação. Após os ensaios de lixiviação, o resíduo obtido nas duas rotas foi caracterizado por técnicas de difração de raios X, fluorescência de raios X, e microscopia eletrônica de varredura. O resíduo da rota potássica revelou a presença predominante de leucita e um teor elevado de K2O (17,81%), em comparação com o resíduo da via ácida que apresentou 1,38% de K2O. Desta forma, o resíduo da rota potássica apresenta potencial de utilização uma vez que a leucita é uma fonte de potássio de liberação lenta na agricultura. Com base nos resultados obtidos, foi possível concluir que ambas as rotas apresentaram extrações de lítio acima de 90%, porém, em termos de diretrizes da sustentabilidade, a via potássica favorece um balanço voltado à economia circular. Além disso, na rota potássica, há a combinação das etapas (i) decrepitação do α- espodumênio e (ii) sulfatação do β-espodumênio em uma única operação unitária, o que torna o processo mais simples se comparado com a rota ácida. Também, foi possível concluir que o estudo se insere em um contexto voltado a sustentabilidade ambiental reaproveitando rejeitos de mineração, alcançando assim um dos objetivos da pesquisa. A presente pesquisa teve o apoio das agências brasileiras CAPES, CNPq, FINEP e FAPEMIG.The demand for lithium in the global market has been driven by the expansion of the Li-ion battery industry, used in electric vehicles (EVs) and electronic devices (cell phones, computers, tablets, etc.). The manufacture of these batteries mainly requires the processing of lithium-bearing mineral sources. The state of Minas Gerais is the main producer of lithium concentrates in Brazil, obtained from spodumene (LiAlSi2O6). In the production process of spodumene concentrates, large volumes of tailings with low lithium content are also generated. Therefore, in this dissertation, two routes (acid and potassium) for extracting lithium contained in flotation concentrates produced in the laboratory from tailings generated in the industrial process of lithium ore concentration were investigated. The acid route initially required the conversion of spodumene from the alpha to beta phase at 1050°C, followed by sulfation with H2SO4 (98%) at temperatures ranging from 180°C to 240°C. Subsequently, the sulfated sample was leached in water at 60°C and 200 min-1 agitation for between 6 and 24 hours. The experimental results demonstrated lithium extraction above 93% at sulfation temperatures of 210°C and 240°C, with a ratio of 0.5/1 g-H2SO4/g-spodumene, in 6 hours of leaching. Thus, the condition of 210°C was defined as the optimized sulfation temperature for achieving results similar to those obtained at 240°C. In contrast to the conventional acid route, the potassium sulfate route investigated in this dissertation aimed to extract lithium directly from the alpha-spodumene phase by evaluating the effect of the mass ratio (solid/solid) K2SO4/spodumene mass ratio in two hours of calcination, followed by leaching in water at 60°C and 200 min-1 agitation, varying the time between 1.5 hours and 3 hours. The results showed up to 94.92% lithium extraction under the following experimental conditions: sulfation temperature 1050°C, mass ratio equal to 0.5/1 g-K2SO4/g-spodumene, 3 hours of leaching, and 200 min-1 of agitation. After the leaching tests, the residue obtained in both routes was characterized by X-ray diffraction, X-ray fluorescence, and scanning electron microscopy techniques. The residue from the potassium route revealed the predominant presence of leucite and a high K2O content (17.81%), compared to the residue from the acid route, which had 1.38% K2O. Thus, the residue from the potassium route has potential for use since leucite is a source of slow-release potassium in agriculture. Based on the results obtained, it was possible to conclude that both routes presented lithium extractions above 90%; however, in terms of sustainability guidelines, the potassium route favors a balance geared toward the circular economy. In addition, in the potassium route, there is a combination of the steps (i) decrepitation of α-spodumene and (ii) sulfation of β-spodumene in a single unit operation, which makes the process simpler when compared to the acid route. It was also possible to conclude that the study fits into a context focused on environmental sustainability by reusing mining waste, thus achieving one of the research objectives. This research was supported by the Brazilian agencies CAPES, CNPq, FINEP, and FAPEMIG