Desenvolvimento de processo de reciclagem hidrometalúrgica de pasta de bateria chumbo-ácido

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dc.contributor.advisor1Freitas, Marcos Benedito Jose Geraldo de
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1521-774X
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3485939623614913
dc.contributor.authorSantos, Deise Menezes
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-8137-4754
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5368807043588702
dc.contributor.referee1Sena, Denise Rocco de
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-7581-6560
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7378659077068719
dc.contributor.referee2Dalmaschio, Cleocir Jose
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000000237735786
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/5209978120430790
dc.contributor.referee3Ribeiro, Josimar
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000000295441647
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/1265145498501171
dc.contributor.referee4Brito, Gilberto Augusto de Oliveira
dc.date.accessioned2024-05-30T00:54:18Z
dc.date.available2024-05-30T00:54:18Z
dc.date.issued2022-09-28
dc.description.abstractOver 9 million tonnes of lead, more than 80% of global lead consumption, goes into lead-acid batteries production yearly. In Brazil, the smelting industry recycles 98% of batteries. Despite the National Solid Waste Policy, economics is the primary motive for recycling batteries. Pyrometallurgy emits over 84600 tonnes of CO2 and up to 156 tonnes of toxic waste per year in Brazil. In developed countries, alternative processes to pyrometallurgy are exceeding academic research. Companies such as Aqua Metals and Engitec are known for their hydrometallurgical and electrolytic processes with less environmental impact but high energy consumption and hazardous reagents usage. This thesis describes a new hydrometallurgical recycling process development for lead-acid battery paste (PbSO4, PbO, PbO2, and Pb) using organic acids such as citric and acetic at a moderate temperature, aiming at the production scaling for a 1-ton capacity pilot plant in Governador Valadares-MG. Initially, the goal was to scale up the process patented by the University of Cambridge by calcining lead citrate from the reaction between the lead paste and aqueous solution of citric acid, sodium hydroxide, and hydrogen peroxide in a single step. However, after ten laboratory recycling tests, the product did not meet the parameters of purity, maximum characteristic dimension, free lead content, acid absorption, total lead content, and morphology. Then, leaching the paste with acetic acid reduced impurities content in the product from 12 to 0.01%. The influence of lead citrate calcination atmosphere revealed an impressive result, metallic lead as the main product within an oxygen gas atmosphere at 350°C. Lead factories donated ten lead pastes samples and five leady oxides for this research; therefore, nineteen lead pastes recycling tests were performed, which resulted in 2.5 kg of lead citrate (intermediate) and 1.45 kg of leady oxide (Pb/PbO, product). Techniques such as x-ray diffraction, thermogravimetric analysis, and scanning electronic microscopy allowed verifying lead citrate synthesis and its morphology repeatability. The recycled Pb/PbO meets the purity, acid absorption, free and total lead content criteria, but grinding must fit the maximum characteristic dimension. The recycled leady oxide morphology differs from the battery assembly industry; the product is mainly yellow lead oxide (β-PbO, orthorhombic) instead of red lead oxide (α-PbO, tetragonal). The developed process can reduce solid waste generation by 95% and provide high purity metallic lead to the market (a commodity), including the regular battery assembling industries.
dc.description.resumoCerca de 9 milhões de toneladas de chumbo, mais de 80% do consumo mundial, são destinadas anualmente à fabricação de baterias chumbo-ácido. No Brasil, 98% das baterias são recicladas após o uso por indústrias pirometalúrgicas. Apesar do Plano Nacional de Resíduos Sólidos, a principal motivação para o reprocessamento de baterias é econômica. A pirometalurgia do chumbo é responsável pela emissão de mais de 84600 toneladas de CO2 e mais de 156 toneladas de resíduos tóxicos por ano no Brasil. Em países de primeiro mundo, o desenvolvimento de processos alternativos à pirometalurgia está além de trabalhos acadêmicos. Empresas como Aqua Metals e Engitec são conhecidas pelos processos hidrometalúrgicos e eletrolíticos de menor impacto ambiental, mas de alto consumo de energia e de reagentes perigosos. Esta tese descreve o desenvolvimento de um novo processo de reciclagem hidrometalúrgica de pasta de baterias chumbo-ácido (PbSO4, PbO, PbO2 e Pb) com uso de ácidos orgânicos como o cítrico e o acético, em temperatura moderada, visando o escalonamento de produção para planta piloto de 1 tonelada de capacidade em Governador Valadares-MG. Inicialmente, o objetivo era escalonar o processo patenteado pela Universidade de Cambridge, pela calcinação de citrato de chumbo a partir da reação da pasta com solução aquosa de ácido cítrico, hidróxido de sódio e água oxigenada em única etapa. Contudo, após 10 testes de reciclagem em laboratório, o produto não se adequou aos parâmetros de pureza, dimensão característica máxima, teor de chumbo livre, absorção de ácido, teor de chumbo total e morfologia. Então, o processo alterado pela inserção de uma etapa de lixiviação com ácido acético reduziu o teor de impurezas no produto, de 12 para 0,01%. A influência da atmosfera de calcinação do citrato de chumbo revelou um resultado impressionante, foi possível obter chumbo metálico como produto principal em atmosfera de gás oxigênio a 350°C. Foram coletadas 10 amostras de baterias destinadas a reciclagem e 5 de óxidos de chumbo de indústrias. Foram realizados 19 testes de reciclagem da pasta que resultaram em 2,5 kg de citrato de chumbo (intermediário) e 1,45 kg de óxido de chumbo (Pb/PbO, produto). Técnicas como difração de raios X (DRX), termogravimetria (TGA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) permitiram constatar a reprodutibilidade da síntese de citrato de chumbo e de sua morfologia. Os critérios de pureza, teor de chumbo livre, absorção de ácido e teor de chumbo total do Pb/PbO reciclado foram satisfatórios, mas moagem é necessária para ajuste à dimensão característica máxima. A morfologia é distinta daquela preferida pela indústria de montagem de baterias, o produto é composto majoritariamente de óxido de chumbo amarelo (β-PbO, ortorrômbico), em vez de óxido de chumbo vermelho (α-PbO, tetragonal). Ainda assim, o processo desenvolvido pode reduzir em 95% a geração de resíduos sólidos e fornecer chumbo metálico de alta pureza para o mercado, uma commodity, inclusive para as tradicionais indústrias montadoras de baterias.
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/16285
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Química
dc.publisher.departmentCentro de Ciências Exatas
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química
dc.rightsopen access
dc.subjectAcetato de Chumbo
dc.subjectÓxido de Chumbo
dc.subjectCitrato de Chumbo
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqQuímica
dc.titleDesenvolvimento de processo de reciclagem hidrometalúrgica de pasta de bateria chumbo-ácido
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis
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