Nova extração de terras raras com NaOH e micro-ondas a partir de resíduos de carvão

From toxic liability to strategic asset

Em antigos campos carboníferos e unidades industriais desativadas, continuam a acumular-se montes de resíduos cinzentos que parecem não interessar a ninguém - ao mesmo tempo que a procura por metais para tecnologia dispara.

Durante anos, essas pilhas foram vistas apenas como um problema de limpeza e vigilância, não como uma oportunidade. Mas uma técnica de extração mais recente sugere que podem esconder uma fonte vasta e ainda pouco explorada de elementos de terras raras - os metais que fazem funcionar smartphones, mantêm turbinas eólicas a girar e ajudam a pôr carros elétricos na estrada.

Os resíduos industriais do processamento de carvão foram, durante muito tempo, tratados como material “morto”. Entopem vales fluviais, marcam a paisagem e custam milhões a monitorizar. Só que, no meio desses depósitos, existem traços de elementos de terras raras (REEs) de que a economia tecnológica precisa desesperadamente.

Só no estado norte‑americano da Pensilvânia, investigadores estimam que depósitos de processamento de carvão possam conter até 137.000 toneladas de terras raras extraíveis. Não é uma quantidade irrelevante. Compete com a produção de algumas minas ativas - mas está presa numa matriz mineral teimosa que resiste à química convencional.

Os métodos tradicionais falham porque as terras raras estão “fechadas” dentro de minerais alumino‑silicatos complexos, em vez de surgirem como grãos separados e fáceis de lixiviar. Trituração e lixiviação ácida básica mal arranham a superfície. Resultado: durante décadas, a indústria considerou estes resíduos pouco úteis.

Novos testes em laboratório indicam que estas pilhas “sem valor” podem ser, afinal, um dos recursos de terras raras mais acessíveis em países industrializados.

A microwave-driven twist on rare earth extraction

Uma equipa da Northeastern University, nos EUA, propôs um caminho diferente. Em vez de tentar lixiviar as terras raras tal como os minerais se encontram, os investigadores alteram primeiro os minerais - e só depois “vão” aos metais.

O processo tem dois passos essenciais:

• Um tratamento alcalino com hidróxido de sódio (NaOH) concentrado
• Aquecimento rápido com energia de micro‑ondas, seguido de uma etapa de digestão ácida

Esta combinação pode soar a experiência agressiva de bancada, mas assenta em mineralogia sólida. Os resíduos de carvão contêm frequentemente caulinite, um mineral de argila comum. Sob condições alcalinas fortes e aquecimento por micro‑ondas, a caulinite transforma‑se noutra fase chamada hidrossodalite.

Why the mineral transformation matters

A hidrossodalite é mais porosa e mais reativa do que a argila original. Essa alteração de textura e estrutura é determinante: uma “rede” mais aberta permite que o ácido chegue muito mais facilmente aos locais onde estão as terras raras.

Em ensaios com amostras reais de resíduos industriais, os investigadores observaram a caulinite a dissolver‑se ou a reorganizar‑se nesta nova fase porosa. Difração de raios X e medições espectroscópicas confirmaram a mudança. Depois disso, uma digestão com ácido nítrico removeu elementos de terras raras a taxas muito superiores.

O protocolo otimizado quase triplicou o rendimento de extração de terras raras chave como o neodímio e o cério.

O melhor desempenho surgiu em condições bastante específicas: cerca de 5 molar de NaOH, aquecido até ~180°C com micro‑ondas, e depois submetido a lixiviação com ácido nítrico. Com esses parâmetros, limitou‑se a formação de minerais secundários indesejados que podem aprisionar metais, e as terras raras libertaram‑se com mais facilidade.

Critical metals, cleaner risks

A equipa acompanhou também outros metais libertados durante o tratamento. Em muitos resíduos derivados do carvão, o urânio aparece em concentrações baixas mas preocupantes. Neste método, uma grande parte desse urânio passa para solução durante a etapa alcalina, e não na fase ácida.

Essa ordem tem implicações de segurança. Solubilizar elementos radioativos em condições alcalinas controladas pode reduzir riscos radiológicos na etapa seguinte, mais ácida, onde a corrosão e a formação de aerossóis tendem a ser maiores.

Outra observação: as terras raras pareciam frequentemente associadas a elementos como magnésio, cálcio e ferro. Essa correlação forte sugere que ocupam estruturas minerais relacionadas. Assim, ao atacar fases alumino‑silicatos com o tratamento alcalino, o processo acaba por atingir mais do que um metal “preso” de uma só vez.

What the numbers say

Segundo o estudo liderado pelo investigador Ayodeji Ajayi, publicado na Environmental Science & Technology e divulgado pela ScienceAlert, os ganhos são claros:

Parameter	Conventional leaching	New alkaline + microwave process
Extraction efficiency	Baseline (1x)	Up to ~3x higher
Target elements	Mixed rare earths	Enhanced light REEs (Nd, Ce)
Uranium behaviour	Mostly freed in acid stage	Substantially solubilised in alkaline stage
Key control factor	Acid strength	Solid–liquid ratio and mineral phase change

Para decisores preocupados com cadeias de abastecimento, estes números trazem uma mensagem direta: montes de resíduos podem funcionar como “almofada” para economias ocidentais face a choques geopolíticos no mercado de terras raras.

From lab bench to coal country

Transformar uma rotina engenhosa de laboratório num processo industrial à escala real raramente é simples. Este método também traz desafios próprios, a começar pelos reagentes e pela energia necessários.

Fazer tratamentos alcalinos com NaOH concentrado a temperaturas elevadas não é barato. As micro‑ondas ajudam a aquecer com eficiência, mas reatores industriais desse tipo continuam a exigir potência considerável. Em regiões onde a eletricidade ainda é produzida a partir de combustíveis fósseis, existe o risco de transferir parte da poluição do local do resíduo para a central elétrica.

A gestão de resíduos é outro ponto crítico. Os ensaios mais eficazes tendem a usar rácios sólido‑líquido relativamente baixos ou ciclos repetidos de tratamento. Ambas as abordagens geram grandes volumes de efluente alcalino que precisam de ser neutralizados, reciclados ou mantidos sob controlo rigoroso.

A viabilidade desta tecnologia à escala dependerá de tornar esses “fluxos laterais” em fluidos de processo geríveis e, idealmente, reutilizáveis.

Além disso, cada bacia carbonífera é diferente. As composições minerais variam de vale para vale e, por vezes, até dentro da mesma pilha de rejeitados. Os operadores precisariam de “receitas” flexíveis, capazes de ajustar a concentração de NaOH, a temperatura e o tempo de reação ao material local.

A potential pillar of rare earth security

Mesmo com estas ressalvas, a ideia surge num momento politicamente sensível. As terras raras estão no centro da transição energética e de sistemas modernos de defesa. No entanto, a produção é dominada por poucos países, com a China numa posição particularmente forte.

Conseguir aproveitar stocks de resíduos já existentes dá aos países importadores uma alternativa. Não se abre um novo poço. Não se dinamita uma montanha intacta. Em vez disso, locais já marcados pela mineração de carvão ganham uma segunda vida, fechando um ciclo iniciado há décadas.

Planificadores estratégicos falam cada vez mais em “mineração urbana” e “recursos secundários” - extrair metais de produtos e resíduos, em vez de rocha virgem. Resíduos de carvão tratados com este tipo de transformação mineral podem encaixar bem nessa mudança.

What rare earths are, and why they matter

Apesar do nome, os elementos de terras raras não são especialmente raros na crosta terrestre. O problema é que raramente aparecem em concentrações elevadas. Extraí‑los implica muitas vezes mover enormes volumes de rocha e lidar com químicos agressivos.

Esta categoria inclui dezassete elementos, como neodímio, praseodímio, disprósio e térbio. Muitos são usados em ímanes permanentes muito potentes para motores elétricos, máquinas de ressonância magnética, turbinas eólicas e auscultadores. Outros funcionam como fósforos em ecrãs ou como catalisadores no refino de petróleo.

As terras raras leves, como o neodímio e o cério, são hoje extraídas em volumes muito superiores aos das terras raras pesadas, mas ambos os grupos são estrategicamente sensíveis. Qualquer processo que torne a recuperação mais barata ou mais limpa atrai rapidamente interesse de fabricantes automóveis, empresas de eletrónica e agências de defesa.

What scaling up could look like

Se o método alcalino‑micro‑ondas chegar a escala comercial, a paisagem futura de regiões carboníferas pode mudar. Imagine uma área como o cinturão de antracite da Pensilvânia: antigas unidades de lavagem, lagoas de rejeitados e pilhas de resíduos reabilitadas não por serem enterradas, mas por passarem por unidades modulares de processamento.

Essas unidades separariam material, aplicariam tratamentos controlados com NaOH sob aquecimento por micro‑ondas e, depois, lixiviariam as terras raras em circuitos ácidos. Sempre que possível, as soluções reagentes circulariam em ciclos fechados. Os sólidos remanescentes, já com grande parte dos metais removidos, poderiam então ser remodelados em taludes mais seguros ou usados como agregados de construção.

Os reguladores continuariam a ter de vigiar poeiras, radionuclídeos e contaminação de águas subterrâneas. Ainda assim, a pegada total pode ser menor do que abrir uma nova mina de terras raras numa zona remota sem infraestruturas existentes.

Key risks and opportunities for communities

As comunidades que vivem perto de locais de resíduos de carvão já ouviram muitas promessas ao longo dos anos. Qualquer novo projeto de terras raras será, com razão, alvo de escrutínio. Os residentes vão querer respostas claras sobre qualidade do ar, tráfego de camiões, ruído e monitorização a longo prazo.

Pelo lado positivo, o reprocessamento de resíduos pode trazer emprego qualificado a regiões que perderam postos de trabalho no carvão. Também pode libertar terreno hoje vedado como perigoso, quando os resíduos forem estabilizados e os metais capturados.

O equilíbrio depende de como os operadores tratam três pontos sensíveis:

• Gestão de águas de processo alcalinas e ácidas
• Controlo de elementos radioativos como urânio e tório
• Partilha transparente de dados de monitorização com as autoridades locais

Se forem mal geridos, esses fatores podem cristalizar a resistência pública. Se forem bem tratados, podem transformar cicatrizes antigas em novas fontes de receita, ao mesmo tempo que reduzem a dependência de metais estratégicos importados.

Looking beyond coal waste

O mecanismo no centro deste avanço não se limita a resíduos de carvão. Muitos subprodutos industriais - desde rejeitados de bauxite (lama vermelha) a certos tipos de fosfogesso - também contêm terras raras ou outros metais críticos presos em fases minerais resistentes.

Se os investigadores conseguirem ajustar transformações minerais semelhantes nesses materiais, poderá surgir uma nova geração de “refinarias de resíduos”. Em vez de tratar escórias, cinzas e rejeitados como fim de linha, a indústria passaria a vê‑los como stocks intermédios, prontos para uma segunda passagem quando a tecnologia e os preços o justificarem.

Essa mudança não apaga os danos ambientais da era dos combustíveis fósseis. Mas pode, pelo menos, garantir que o legado de campos carboníferos e refinarias inclua algo mais do que poços abandonados e lagoas com fugas: um reservatório de metais estratégicos que esteve à vista, mas passou despercebido.