Extraction of rare earth elements from end-of-life LED lamps using acid leaching

dc.contributor.advisor1Siman, Renato Ribeiro
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000000329397403
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5990166591886283
dc.contributor.authorPimassoni, Yasmim Sagrillo
dc.contributor.referee1Yamane, Luciana Harue
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000000240815402
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2770673036643419
dc.contributor.referee2Coelho, Edumar Ramos Cabral
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000000292205737
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2276795519317927
dc.contributor.referee3Oliveira, Rafael Piumatti de
dc.date.accessioned2024-05-29T20:55:15Z
dc.date.available2024-05-29T20:55:15Z
dc.date.issued2023-12-13
dc.description.abstractThe supply of rare earth elements (REE) is a growing concern due to their importance in various industries and the uncertainty in the supply of these metals. Waste electrical and electronic equipment (WEEE) represents a potentially valuable secondary source for REE recovery. However, the lack of consolidated routes and the limitation of studies to some of the 17 REE have been clear challenges. A systematic review was carried out describing the conditions and procedures applied to fluorescent lamps, cathode ray tube phosphors, neodymium magnets, nickel-metal hydride batteries, circuit boards printed, LED waste, and other secondary sources to identify gaps in the scope of ETR recovery from WEEE. Hydrometallurgical processes utilizing sulfuric acid as the primary leaching agent found extensive use. Nonetheless, there are notable gaps, such as the lack of studies on the sequential recovery of metal such as coper, iron, silver, gold, and REE metals. Additionally, there is an absence of research addressing a mixture of different wastes. LED lamps are a potential secondary source of rare earth elements, but they remain relatively little studied in the literature since there are not large numbers of studies that investigate the recovery of REE, such as cerium and yttrium, from this type of residue. Thus, to develop the first stage of the hydrometallurgical process, three leaching agents were assessed for extracting rare earth elements from printed circuit boards (PCB) and electronic components of end of-life LED lamps: nitric acid, sulfuric acid, and a combination of sulfuric acid and peroxide. The influences of temperature, acid concentration, and solid-liquid ratio were evaluated using a Box-Behnken experimental design, analyzing three levels in each factor. Process optimization revealed that the higher results were using the combination of sulfuric acid and hydrogen peroxide, with the ideal parameters of concentration of 2.5 mol.L-1, temperature of 55°C, and a solid-liquid ratio of 100 g.L-1. Although none of the variables demonstrated a statistically significant influence within the range investigated when using sulfuric acid and hydrogen peroxide, in the most favorable scenario, both temperature and solid-liquid ratio had a notable impact on the extraction process. As a direction for future research, we suggest exploring new parameter ranges based on the most favorable conditions identified in this study and also complement the evaluation with purification/recovery routes. Additionally, it may be beneficial to consider implementing a multi-stage procedure, possibly incorporating a mechanical separation step or an additional leaching phase. This approach could increase the concentration of rare earth elements in the solid material while allowing for the effective removal of base metals, making the process more efficient and economically viable.
dc.description.resumoA recuperação de elementos de terras raras (ETR) é uma preocupação crescente devido à sua importância em várias indústrias e a incerteza na oferta desses metais. Os resíduos de equipamentos elétricos e eletrônicos (REEE) representam uma fonte secundária potencialmente valiosa para a recuperação de ETR, porém, a falta de rotas consolidadas e a limitação dos estudos a alguns dos 17 ETR têm sido desafios evidentes. Afim de identificar lacunas no âmbito da recuperação de ETR a partir de REEE, uma revisão sistemática foi realizada descrevendo as condições e procedimentos aplicados a lâmpadas fluorescentes, fósforos de tubos de raios catódicos, ímãs de neodímio, baterias de níquel-metal hidreto, placas de circuito impresso, resíduos de LED e outras fontes secundárias. Os processos hidrometalúrgicos, com ácido sulfúrico como agente de lixiviação principal, foram amplamente utilizados. No entanto, há lacunas notáveis, como a falta de estudos sobre a recuperação sequencial de metais como cobre, ferro, prata, ouro e ETR, bem como a ausência de pesquisas abordando a recuperação de uma mistura de diferentes resíduos. Ainda, o uso de lâmpadas de LED como potencial fonte secundária de elementos de terras raras permanece relativamente pouco estudado na literatura, uma vez que não existem grandes quantidades de estudos que investiguem a recuperação de ETR, como cério e ítrio, a partir desse tipo de resíduo. A fim de explorar o processo hidrometalúrgico avaliou-se três agentes lixiviantes (ácido nítrico, ácido sulfúrico e a combinação de ácido sulfúrico e peróxido) para extração de elementos terras raras a partir de placas de circuito impresso (PCI) e componentes eletrônicos de lâmpadas LED inservíveis. Foram avaliadas as influências da temperatura, concentração de ácidos e relação sólido-líquido utilizando um delineamento experimental Box-Behnken, analisando três níveis em cada fator. A otimização do processo revelou que a melhor combinação de agentes lixiviantes consiste em ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio, com os parâmetros ideais de concentração de 2.5 mol.L-1, temperatura de 55°C e uma relação sólido-líquido de 100 g.L-1. Embora nenhuma das variáveis tenha demonstrado uma influência estatisticamente significativa dentro da faixa investigada, ao se utilizar ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio, no cenário mais favorável, tanto a temperatura quanto a relação sólido-líquido tiveram um impacto notável no processo de extração. Como direção para pesquisas futuras, sugerimos a exploração de novos intervalos de parâmetros com base nas condições mais favoráveis identificadas neste estudo e ainda complementar a avaliação com rotas de purificação/recuperação. Além disso, pode ser benéfico considerar a implementação de um procedimento em estágios múltiplos, possivelmente incorporando uma etapa de separação mecânica ou uma fase adicional de lixiviação. Essa abordagem poderia resultar no aumento da concentração de elementos de terras raras no material sólido, ao mesmo tempo em que permitiria a remoção de outros metais, tais como ferro, cobre e chumbo, tornando o processo mais atrativo.
dc.description.sponsorshipFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/12416
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Ambiental
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
dc.rightsopen access
dc.subjectElementos terras raras
dc.subjectLixiviação
dc.subjectÍtrio
dc.subject.cnpqEngenharia Sanitária
dc.titleExtraction of rare earth elements from end-of-life LED lamps using acid leaching
dc.typemasterThesis

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