Reciclagem de baterias de chumbo ácido
Um paradigma para a reciclagem de baterias numa economia circular
A reciclagem de baterias, particularmente as baterias de chumbo ácido, é um modelo para a indústria de armazenamento de energia. Estamos todos conscientes do conceito e do benefício de uma economia circular. A parte mais crítica disso é ter não só processos de reciclagem de bens usados, mas também uma infra-estrutura estabelecida e segura para a recolha e transporte dos materiais sucateados. Com a crescente utilização de baterias para muitas aplicações comerciais e industriais, nomeadamente veículos eléctricos e Sistemas de Armazenamento de Energia, há uma preocupação crescente sobre a aquisição de matérias-primas para baterias e a reciclabilidade dessas baterias. É bastante óbvio que a sua reciclabilidade e a disponibilidade de matérias-primas para o seu fabrico estão indissociavelmente ligadas.
As baterias de chumbo ácido são o produto mais reciclado do planeta!
Existem várias tecnologias de armazenamento eletroquímico que atualmente representam a maioria dos fabricantes e usuários de baterias no mundo de hoje.
Figura 1. A proporção de diferentes produtos químicos de bateria vendidos em todo o mundo em função do MWh
Fig. 1 mostra a divisão aproximada por vendas globais de MWh dos diferentes tipos de baterias produzidas anualmente. Claramente o ácido de chumbo e a bateria de iões de lítio são duas tecnologias que dominam os mercados actuais de baterias. Igualmente clara é a taxa de crescimento muito rápido das baterias de iões de lítio, e há preocupações sobre esta taxa de crescimento. Uma delas é a falta de um processo de reciclagem comercial das baterias de lítio, que pode resultar em problemas de eliminação no fim da vida útil.
A outra é que pode haver materiais insuficientes para fabricar baterias para a crescente demanda. Os dois estão inextricavelmente ligados e, neste blog, vamos analisar como a química do chumbo ácido pode ser um modelo para a reciclagem de baterias de todos os tipos de sistemas de armazenamento electroquímico.
Uma das virtudes que distinguem a química do chumbo ácido, é a sua idade. Por isso desenvolvemos métodos de reciclagem e reutilização de todos os materiais de construção, na medida em que podemos reclamar uma taxa de recuperação de quase 100% da bateria completa.
Como funciona a reciclagem de baterias?
Esta impressionante estatística não é apenas uma função dos métodos mecânicos e químicos utilizados para a quebra, classificação e refinação dos materiais, mas também de ter uma rede de recolha e distribuição. O processo de fundição e refinação do chumbo é conhecido dos humanos há vários milhares de anos. No entanto, os próprios atributos do chumbo, que favorecem a reciclagem da bateria, ou seja, baixo ponto de fusão e falta de reactividade, são aqueles atributos que reduzem a sua actividade electroquímica e, portanto, a sua densidade energética. Esta reciclabilidade é um factor importante na aceitação do chumbo como material de construção para baterias; isto apesar da sua toxicidade conhecida. É a toxicidade que é actualmente motivo de preocupação, tanto para os fabricantes de baterias como para os recicladores de baterias.
Por este motivo, estão a ser desenvolvidos métodos alternativos às técnicas pirometalúrgicas poluentes tradicionais. Estes métodos dependem da dissolução do material activo da bateria em solventes, extraindo depois o chumbo em diversas formas químicas. Discutiremos os prós e contras de ambas as abordagens no próximo blog e daremos uma opinião sobre os seus méritos relativos. Mas, neste caso, estamos concentrados na tecnologia de chumbo-ácido e na infra-estrutura e métodos de reciclagem actualmente em uso. Neste ponto, seria útil cobrir brevemente os princípios gerais da reciclagem, a fim de apreciar os obstáculos que devem ser ultrapassados para reciclar de forma eficaz e comercial todos os tipos de baterias.
Uma definição geral de reciclagem seria:
- “A acção ou processo de conversão de resíduos em materiais utilizáveis.”
- Esta definição pode ser ainda mais refinada e dividida em duas correntes: a reciclagem em ciclo aberto e a reciclagem em ciclo fechado.
Reciclagem em circuito aberto e reciclagem em circuito fechado
Fig. 2 dá os princípios gerais dos dois tipos. O ciclo fechado significa que os materiais recuperados são reutilizados na sua finalidade original, tais como garrafas de vidro recicladas em mais garrafas de vidro. A reciclagem em circuito aberto é o reaproveitamento dos materiais recuperados numa utilização diferente, e provavelmente única, antes de finalmente acabarem como resíduos inutilizáveis. Um exemplo disso seria a incineração de resíduos domésticos para fornecer aquecimento local a um centro comercial. Os subprodutos, em grande parte gases como o NOx, SOx e CO2, seriam considerados poluentes. Qualquer subproduto sólido seria também um resíduo inutilizável, acabando num aterro sanitário.
A reciclagem de baterias é rentável?
Embora as definições de reciclagem dadas acima sejam boas para fins de discussão, precisaríamos acrescentar uma palavra: “economicamente” entre conversão e desperdício, a fim de ter um processo financeiramente viável. Isto é importante. Sem este factor chave, nenhum negócio assumiria os processos laboriosos e dispendiosos necessários para recolher e transportar os resíduos, bem como os custos e despesas de extracção e recuperação dos materiais necessários. Como princípio geral, há poucas dúvidas de que é tecnicamente possível recuperar e reciclar quase tudo de todos os componentes fabricados na Terra. A tecnologia e o know-how existem. O problema é, quanto é que custa?
Com estes princípios em mente, podemos olhar especificamente para a reciclagem de baterias. Fig. 3, é um diagrama esquemático, ilustrando a prática circular e oficial de reciclagem de baterias de chumbo-ácido.
O que acontece quando se recicla as pilhas?
A partir daí, é evidente que existe uma rota bem estabelecida e informada desde o fabrico até à eliminação e recuperação das baterias. Existem pontos de recolha onde o retalhista original ou pontos de reciclagem de baterias privados e públicos utilizaram baterias devolvidas pelo consumidor para o fim específico de reciclagem de baterias em baterias novas. Uma coisa a notar é que o transporte de baterias usadas requer uma contenção adequada devido à sua natureza perigosa. Estes procedimentos e práticas de trabalho referem-se às organizações oficiais de reciclagem de baterias que consistem em empresas de recolha e entrega, organizações retalhistas, fundições de chumbo e refinarias (muitas vezes chamadas de recicladores), que são mantidas juntas pela cola da legislação e regulamentação para a recolha, armazenamento e transporte de materiais perigosos.
Como funciona a reciclagem de baterias?
No entanto, como é amplamente reconhecido, existe também o sector informal que faz a reciclagem de baterias fora das dispendiosas restrições legais das rotas oficiais.
Embora esta situação seja conhecida em países como África, Índia e América do Sul, acredita-se que nações mais desenvolvidas industrialmente, tipificadas pela Europa, não recorreriam a elementos informais dentro deste processo de ciclo fechado. Se assim for, devemos ter quase 100% de eficiência na reciclagem de baterias dentro dos países europeus.
Por que é importante reciclar baterias?
Infelizmente, este não é o caso, e Fig. 4 mostra o status da reciclagem de baterias para a maioria da Europa. Aqui podemos ver que apenas 8 dos 30 países alcançaram uma eficiência de reciclagem de baterias superior a 90% em 2018, com apenas 4 países alcançando ou perto de alcançar uma taxa de 100% de recuperação e reciclagem de baterias. No entanto, há muitos fatores por trás dessas estatísticas, incluindo os critérios de relatório e a meta móvel de corresponder aos níveis atuais de vendas anuais, com a vida útil da bateria e a quantidade de sucata disponível nas vendas dos anos anteriores. O movimento e a distribuição de pilhas usadas na Europa pode por vezes, apesar da legislação, ainda ocorrer através de meios informais e lamentamos dizer ilegais.
Porque reciclamos pilhas?
Isto é particularmente verdade quando a procura é elevada e a oferta é curta.
Isto traz à tona o ponto seguinte, que é a confusão sobre as estatísticas frequentemente citadas, que as baterias de chumbo-ácido são quase 100% recicladas. Isto é verdade quando estamos a falar da quantidade de recuperação de materiais das baterias do processo, não da quantidade total de baterias recicladas. Isto significa que quase todo o plástico, chumbo e ácido da bateria acaba como matéria-prima para mais baterias. Em alguns casos, pode incluir matéria-prima para outros materiais, como o ácido sulfúrico utilizado na fabricação de fertilizantes.
Em qualquer caso, não é tecnicamente possível recuperar 100% de nada, pois algumas perdas inevitavelmente ocorrerão, embora pequenas perdas de menos de 1%. O desvio do ácido sulfúrico para outros usos, como mencionado, também significa que os procedimentos de recuperação não cumprem completamente o modelo circular que é retratado com prazer nos sites de organizações de chumbo e empresas de reciclagem de baterias. Precisamos também acrescentar a isso as inevitáveis emissões tóxicas e resíduos (escória) que podem ser gerados por métodos pirometalúrgicos de reciclagem de baterias de chumbo-ácido.
Para compreender as taxas de reciclagem das baterias, quaisquer perdas nos processos e qualquer resíduo gerado, precisamos examinar tanto os materiais de uma bateria de chumbo-ácido como também o princípio da química e engenharia dos processos de recuperação. Fig. 5 é um diagrama esquemático do processo de recuperação utilizado na reciclagem de baterias de chumbo-ácido.
O que é uma fábrica de reciclagem de baterias?
Processo de reciclagem da bateria
Neste caso, são os métodos pirometalúrgicos atuais, que até agora são os únicos processos comercialmente disponíveis. O diagrama mostra 4 etapas básicas após a recolha e entrega no local de reciclagem da bateria. Estes são:
- Quebra e segregação da bateria. A sucata da bateria é colocada num moinho de martelos para ser quebrada, depois separada em pasta básica com chumbo, grânulos de grade metálica, pedaços de plástico e componentes ácidos, Fig. 6.
- Dessulfurização. A pasta ou material ativo leady é tratada com carbonato de sódio para remover o enxofre.
- Forno de fundição (de sopro ou reverberação). A pasta dessulfatada é então fundida em um alto-forno ou forno reverberatório para reduzir os compostos de leady a um caldo de chumbo macio ou duro, dependendo da composição da sucata e do produto final pretendido, Fig. 7.
Reciclagem de resíduos de bateria
- A refinar o lingote de chumbo. O método mais comum é a calcinação para produzir chumbo macio (puro) ou chumbo duro (liga).
Este diagrama levanta alguns pontos interessantes. Além dos componentes reciclados como produtos, há também o problema das emissões em várias fases do processo.
São geralmente emissões atmosféricas e efluentes de gases (COx, SOx, NOx), poeiras contendo chumbo e água efluente contendo contaminantes como enxofre e chumbo. Estas emissões são regidas por normas nacionais e locais em todos os países onde se pratica a reciclagem de chumbo. Os níveis modernos são muito pequenos e a contaminação do ar, terra e água são geralmente um problema do passado no sector formal regulado. No entanto, isto não é verdade no sector informal que, segundo a OMS, tem sido, e ainda é, responsável por uma contaminação significativa da terra e pela elevação dos níveis de chumbo no sangue em algumas cidades e aldeias.
Outro desenvolvimento no processo pirometalúrgico é a recuperação de contaminantes metálicos das escórias residuais que podem tornar esta fração de resíduos adequada para projetos de terra ou de enchimento de estradas.
Dois exemplos destes processos de dissolução são as tecnologias patenteadas de Aurelius e Citrecycle. Ambas as empresas têm um processo que utiliza o ácido cítrico como solvente para dissolver a pasta de leady antes de recuperar uma variedade de compostos de chumbo para tratamento posterior.
O fluxograma Fig8 que compara estes dois processos. Pelo diagrama, pode-se ver que a bateria ainda está quebrada e segregada como no método convencional, mas falta o processo de fundição e dessulfurização. Existe um produto comercializável, o citrato de chumbo seco, que pode ser vendido ao sector formal para posterior processamento em condições controladas e regulamentadas. Foi proposto que este tipo de processo poderia ser adoptado de forma modular, sob controlo das autoridades locais, pelo actual sector da reciclagem informal. Teria o duplo benefício de não só prevenir a contaminação pelo chumbo e o envenenamento do sangue, mas também atrair os recicladores informais para o controle do setor de reciclagem formal.
As baterias de chumbo ácido são o produto mais reciclado do planeta! - Fig.9
O setor de reciclagem de baterias de chumbo-ácido é de fato um modelo para uma economia circular e poderia ser tomado como um plano de primeira etapa do qual poderiam ser derivadas várias iterações que são adequadas para diferentes químicas de baterias. No entanto, existem desafios centrados na toxicidade do chumbo e no controlo das emissões e dos resíduos dos actuais métodos de reciclagem de baterias pirometalúrgicas. A gestão do sector informal, que não cumpre os requisitos legais estabelecidos pelos governos nacionais e locais na recolha, armazenamento e processamento de baterias de sucata, precisa de ser melhorada. No entanto, novos processos mais baratos e ambientalmente mais amigáveis, concebidos para abordar as questões de poluição e segurança, estão quase disponíveis comercialmente.
Com estes métodos, que são mais seguros e menos poluentes, a meta de produzir quatro noves de chumbo macio a partir de sucata de bateria será alcançável. A economia e a política global afetam o fornecimento de material e chumbo utilizados na fabricação de baterias. A reciclagem completa de todas as baterias geradas internamente, utilizando métodos que produzem menos CO2, removem a escória e minimizam a poluição, é o caminho a seguir. Embora a situação actual da reciclagem de baterias de chumbo ácido possa ser o exemplo actual, a indústria ainda se esforça por melhorar para tornar todos os seus processos mais limpos, seguros e amigos do ambiente.
As novas tecnologias que esperam alcançar este objectivo podem ser um passo em frente significativo, e a Microtex, como sempre, estará na vanguarda da informação precisa dos seus clientes e parceiros sobre os últimos desenvolvimentos tecnológicos de baterias que nos afectam directamente a todos.
