BR102018007264A2 - rare earth element extraction by electric field assisted mining using electrokinetic reactor - Google Patents
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Abstract
extração de elementos terras raras de solos por mineração assistida por campo elétrico utilizando reator eletrocinético. a presente patente de modelo de utilidade se refere ao processo de extração de elementos terras raras de solos via mineração assistida por campo elétrico. a qual tem por objetivo contribuir para o suprimento à demanda consumidora de terras raras. o consumo dessa matéria-prima é crescente, uma vez que a produção de alguns elementos terras raras não são suficientes para atender a demanda, estando, assim, em uma condição crítica em relação ao suprimento. sendo assim, de forma alternativa e complementar ao processo convencional de mineração, a mineração assistida por campo elétrico atua como um processo ambientalmente menos impactante. para isso, a técnica tem como vantagem a possibilidade ser empregada in situ e/ou ex situ, a qual não interfere de forma significativa a logística local, além de poder ser empregada em solos de baixa permeabilidade. possui baixo custo energético, totalizando ao longo das 240 h de processo em escala de bancada 0,002 us$ kg-1 de solo. também apresenta baixo consumo de água e faz uso de reagentes orgânicos biodegradáveis. assim, a técnica é ambientalmente menos impactante, sem geração de resíduos adicionais, respeitando o ecossistema da região. tornando-se um método ambiental, técnica, economicamente viável para extração de elementos terras raras.extraction of rare earth elements from soils by electric field assisted mining using electrokinetic reactor. The present utility model patent relates to the process of extracting rare earth elements from soils via electric field assisted mining. which aims to contribute to the supply to the consuming demand of rare earths. Consumption of this raw material is increasing, since the production of some rare earth elements is not sufficient to meet the demand, thus being in a critical condition in relation to supply. therefore, as an alternative and complementary to the conventional mining process, electric field assisted mining acts as an environmentally less impactful process. Therefore, the technique has the advantage that it can be used in situ and / or ex situ, which does not significantly interfere with local logistics, and can be used in low permeability soils. It has low energy cost, totaling over 240 h of process on bench scale 0.002 us $ kg-1 of soil. It also has low water consumption and makes use of biodegradable organic reagents. thus, the technique is environmentally less impactful, without additional waste generation, respecting the region's ecosystem. becoming an environmental, technical, economically viable method for extraction of rare earth elements.
Description
EXTRAÇÃO DE ELEMENTOS TERRAS RARAS DE SOLOS POR MINERAÇÃO ASSISTIDA POR CAMPO ELÉTRICO UTILIZANDO REATOR ELETROCINÉTICOEXTRACTION OF RARE LAND ELEMENTS FROM SOILS BY MINING ASSISTED BY ELECTRIC FIELD USING ELECTROKINETIC REACTOR
Campo da Invenção [001]. A presente invenção tem por finalidade a extração de elementos terras raras provenientes de solos, utilizando como método de extração a mineração assistida por campo elétrico. Os elementos terras raras se destacam devido à variedade de elementos que compõem esse grupo, totalizando 17 elementos, os quais apresentam diversas áreas de aplicações. Os elementos terras raras apresentam elevada concentração na crosta terrestre, chegando a concentrações médias de 60 mg kg-1 de solo. Porém, alguns desses elementos são considerados materiais estratégicos críticos. Isso ocorre devido ao grande risco de suprimento à demanda consumidora e às suas inúmeras aplicações, uma vez que a produção desses elementos, no presente momento, está insuficiente.Invention Field [001]. The purpose of the present invention is to extract rare earth elements from soils, using electric field assisted mining as the extraction method. The rare earth elements stand out due to the variety of elements that make up this group, totaling 17 elements, which present several areas of applications. The rare earth elements have a high concentration in the earth's crust, reaching average concentrations of 60 mg kg -1 of soil. However, some of these elements are considered to be critical strategic materials. This is due to the great risk of supplying consumer demand and its numerous applications, since the production of these elements is currently insufficient.
Fundamentos da Invenção e Estado da Técnica [002]. A mineração assistida por campo elétrico, ou eletromineração, consiste na inserção de eletrodos diretamente à massa de solo. Esses que são ligados a uma fonte responsável por oferecer uma diferença de potencial entre esses eletrodos de modo que seja capaz de mobilizar íons presentes no solo. As vantagens da técnica estão na possibilidade de ser empregada in situ e/ou ex situ, e em solos de baixa permeabilidade. Apresenta baixo consumo energético, pequena geração de resíduos, uso de reagentes biodegradáveis, aliado ao reduzido consumo de água, além de não necessitar da remoção de camadas superficiais de solo. Com isso, apresenta baixo impacto ambiental, sendo um processo viável técnica, econômica e ambientalmente, e também por contribuir para a biota, ecossistema e a logística local.Fundamentals of Invention and State of the Art [002]. Electric field assisted mining, or electro-mining, consists of inserting electrodes directly into the soil mass. Those that are connected to a source responsible for offering a potential difference between these electrodes so that it is able to mobilize ions present in the soil. The advantages of the technique are that it can be used in situ and / or ex situ, and in soils with low permeability. It presents low energy consumption, small generation of waste, use of biodegradable reagents, combined with reduced water consumption, in addition to not requiring the removal of superficial layers of soil. As a result, it has a low environmental impact, being a technically, economically and environmentally viable process, and also for contributing to the biota, ecosystem and local logistics.
Petição 870180074247, de 23/08/2018, pág. 5/12Petition 870180074247, of 23/08/2018, p. 5/12
2/7 [003]. Após pesquisa na literatura, foram encontrados artigos e patentes que envolvem processos eletrocinéticos como fenômeno de transporte de cargas elétricas. Porém, em nenhum caso foi proposto a aplicação de campo elétrico com baixa densidade de corrente com a finalidade de reduzir o custo energético. Também não foram encontrados artigos ou patentes que apresentem a extração de terras raras de solos por meio de fenômenos eletrocinéticos colidentes com a invenção proposta. Destacam-se, entre os artigos encontrados, os trabalhos de Acar et al. (1995) e Puppala et al. (1997), os quais publicaram na revista Journal Hazardous Materiais sobre a extração de metais pesados utilizando a técnica de remediação eletrocinética. Este método utiliza fenômenos eletrocinéticos para mobilização de cargas elétricas contidas no solo. Porém, a desvantagem da técnica está no método de remoção dos metais pesados, o qual ocorreu devido à formação de precipitados inorgânicos ou por meio da eletrodeposição metálica nos eletrodos.2/7 [003]. After researching the literature, articles and patents were found that involve electrokinetic processes as a phenomenon for the transport of electric charges. However, in no case was it proposed to apply an electric field with low current density in order to reduce the energy cost. Also, no articles or patents were found that present the extraction of rare earths from soils through electrokinetic phenomena colliding with the proposed invention. Among the articles found, the works of Acar et al. (1995) and Puppala et al. (1997), who published in the journal Journal Hazardous Materials about the extraction of heavy metals using the technique of electrokinetic remediation. This method uses electrokinetic phenomena to mobilize electrical charges contained in the soil. However, the disadvantage of the technique is in the method of removing heavy metals, which occurred due to the formation of inorganic precipitates or through the metallic electrodeposition on the electrodes.
[004]. Assim, após pesquisa no banco de dados de patentes nacionais e internacionais não foram encontradas formas de extração de terras raras por meio da mineração assistida por campo elétrico. Até o presente momento, a forma de extração dos elementos terras raras se dá por meio do processo hidrometalúrgico e por adsorção por argilas. São processos já consolidados, os quais resultam em um produto final normalmente na forma de óxido de terras raras. Em ambos os casos o impacto ambiental é elevado, visto que o processo de extração utiliza lixiviações com ácidos fortes associado ao processo de prébeneficiamento da matéria-prima por meio do processo de mineração. Este que devido às etapas de escavação e de desmonte agridem severamente o meio ambiente. Além de ser um processo de baixa[004]. Thus, after searching the database of national and international patents, no forms of rare earth extraction were found through electric field assisted mining. Up to the present moment, the extraction of rare earth elements occurs through the hydrometallurgical process and by adsorption by clays. These are already consolidated processes, which result in a final product usually in the form of rare earth oxide. In both cases, the environmental impact is high, since the extraction process uses leaching with strong acids associated with the process of pre-processing the raw material through the mining process. This, due to the excavation and dismantling steps, severely damage the environment. In addition to being a low
Petição 870180074247, de 23/08/2018, pág. 6/12Petition 870180074247, of 23/08/2018, p. 6/12
3/7 eficiência mediante as grandes perdas por atrito no processo de cominuição dos minérios.3/7 efficiency due to the large attrition losses in the ore comminution process.
Descrição da abordagem do problema técnico [005]. O processo de extrativismo mineral convencional se dá por meio da mineração seguido do processo hidrometalúrgico para a separação e purificação dos elementos. A mineração convencional engloba um conjunto de operações unitárias na etapa de prétratamento, das quais se destacam: a perfuração, desmonte, escavação, britagem, carregamento e transporte. Porém é um processo que possui baixa eficiência devido às grandes perdas por atrito, além do impacto ambiental e energético. O tipo de lavra empregado pode ser a céu aberto ou subterrâneo, este que apresenta impacto ambiental e energético ainda mais pronunciado. Após a etapa de pré-beneficiamento, a matéria-prima é conduzida para o processo hidrometalúrgico. Este que apresenta etapas de lixiviações fortes seguido de extrações líquido-líquido, responsáveis por grande geração de efluentes.Description of the approach to the technical problem [005]. The conventional mineral extraction process takes place through mining followed by the hydrometallurgical process for the separation and purification of the elements. Conventional mining encompasses a set of unit operations in the pretreatment stage, of which the following stand out: drilling, dismantling, excavation, crushing, loading and transport. However, it is a process that has low efficiency due to high friction losses, in addition to the environmental and energy impact. The type of mining used can be open or underground, which has an even more pronounced environmental and energy impact. After the pre-processing step, the raw material is taken to the hydrometallurgical process. This has stages of strong leaching followed by liquid-liquid extractions, responsible for a large generation of effluents.
Processo para extração de elementos terras raras de solos por mineração assistida por campo elétrico - Descrição detalhada [006]. O objeto da presente invenção é a obtenção de elementos terras raras de solos, por meio de um processo in situ e/ou ex situ, de forma eficiente, com baixo custo energético e pequena geração de efluentes. Fazendo uso de reagentes biodegradáveis e baixo consumo de água. A seguir está descrito o histórico da pesquisa e desenvolvimento do processo da presente invenção:Process for extracting rare earth elements from soils by electric field assisted mining - Detailed description [006]. The object of the present invention is to obtain rare earth elements from soils, through an in situ and / or ex situ process, efficiently, with low energy cost and small generation of effluents. Making use of biodegradable reagents and low water consumption. The following describes the research and development history of the process of the present invention:
[007]. Os desenvolvedores basearam-se no trabalho de[007]. The developers relied on the work of
Acar et al. (1995), os quais utilizaram reatores eletrocinéticos paraAcar et al. (1995), who used electrokinetic reactors to
Petição 870180074247, de 23/08/2018, pág. 7/12Petition 870180074247, of 23/08/2018, p. 7/12
4/7 remediação de solos contaminados com metais pesados, com a finalidade efetuar o transporte das cargas elétricas para precipitação de chumbo e para a deposição de cádmio metálico nos eletrodos.4/7 remediation of soils contaminated with heavy metals, with the purpose of carrying out the transport of electrical charges for lead precipitation and for the deposition of metallic cadmium on the electrodes.
[008]. O processo de eletromineração se dá por meio de fenômenos eletrocinéticos, dos quais a migração de cargas elétricas é o fator preponderante para a transferência de espécies iônicas. O princípio da técnica se baseia na aplicação de uma diferença de potencial entre os eletrodos, com controle dos sobrepotenciais de reação, a partir da qual é gerado um campo elétrico responsável por mobilizar as espécies carregadas eletricamente (migração). Com o controle do sobrepotencial das reações nos eletrodos, o consumo energético é pequeno, devido à baixa densidade de corrente de reações paralelas.[008]. The electromineration process takes place through electrokinetic phenomena, of which the migration of electric charges is the preponderant factor for the transfer of ionic species. The principle of the technique is based on the application of a potential difference between the electrodes, with control of the reaction overpotentials, from which an electric field is generated, responsible for mobilizing the electrically charged species (migration). With the control of the overpotential of the reactions in the electrodes, the energy consumption is small, due to the low current density of parallel reactions.
[009]. O processo de mineração assistida por campo elétrico se inicia pela caracterização do tipo de solo a ser minerado seguido da determinação das condições operacionais de campo elétrico a ser aplicado. Para isso, primeiramente é realizada uma etapa experimental em um reator eletrocinético previamente projetado (Figura 1), no qual será inserida uma amostra de solo a ser minerado.[009]. The electric field assisted mining process begins by characterizing the type of soil to be mined followed by determining the operating conditions of the electric field to be applied. For this, an experimental step is first performed in a previously designed electrokinetic reactor (Figure 1), in which a sample of soil to be mined will be inserted.
[010]. Nesta etapa laboratorial, que antecede o processo de mineração in situ e/ou ex situ, determina-se a diferença de potencial máxima a ser aplicada, o eletrólito e a sua concentração. Nesta etapa também é selecionado o material para os eletrodos para que obtenha os maiores sobrepotenciais de reação. Com isso, quer-se evitar a ocorrência de reações paralelas significativas nos eletrodos. Ainda nesta etapa, com a finalidade de favorecer a estabilidade do pH na região catódica, verifica-se a necessidade do uso de membranas semipermeáveis. Assim, após a determinação dos parâmetros do processo para a mineração por campo elétrico em escala de bancada, torna-se[010]. In this laboratory stage, which precedes the in situ and / or ex situ mining process, the maximum potential difference to be applied, the electrolyte and its concentration are determined. In this step, the material for the electrodes is also selected to obtain the greatest reaction potentials. With this, we want to avoid the occurrence of significant parallel reactions in the electrodes. Still in this step, in order to favor the stability of pH in the cathodic region, there is a need for the use of semipermeable membranes. Thus, after determining the process parameters for electric field mining on a bench scale, it becomes
Petição 870180074247, de 23/08/2018, pág. 8/12Petition 870180074247, of 23/08/2018, p. 12/12
5/7 possível estimar o consumo energético prévio do sistema de mineração em campo. A Figura 2a apresenta o modelo de eletrodo desenvolvido a ser utilizado como ânodo, este que estará imerso em uma solução eletrolítica, que será recoberta por um material polimérico poroso hidrofóbico. Há distribuidores de fluxo ao longo do eletrodo, que também auxiliam na sustentação do mesmo (Figura 2b).5/7 possible to estimate the previous energy consumption of the field mining system. Figure 2a shows the electrode model developed to be used as an anode, which will be immersed in an electrolytic solution, which will be covered by a porous hydrophobic polymeric material. There are flow distributors along the electrode, which also help to support it (Figure 2b).
[011]. A Figura 3 apresenta o modelo de eletrodo desenvolvido a ser utilizado como cátodo, que é semelhante à estrutura do ânodo, porém será recoberto por um material polimérico poroso hidrofílico, e terá um revestimento interno com uma membrana catiônica.[011]. Figure 3 shows the electrode model developed to be used as a cathode, which is similar to the anode structure, but will be covered by a hydrophilic porous polymeric material, and will have an internal coating with a cationic membrane.
[012]. A tecnologia para extração de elementos terras raras se apresenta na seguinte sequência:[012]. The technology for extracting rare earth elements is presented in the following sequence:
[013]. Em caráter preliminar, com a finalidade de validar o procedimento experimental, elegeu-se apenas um elemento terra rara, ítrio (Y), para eletrominerar.[013]. As a preliminary step, in order to validate the experimental procedure, only one rare earth element, yttrium (Y), was chosen to electrolyte.
[014]. Montagem e controle do reator em escala piloto.[014]. Assembly and control of the reactor on a pilot scale.
[015]. O reator eletrocinético R-01 (Figura 1) é constituído de material acrílico (PMMA - Polimetil-metacrilato), é composto pelas câmaras anódica (CA) e catódica (CC), nas dimensões 12 x 12 x 3 cm, volume interno de 150 cm3, que alocam os eletrodos para a eletromineração. O cátodo é composto de aço inox 304 e o ânodo de titânio recoberto por óxidos de irídio (Ir), rutênio (Ru), ródio (Rh) e tântalo (Ta). Ambos os eletrodos possuem seção circular de 8 cm de diâmetro. O leito do reator eletrocinético é cilíndrico, nas dimensões 16,5 x 8 cm, e volume interno de aproximadamente 900 cm3. A fonte é responsável por fornecer a diferença de potencial ao sistema. Os pontos CA, P1, P2, P3 e CC são os pontos de amostragem das alíquotas de eletrólito, e o monitorado do pH é pelo ponto P.[015]. The electrokinetic reactor R-01 (Figure 1) consists of acrylic material (PMMA - Polymethylmethacrylate), is composed of anodic (CA) and cathodic (CC) chambers, in dimensions 12 x 12 x 3 cm, internal volume of 150 cm 3 , which allocate the electrodes for electromineration. The cathode is composed of 304 stainless steel and the titanium anode is coated with oxides of iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) and tantalum (Ta). Both electrodes have a circular section of 8 cm in diameter. The bed of the electrokinetic reactor is cylindrical, in dimensions 16.5 x 8 cm, and an internal volume of approximately 900 cm 3 . The source is responsible for supplying the potential difference to the system. The points CA, P1, P2, P3 and CC are the sampling points of the electrolyte aliquots, and the pH monitored is through point P.
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6/7 [016]. O solo a ser eletrominerado deve ser inserido no leito do reator. Uma solução ácida específica e com concentração previamente determinada é bombeada para o reator (R-01), pela câmara catódica. O bombeamento é finalizado após preenchimento completo do leito do reator e das câmaras anódica e catódica com o eletrólito. Os eletrodos são submetidos a uma diferença de potencial previamente estabelecida, gerando um campo elétrico específico. A mineração é conduzida por um período determinado, com retiradas de alíquotas para obtenção do perfil de concentração do Y3+ ao longo do reator. Após a aplicação deste processo de mineração assistida por o campo elétrico, foi feita a retirada do solo contido no interior do reator, separando-o em três seções distintas para realização da análise do perfil de concentração do ítrio remanescente no solo. A quantificação foi realizada por ICP - OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrometry - Espectrometria de emissão ótica por plasma indutivamente acoplado).6/7 [016]. The soil to be electro-mined must be inserted into the reactor bed. A specific acid solution with a previously determined concentration is pumped into the reactor (R-01), through the cathodic chamber. Pumping is completed after the reactor bed and anodic and cathodic chambers are completely filled with the electrolyte. The electrodes are subjected to a previously established potential difference, generating a specific electric field. Mining is carried out for a specified period, with the removal of aliquots to obtain the Y3 + concentration profile along the reactor. After the application of this mining process assisted by the electric field, the soil contained inside the reactor was removed, separating it into three distinct sections to carry out the analysis of the concentration profile of the remaining yttrium in the soil. Quantification was performed by ICP - OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrometry - Optical emission spectrometry by inductively coupled plasma).
[017]. A partir do resultado obtido por ICP-OES foi possível se obter o perfil de concentração do ítrio ao longo do reator da eletromineração realizada, conforme apresentado na Figura 4.[017]. From the result obtained by ICP-OES, it was possible to obtain the profile of the yttrium concentration along the electromineration reactor, as shown in Figure 4.
[018]. É possível verificar a tendência do fluxo migracional do íon ítrio para o sentido da câmara catódica (posição 22 cm). As concentrações dos pontos de amostragem do reator são: P1 = 9,7889 ± 0,3868 mg kg-1, P2 = 16,1400 ± 1,145 mg kg-1 e P3 = 15,8926 ± 0,7549 mg kg-1. Com isso, verifica-se a viabilidade técnica de extração do elemento terra rara.[018]. It is possible to verify the tendency of the migratory flow of the yttrium ion towards the cathodic chamber (position 22 cm). The concentrations of the reactor sampling points are: P1 = 9.7889 ± 0.3868 mg kg- 1 , P2 = 16.1400 ± 1,145 mg kg- 1 and P3 = 15.8926 ± 0.7549 mg kg -1 . With this, the technical feasibility of extracting the rare earth element is verified.
[019]. Foram utilizadas 240 h de processo de mineração por campo elétrico, em escala de bancada, o consumo energético foi de 8 Wh kg-1 de solo, totalizando um custo de 0,002 US$ kg-1 de solo. Assim, é possível verificar o baixo custo energético do processo de[019]. 240 h of mining process by electric field were used, on bench scale, the energy consumption was 8 Wh kg -1 of soil, totaling a cost of 0.002 US $ kg -1 of soil. Thus, it is possible to verify the low energy cost of the
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7/7 eletromineração. Assim, a mineração assistida por campo elétrico tornase uma técnica viável ambiental e economicamente atrativa.7/7 electro-mining. Thus, electric field assisted mining becomes an environmentally and economically attractive viable technique.
Descrição dos desenhos [020]. Figura 1 - Esquema do sistema de mineração assistida por campo elétrico;Description of the drawings [020]. Figure 1 - Scheme of the mining system assisted by electric field;
[021]. Figura 2 - Compartimento anódico [022]. Figura 3 - Compartimento catódico;[021]. Figure 2 - Anodic compartment [022]. Figure 3 - Cathodic compartment;
[023]. Figura 4 - Perfil de concentração de ítrio ao longo do reator.[023]. Figure 4 - Yttrium concentration profile along the reactor.
Claims (2)
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| BR102018007264-1A BR102018007264A2 (en) | 2018-04-11 | 2018-04-11 | rare earth element extraction by electric field assisted mining using electrokinetic reactor |
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| BR102018007264-1A BR102018007264A2 (en) | 2018-04-11 | 2018-04-11 | rare earth element extraction by electric field assisted mining using electrokinetic reactor |
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| BR102018007264A2 true BR102018007264A2 (en) | 2019-10-29 |
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- 2018-04-11 BR BR102018007264-1A patent/BR102018007264A2/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B07A | Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette] | ||
| B09B | Patent application refused [chapter 9.2 patent gazette] |