CONAMET/SAM-2006 TRATAMIENTO DE BATERÍAS AGOTADAS DE Ni-Cd POR LIXIVIACIÓN ÁCIDA Roger López Padilla, Pedro A. Nicola, Celso F. Pérez, Cristian Oliva(*), Leandro Aldet (*) Departamento de Metalurgia, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Córdoba, Av. Cruz Roja Argentina esq. M. López, (5016) Córdoba, Argentina, e-mail: [email protected] (*) Alumnos becarios RESUMEN En el presente trabajo se informa sobre resultados alcanzados en experiencias a nivel de laboratorio para el tratamiento de baterías agotadas de Ni-Cd, empleando un proceso hidrometalúrgico. Se estudiaron las etapas de preparación mecánica, lixiviación y extracción por solventes orgánicos. En la etapa de preparación mecánica, a través de una secuencia de operaciones de cizallado, secado, trituración y separación magnética, se logró una excelente separación en una fracción fina, de más del 95% del cadmio y níquel presentes en las baterías agotadas, dejando en una fracción gruesa casi todo el hierro y materiales no metálicos. Se efectuaron ensayos de lixiviación sobre la fracción fina modificando las variables temperatura, acidez, tiempo de reacción y grado de oxidación de la solución, evaluando la incidencia del medio empleado ya sea soluciones de ácido sulfúrico o ácido clorhídrico. Se pudo observar que en ciertas condiciones se puede disolver más del 90% del cadmio y níquel, en tiempos cortos no superiores a las dos horas y que, en las concentraciones estudiadas, las soluciones de ácido clorhídrico son más efectivas que las de ácido sulfúrico. En las experiencias de extracción por solventes orgánicos se emplearon como extractantes DEHPA (ácido di(2etilhexil fosfórico) a partir de las soluciones sulfúricas y TBP (tributil fosfato) en el caso de las clorhídricas. Se determinó que ambos extractantes son efectivos en la separación del cadmio y níquel contenidos en las soluciones de lixiviación pero que empleando TBP, se requieren menos etapas tanto en la extracción como en la reextracción. Los resultados obtenidos a partir de los estudios realizados muestran que la vía analizada puede constituir un método adecuado para el reciclado de las baterías de Ni-Cd agotadas. Palabras Clave: Reciclado, baterías, níquel, cadmio, recuperación 1. INTRODUCCION Las baterías de níquel–cadmio son ampliamente usadas para proveer energía, a una amplia variedad de equipos y dispositivos eléctricos y electrónicos tales como handies, grabadoras, juguetes electrónicos, notebooks, filmadoras, carteles de señalización, máquinas y herramientas portátiles y artículos del hogar. Como resultado se produce una gran cantidad de baterías agotadas para su disposición final que debe ser controlada debido a su alto contenido de cadmio (alrededor del 20 %), nocivo para la salud y el medio ambiente. Es deseable además, que este residuo sea reciclado por su contenido de níquel y cadmio que son metales valiosos para los cuales existe demanda y además por el ahorro de energía que se obtiene al trabajar con metales reciclados. Estudios realizados previamente por los autores[1], permitieron determinar la complejidad que presentan en su composición los dispositivos que generan energía eléctrica a partir de reacciones químicas, lo que complica su reciclado. Los materiales que constituyen las baterías de Ni-Cd, son: los electrodos, los aisladores y separadores fabricados en general con polímeros, el electrolito de hidróxido de potasio y el cuerpo metálico o carcaza de acero niquelado. Los electrodos están compuestos principalmente de hidróxidos de cadmio y de níquel en polvo y pequeñas cantidades de hidróxido de cobalto, sobre una rejilla de níquel metálico sinterizado. Para el reciclado de este tipo de baterías se han propuesto varios alternativas pirometalúrgicas e hidrometalúrgicas. Ejemplo del primer caso es el proceso SAB-NIFE [2] en el cual las baterías son calentadas a alrededor de 400 ºC, en presencia de oxígeno a fin de quemar los componentes orgánicos. Luego mediante un calentamiento por encima de 900 º C en atmósfera reductora, vaporiza el cadmio que es luego condensado a la salida del horno. El residuo, que contiene níquel y hierro puede ser utilizado para la producción de ferroníquel. Este proceso tiene un alto requerimiento energético y además es costoso especialmente por la necesidad de efectuar una exhaustiva limpieza de los gases de salida y control de los vapores de cadmio para evitar su liberación a la atmósfera con la consecuente contaminación ambiental. Respecto de los tratamientos hidrometalúrgicos, la bibliografía da cuenta de trabajos de reciclado de los metales níquel, cadmio y cobalto contenidos en baterías agotadas, empleando distintos agentes de lixiviación y de separación de los metales lixiviados. C.A. Nogueira, F. Delmas [3], C. Korber y J. Soares [4] informan sobre el empleo de lixiviación en medio sulfato, seguida de extracción con el solvente Cianex 272, para separar los metales cadmio, níquel y cobalto lixiviados. B. Ramachandra Reddy et al. [5] estudiaron la extracción por solventes y separación del cadmio, níquel y cobalto a partir de soluciones de lixiviación en medio cloruro. En este trabajo se presentan los resulta-dos alcanzados en el estudio del reciclado de baterías Ni-Cd agotadas partiendo desde la preparación mecánica previa a la lixiviación en medio sulfúrico o clorhídrico bajo distintas condiciones de operación. También se muestran datos obtenidos de estudios preliminares llevados a cabo para la separación por solventes de los metales disueltos cadmio y níquel empleando como reactivos extractantes, DEHPA, ácido di(2etilhexil fosfórico, a partir de las soluciones sulfúricas y TBP (tributil fosfato) en el caso de soluciones clorhídricas. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Preparación de las baterías previa a la lixiviación Se puso a punto un procedimiento consistente de operaciones de cizallado, trituración, secado y tamización a fin de separar los materiales portadores de cadmio y níquel a ser lixiviados, de los otros componentes, metálicos ferrosos y no metálicos. Para llevar a cabo estas operaciones se emplearon un molino cizallador con cuchillas de carburo de tungsteno, tamices, estufa y mortero de laboratorio. En la Figura 1 se muestra el esquema de tratamiento desarrollado. Baterías agotadas Cizallado Secado Tamizado -1,19mm (Polvo con Cd y Ni) A lixiviación +1,19mm Trituración Tamizad - 1,19mm (Material ferroso y no metálicos) Figura 1. Procedimiento de preparación de las baterías agotadas previamente a su lixiviación A fin de tener una muestra representativa de las baterías agotadas provenientes de distintos fabricantes, se sometieron al tratamiento indicado, 1000 gramos de material. Los pesos obtenidos de las distintas fracciones fueron: fracción –1.19 mm, constituida principalmente los polvos conteniendo cadmio y níquel, 420 gramos, fracción +1.19 mm formada en su mayor parte por las carcazas de acero de las baterías y en mucho menor medida por los separadores y aisladores de plástico 580 gramos. El análisis químico de esta última fracción permitió determinar que contenía menos del 5% del cadmio y níquel presentes en las baterías agotadas. A partir de la fracción fina, a través de sucesivos cuarteos, se extrajo una muestra para su análisis químico. El análisis dio el resultado siguiente: Cd 34%, Ni 38%, Co 1.1%, Fe 1.70%, insolubles 1,2%. Como se observa, la suma no da 100%, dado que en el polvo los metales se encuentran como hidróxidos. 2.2 Lixiviación Los reactivos utilizados en las experiencias fueron ácido sulfúrico proanálisis 95-98% y ácido clorhídrico proanálisis provistos por Cicarelli, agua oxigenada pura 100 volúmenes y agua bidestilada. Los ensayos de lixiviación fueron llevados a cabo empleando como reactor de lixiviación un vaso de precipitados alto de 500 cm3, colocado en un baño termostatizado. En todas las experiencias se utilizaron 10 gramos de polvo y una relación de sólido a líquido de 1:10. En la mayoría de los ensayos de lixiviación en medio sulfúrico, se utilizó como agente oxidante agua oxigenada que era dosificada cada 10 minutos. Algunas experiencias se realizaron sin oxidación o empleando aire comprimido como oxidante. En la lixiviación en medio clorhídrico, se observó que la oxidación no mejoraba el rendimiento del proceso y por este motivo las experiencias se realizaron sin la adición de oxidantes. En todos los ensayos la agitación fue mecánica salvo cuando se utilizó aire comprimido en la que éste al burbujear agitaba la solución. En la etapa de lixiviación se estudió la influencia de las variables tiempo, temperatura, grado de oxidación y acidez de la solución, sobre el porcentaje de disolución de los metales cadmio y níquel. Todas las experiencias fueron realizadas por duplicado y los resultados informados corresponden al promedio de los valores obtenidos. Para el análisis químico de los metales en las distintas etapas estudiadas, se empleó espectrofotometría de absorción atómica. Los errores analíticos asociados al método de análisis empleado son de 2.5% para el cadmio, 3% para el níquel, hierro y cobalto. En las Tablas I y II se presentan los resultados obtenidos en las experiencias de lixiviación en las soluciones sulfúricas y en las clorhídricas. Tabla I. Influencia de la temperatura, tiempo, acidez y oxidación sobre la lixiviación del cadmio y níquel Ensayo T (ºC) 90 90 90 20 60 90 90 90 90 90 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 Acidez [M] 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 t (h) 1 1 1 1 1 0.5 2 1 1 1 .H2O2 [cm3] 2 2 2 2 2 2 2 0,5 1 Aire (%)Lixiviación Cd Ni 86.9 74.5 88.8 80.7 90 90 82.2 69.5 83.9 71.4 83.4 65.1 90 90 83,8 71,3 85 72,9 79.8 62 Tabla II. Influencia de la temperatura, tiempo y acidez sobre la lixiviación del cadmio y níquel (%) Lixiviación Ensayo T (ºC) Acidez [M] t (h) Cd Ni 1 90 2 1 72.75 70.2 2 90 4 1 80.56 78.05 3 90 6 1 90.37 87.65 4 90 6 1 96.33 93.88 5 20 6 1 62.84 57.35 6 60 6 1 65.41 61.82 7 90 6 0.5 88.80 85.90 8 90 6 2 99.35 98.10 2.3 Extracción por solventes Los reactivos orgánicos utilizados en la extracción fueron el DEHPA ( ácido di( 2etilexil )fosfórico ) provisto por Fluka, y el TBP (tributil fosfato) donado por la empresa Dioxitex (Comisión Nacional de Energía Atómica Argentina), ambos disueltos en kerosén. Como separador de fases se empleó alcohol amílico proanálisis Cicarelli en las experiencias con ácido sulfúrico. Durante los ensayos de extracción a partir de soluciones clorhídricas empleando TBP, dada la excelente separación observada entre las fases orgánica y acuosa, no se empleó ningún separador de fases,. Las experiencias fueron realizadas poniendo en contacto las fases orgánica y acuosa, según relaciones de volumen O/A preestablecidas, mediante agitación manual dentro de ampollas de decantación. La reextracción fue llevada a cabo de la misma manera, empleando como eluyente una solución sulfúrica a pH=0.3 en el caso de las soluciones de extracción con DEHPA y una solución de ácido clohídrico 0.1 M en el caso de las obtenidas con TBP Todos los ensayos de extracción y reextracción fueron llevados a cabo a temperatura ambiente (20 + 2º C). El tiempo de contacto empleado fue de 5 minutos, dado que experiencias previas indicaron que se alcanzaba el equilibrio dentro de los 2 minutos. Luego del contacto, se dejaba el sistema Tabla III. Extracción de Cd y Ni con DEPHA y TBP, solución sulfúrica, pH=3, solución clorhídrica, 4M. 90 % Disolución en reposo para permitir la separación de las fases y se efectuaba el análisis químico en la fase acuosa. En las Tablas III y IV se presentan los resultados obtenidos en las etapas de extracción y reextracción realizados tanto con soluciones sulfúricas como clorhídricas. 70 50 15 25 35 45 55 65 75 85 95 3/1 2/1 1/1 1/2 1/3 Tabla IV. Reextracción de Cd y Ni con solución sulfúrica, pH=0.3, y solución clorhídrica, pH=0.1 3/1 2/1 1/1 1/2 1/3 % Disolución 100 90 80 70 60 3 4 5 Concentración molar Cd H2SO4 Ni H2SO4 Cd HCl Ni HCl 70 70 11 1,5 1,5 HHoras 2O2 [ml] 2 2 Ni H2SO4 Ni H2SO4 Ni HCl Figura 2. Influencia de la acidez, temperatura, nivel de oxidación y tiempo de contacto sobre el porcentaje de lixiviación del cadmio y níquel. La Figura 2 muestra la influencia de las variables acidez, temperatura, tiempo y nivel de oxidación sobre el porcentaje de disolución de los metales cadmio y níquel en las experiencias de lixiviación llevadas a cabo. Se observa que en condiciones óptimas es posible obtener disoluciones del orden 90% tanto para el cadmio como para el níquel empleando tanto soluciones de ácido sulfúrico como de ácido clorhídrico. En la lixiviación en medio sulfúrico, las variables que más influyen sobre la disolución del Cd y Ni, son el nivel de acidez y el tiempo de reacción. La disolución del cadmio fue siempre superior al 80% aun en las condiciones menos agresivas. 2 90 80 80 Cd H2SO4 Cd H2SO4 Cd HCl 3. ANALISIS DE RESULTADOS 1 100 90 60 60 0,5 0,5 Porcentaje de Reextracción DEHPA TBP Cd Ni Cd Ni 43.4 60.8 93.1 3.5 30.7 60 89.5 2.0 27.6 55.6 85.2 0.8 20.5 50 54.3 0.6 19.2 46.3 37.9 0.5 Relación A/O Temperatura [ºC] Cd H2SO4 Ni H2SO4 Cd HCl Ni HCl % Disolución % Disolución Porcentaje de Extracción DEHPA TBP Cd Ni Cd Ni 48.1 4.7 99.5 4.6 37.0 3.2 98.5 3.5 18.5 0.2 92.4 0.6 7.4 0 89.4 0.1 5.5 0 85.3 0 Relación O/A 6 Respecto a los resultados obtenidos en la experiencias de extracción por solventes, la Figura 3 indica que en la etapa de extracción, el TBP es mucho más efectivo que el DEHPA con respecto al cadmio ya que permite en una sola etapa de extracción rendimientos superiores al 90% aun con relaciones O/A bajas, por ejemplo, 1:1. Con respecto al níquel la eficiencia de extracción es muy baja con ambos reactivos. Estos resultados indican que es perfectamente posible la separación del cadmio en la fase orgánica a partir de las soluciones de lixiviación conteniendo Cd y Ni, pero que el en caso de la extracción con TBP se obtiene una excelente separación, superior al 90% con una sola etapa de contacto. 4. CONCLUSIONES 100 1. % de Extracción 80 60 40 20 0 0 1 2 3 Relacion O/A Cd DEHPA Cd TBP Ni DEHPA Ni TBP 2. Figura 3. Influencia de la relación O/A sobre la extracción de Cd y Ni con DEHPA y TBP % de Reextracción De la Figura 4 se desprende también que es más favorable la reextracción del cadmio a partir de las soluciones orgánicas de TBP y no de las conteniendo DEHPA. Por ejemplo, la reextracción con una relación A/O 1:1 es del 27.6% en el primer caso y del 85.2% en el segundo. Respecto a la reextracción del níquel se da el comportamiento opuesto ya que por ejemplo con una relación A/O 1:1, a partir de las soluciones con DEHPA, la reextracción es del 60% mientras que en el caso de soluciones con TBP es del 0.8%. Los resultados tanto de la extracción como reextracción con ambos solventes orgánicos indican la factibilidad de realizar la separación de ambos metales contenidos en soluciones de lixiviación. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 3. 4. Mediante una preparación adecuada de las baterías agotadas de Ni-Cd, que incluye operaciones de cizallado, secado, triturado y tamizado, se pudieron separar los componentes de las mismas en dos fracciones. La fracción fina de –1.19 mm compuesta principalmente de cadmio y níquel y la fracción gruesa de +1.19 mm, formada mayoritariamente por las carcazas de acero y en mucho menor medida por los polímeros de los separadores y aisladores de las baterías. Esta última fracción no presenta riesgo de contaminación ambiental y puede ser desechada o usada como materia prima para producir acero. La lixiviación de la fracción fina en soluciones sulfúricas y clorhídricas en las condiciones ensayadas, permitió disolver hasta un 90% tanto del cadmio como del níquel contenidos en la misma. Las variables ensayadas: temperatura, tiempo de lixiviación, grado de oxidación y acidez influyen sobre la disolución de ambos metales pero principalmente para el caso del níquel. Las experiencias de extracción por solventes indican que es factible la separación mediante extracción por solventes del cadmio y níquel contenidos en las soluciones de lixiviación empleando tanto DEHPA como TBP. Los resultados obtenidos muestran que la vía estudiada puede constituir un método de reciclado de las baterías de Ni-Cd agotadas. Para optimizar esta alternativa de tratamiento, es necesario profundizar en el estudio de la etapa de extracción por solventes de los metales níquel y cadmio a partir de las soluciones de lixiviación. Agradecimientos Los autores expresan su sincero agradecimiento a la Ing. Elba Gianassi del Laboratorio del CIMM (INTI Córdoba), por su valiosa colaboración en la realización de los análisis químicos. 5. REFERENCIAS 1. 1 2 Relación A/O Cd DEHPA Ni DEHPA Cd TBP Ni TBP 3 2. Figura 4. Influencia de la relación A/O sobre la reextracción de Cd y Ni a partir del DEHPA y TBP 3. R. López Padilla, P. A. Nicola, O. A. Manfredi, L. Alloatti, C. F. Pérez, Tratamiento de micropilas agotadas (experimentación en escala piloto), SAM/CONAMET/SIMPOSIO MATERIA, Sann Carlos de Bariloche, Argentina, 2003, pp 1-3 T. Anulf, SAB-NIFE recycling concept for nickel cadmium batteries an industrialised and environmentally safe process, Procedings 6th Int. Cadmium Conference, Cadmium Association, London, U.K. 1990, pp. 161–163. C.A. Nogueira, F. Delmas, New flowsheet for the recovery of cadmium, cobalt and 4. 5. nickel from spent Ni-Cd batteries by solvent extraction, Hidrometallurgy, 52, 1999, 267287. C. Korber Gonçalves, J. A. Soares Tenorio, Reciclagem de baterías de Ni-Cd – Extraçao por solventes, Produçao em iniciaçao científica da EPUSP, 2002, pp 1-20. B. Ramachandra Reddy, D. Neela Prya, S. Venkadeswara Rao, Solvent extraction and separation of Cd(II), Ni(II) and Co(II) from chloride leach licuors of spent Ni-Cd batteries using comercial organo-phosforous extractants, Hidrometallurgy, 77, 2005, pp 253-261.