Development of alternative processes for strategic and critical metal recovery from secondary waste sources

Abstract

The growing focus on digitalization, renewable energies, and low-carbon technologies has led to a surge in demand for metal commodities, pressuring natural metal ores and boosting metal scarcity. Within the circular economy framework, secondary metal sources can be an integrative solution for the low concentration and limited ore supply. This transition aligns with the European Union goals of fostering innovation, resource efficiency, and environmental sustainability. Adhering to the circular economy principles can alleviate the pressure on critical raw materials while steering the European Union towards a greener future. The efficient recovery of metals from unconventional sources remains an intricate challenge. This is attributed to the complex nature of waste streams, technological constraints, and the absence of sustainable, energy-efficient, and cost-effective recovery processes. These barriers obstruct metal recovery from non-traditional sources. Aiming to develop pioneer, eco-conscious, and efficient recycling technologies, this work introduces a multifaceted strategy for metal recovery from aqueous and solid secondary sources. Biosorption based on algae was adopted as a preconcentration step to tackle metal recovery from wastewater whilst exploring novel underlying sorption mechanisms. The limitations of implementing this methodology into natural wastewater were uncovered, granting a critical step toward practical, real-world feasibility. As the purity of the recovered metals is positively related to their valorization and reintroduction into the industry, the mechanisms of metal extraction in the recently introduced acidic aqueous biphasic systems were explored. The versatility of acidic aqueous biphasic systems offers the unique potential for one-pot metal leaching and separation or the recycling of inorganic acid lixiviants as phase-forming agents. Conventionally, leaching solutions are based on strong inorganic acids and rely on harsh conditions. This work proposes alternative leaching media for metal recovery from lithium-ion batteries based on eutectic solvents and by-products of the paper and pulp industry, setting new standards for sustainability and efficiency in metal leaching. While further investigation is needed to ascertain the practical applicability of algae-based biosorption in real-world scenarios, this research afforded advances by revealing novel sorption mechanisms. Using alternative solvents, such as eutectic solvents and waste-based solvents, represents a paradigm shift in the field, offering a promising, sustainable, and efficient path for metal recovery from lithium-ion batteries. These advances help to reshape the landscape of metal recycling, steering to a more environmentally conscious and resource-efficient future.

O crescente interesse na digitalização, energias renováveis e tecnologias de baixo carbono intensificou a procura por metais, pressionando os recursos minerais e impulsionando a sua escassez. No âmbito da economia circular, as fontes secundárias de metais podem ser uma solução para a baixa concentração e oferta limitada de minérios. Esta transição está alinhada com os objetivos da União Europeia, incluindo a promoção da inovação, eficiência de recursos e sustentabilidade ambiental. A adesão à economia circular alivia a pressão sobre matérias-primas críticas. A recuperação eficiente de metais de fontes não convencionais é um desafio dada a natureza complexa dos resíduos, limitações tecnológicas e a falta de processos sustentáveis, energeticamente eficientes e economicamente viáveis. Estas barreiras dificultam a recuperação de metais a partir de fontes secundárias. Com o objetivo de desenvolver tecnologias de reciclagem inovadoras, sustentáveis e eficientes, este trabalho apresenta uma estratégia multifacetada para a recuperação de metais de fontes secundárias aquosas e sólidas. A biossorção baseada em algas foi proposta como uma plataforma de pré-concentração para recuperar metais, expondo novos mecanismos de sorção. As limitações da implementação desta metodologia em matrizes reais foram identificadas, constituindo um passo crítico em direção à sua viabilidade prática no mundo real. Como a pureza dos metais recuperados está positivamente relacionada com a sua valorização e reintegração na indústria, os mecanismos de extração de metais em sistemas aquosos bifásicos acídicos foram explorados. A versatilidade destes sistemas oferece o potential para a lixiviação e separação de metais numa única etapa, ou alternativamente, possibilita a reciclagem de ácidos inorgânicos previamente utilizados como lixiviantes para a formação do sistema bifásico. Convencionalmente, as soluções de lixiviação baseiam-se em ácidos inorgânicos concentrados e dependem de condições severas. Alternativamente, solventes eutécticos e resíduos da indústria do papel foram propostos para a recuperação de metais de baterias de lítio em condições brandas, estabelecendo novos padrões de sustentabilidade e eficiência na lixiviação de metais. Embora seja necessária investigação adicional para determinar a viabilidade prática da biossorção baseada em algas, este trabalho desencadeou progressos ao desvendar novos mecanismos de sorção. A utilização de solventes alternativos, nomeadamente solventes eutéticos e solventes à base de resíduos, representa uma mudança de paradigma, oferecendo um caminho promissor, sustentável e eficiente para a recuperação de metais de baterias de lítio. Estes avanços contribuem para a renovação do panorama da reciclagem de metais em direção a um futuro mais consciente e eficiente.