Caracterização de lâmpadas LED e concentração de materiais de interesse visando a reciclagem

Abstract

As lâmpadas LED (diodos emissores de luz) são uma tecnologia relativamente nova (última década) que já conquistou o mercado da iluminação geral, com uma fatia global de aproximadamente 64% em 2020. Esse novo produto vai gerar um fluxo adicional de resíduos eletrônicos, requerendo atenção e estudos para o seu gerenciamento, especialmente considerando alternativas de reciclagem. Esse trabalho propõe a caracterização dos materiais de lâmpadas LED tubulares e de bulbo, e seus componentes. Ainda, experimenta a separação granulométrica e eletrostática para concentração de materiais de interesse dos LEDs. Após separação manual, os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho, e os metais por fluorescência de raio-x e digestão ácida seguida por análise de espectrometria de emissão ótica com plasma acoplado (ICP-OES). É apresentada no estudo, a distribuição de materiais entre os componentes das lâmpadas e a interpretação dos resultados, com informações de concentração típica dos minérios e valor econômico dos materiais, buscando discutir alternativas de reciclagem. O ouro (Au) foi o material mais valioso, e os LEDs, o componente mais valioso encontrado nas lâmpadas. A separação granulométrica e eletrostática concentrou com sucesso diversos metais dos LEDs, com destaque para o ouro (Au), que teve 86,9% de sua massa na fração condutora da granulometria menor que 0,25mm, e para os metais gálio (Ga), ítrio (Y) e cério (Ce) concentrados nas frações não condutoras. As melhores condições para separação eletrostática foram definidas, variando tensão e rotação do rolo, para três granulometrias diferentes dos LEDs. A condição tensão 27 kV e rotação 60 rpm foi selecionada para as granulometrias maior que 0,5 mm e entre 0,5 e 0,25 mm, para a granulometria menor que 0,25 mm a melhor condição de separação foi com tensão 35 kV e rotação 90 rpm. Os processos físicos utilizados demostraram ser eficazes como etapa de uma possível rota de reciclagem, por possibilitarem aumento de eficiência na posterior extração/separação dos metais.

LED lamps (light emitting diodes) are a relatively new technology (last decade) that already conquered the market of general lighting, reaching a global fraction of 64% in 2020. This new product is expected to generate a substantial flow of electronic waste, requiring attention and studies for its management, especially concerning recycling alternatives. This work proposes a materials characterization of tubular and bulb LED lamps, and their components. Moreover, particle size and electrostatic separation were investigated aiming at concentrating valuable LED materials. After manual segregation, the polymers were characterized by infrared spectroscopy and the metals characterized by x-ray fluorescence and acid digestion followed by optic emission spectroscopy with coupled plasma analysis (ICPOES). Searching recycling alternatives, the materials distribution within the lamps and the discussion of the results are presented in the work together with data of typical ores concentration and economic values of the metals. Gold (Au) was the most valuable material and the LEDs, the most valuable component found in the lamps. The particle size and electrostatic separation successfully concentrated many metals of the LEDs, highlighting the gold (Au), which had 86,9% of its mass concentrated in the conductive fraction of the particle size smaller than 0,25mm, and the metals gallium (Ga), yttrium (Y) and cerium (Ce), concentrated in the nonconductive fractions. The best conditions of the electrostatic separation were defined, varying the tension and the roll speed rotation, for three different particle sizes of LEDs. The selected condition for the particle size bigger than 0,5 mm and between 0,5 and 0,25 mm was tension 27 kV and rotation 60 rpm. For the particle size smaller than 0,25 mm the best condition was 35 kV and 90 rpm. The utilized physical processes can be effective as step of a recycling route, by permitting an efficiency improvement in a posterior extraction/separation of metals.