Recupero di elementi critici da rifiuti minerali.

The increasing global demand for strategic raw materials such as rare earth elements, lithium, nickel, and cobalt—driven by the energy transition and the development of sustainable technologies—has highlighted the vulnerability of supply chains. In this context, mining waste represents a secondary resource of growing interest, as it often contains significant amounts of critical elements that are not recoverable at the time of disposal but can be extracted through advanced technologies. Moreover, the valorization of mining waste allows for the reduction of waste volumes, the recovery of valuable resources, and a decreased dependence on primary sources, thereby promoting a circular economy model. This thesis aims to evaluate the extraction of various elements with potential industrial relevance from mining waste and wollastonite through dissolution processes using formic acid. In particular, the extraction of calcium ions is of notable importance due to their subsequent application in CO₂ mineralization, a promising technique for the permanent sequestration of carbon dioxide, with the goal of reducing emissions from mining sites and making the process carbon-neutral or even carbon-negative. The research involved a series of tests in which key parameters such as temperature, reaction time, and particle size distribution were varied in order to identify the most efficient operating conditions to maximize extraction yield. Initially, the structure of the samples was defined through X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Subsequently, further preliminary analyses were carried out: loss on ignition (LOI) and X-ray fluorescence (XRF), respectively to determine the volatile species in the samples and their elemental composition. Specifically, the experiments were conducted at 40°C or 80°C in a reactor containing a formic acid solution (0.1 M, 0.01 M, and 0.001 M); the pH was monitored during the experiments, which varied in duration. The results confirm that higher temperatures (80°C) and longer reaction times significantly enhance calcium solubilization, especially in finely ground samples. However, mining waste—due to its heterogeneous composition and coarser particle size—shows lower yields compared to pure wollastonite, while still representing a more environmentally and economically sustainable option. The results obtained serve as a solid starting point for further developments in the design of accelerated carbonation processes on an industrial scale.

L’aumento della domanda globale di materie prime strategiche come terre rare, litio, nichel e cobalto, spinto dalla transizione energetica e dallo sviluppo di tecnologie sostenibili, ha posto l’attenzione sulla vulnerabilità delle catene di approvvigionamento. In questo contesto, i rifiuti minerari rappresentano una risorsa secondaria di crescente interesse, poiché spesso contengono quantità significative di elementi critici non recuperabili al momento dello smaltimento ma estraibili grazie a tecnologie avanzate. Inoltre, valorizzare gli scarti minerari permette di ridurre i volumi di rifiuti, recuperare risorse preziose e diminuire la dipendenza da fonti primarie, promuovendo un modello di economia circolare. Questa tesi si propone di valutare l’estrazione di diversi elementi a potenziale interesse industriale, partendo da scarti minerari e wollastonite, mediante processi di dissoluzione con acido formico. Tuttavia, è di notevole importanza l’estrazione di ioni calcio, in vista della loro successiva applicazione nella mineralizzazione della CO₂, tecnica promettente per il sequestro permanente dell’anidride carbonica, in modo tale da diminuire le emissioni dai siti minerari rendendo il processo a emissioni nulle o negative. La seguente ricerca ha previsto una serie di test variando parametri fondamentali come temperatura, tempo di reazione e granulometria, al fine di individuare le condizioni operative più efficienti per massimizzare la resa estrattiva. Inizialmente è stata definita la struttura dei campioni attraverso diffrazione a raggi X (XRD) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Successivamente, sono state effettuate ulteriori analisi preliminari, loss of ignition LOI e spettrofotometria (XRF), rispettivamente per definire le specie volatili nei campioni e la composizione elementare. Precisamente, gli esperimenti sono stati condotti a 40°C o 80°C in un reattore contenente una soluzione di acido formico (0.1 M, 0.01 M e 0.001 M); il pH è stato monitorato durante gli esperimenti, i quali potevano avere differenti tempistiche. I risultati ottenuti confermano che temperature elevate (80°C) e tempi prolungati migliorano significativamente la solubilizzazione del calcio, specialmente nei campioni finemente macinati. Tuttavia, gli scarti minerari, a causa della loro composizione eterogenea e della granulometria più grossolana, mostrano rendimenti inferiori rispetto alla wollastonite pura, pur rappresentando un’opzione più sostenibile dal punto di vista ambientale ed economico. I risultati ottenuti costituiscono un valido punto di partenza per ulteriori sviluppi nella progettazione di processi di carbonatazione accelerata su scala industriale.