Ilustrados são exemplos de uso de chumbo, juntamente com o antigo símbolo de chumbo, também usado para o planeta Saturno, e seu lugar no grupo 14 da tabela periódica de elementos. O chumbo é usado em tubos, vasos de latão, tubos de raios catódicos, baterias de armazenamento de ácido-chumbo e placas de circuito impresso.

Lead: Passado, Presente e Futuro

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O elemento chumbo tem um longo histórico de uso, às vezes com resultados ruins devido à sua toxicidade quando ingerido. O chumbo também é um componente vital dos componentes eletrônicos, soldas, baterias, energia fotovoltaica e ligas metálicas atuais. Aqui, fornecemos algumas perspectivas sobre o uso passado, presente e futuro de chumbo e como podemos controlar sua distribuição em todo o mundo. São necessárias melhorias no ciclo de vida do chumbo para gerenciar conscientemente o uso desse elemento exclusivo, onde é necessário executar funções críticas, ao mesmo tempo em que evita conseqüências indesejadas quando liberadas ou descartadas incorretamente no ambiente.

O chumbo é usado há mais de 5.000 anos. Suas propriedades desejáveis ​​incluem um baixo ponto de fusão em comparação com outros metais, uma capacidade de ser dúctil e maleável, e sua utilidade em uma variedade de ligas, como latão e soldas. Nos tempos antigos, os alquimistas associavam o chumbo ao planeta Saturno, e os dois até compartilhavam o mesmo símbolo, destacando como o chumbo faz parte da história há milênios.

De uma perspectiva moderna, o chumbo está no mesmo grupo de tabelas periódicas que o carbono, que é a base da vida como a conhecemos, mas o chumbo é tóxico para a própria vida. Entre os dois estão os elementos germânio, silício e estanho, que também devem parecer familiares para Design Eletrônico leitores.

Ilustrados são exemplos de uso de chumbo, juntamente com o antigo símbolo de chumbo, também usado para o planeta Saturno, e seu lugar no grupo 14 da tabela periódica de elementos. O chumbo é usado em tubos, vasos de latão, tubos de raios catódicos, baterias de armazenamento de ácido-chumbo e placas de circuito impresso. Ilustrados são exemplos de uso de chumbo, juntamente com o antigo símbolo de chumbo, também usado para o planeta Saturno, e seu lugar no grupo 14 da tabela periódica de elementos. O chumbo é usado em tubos, vasos de latão, tubos de raios catódicos, baterias de armazenamento de ácido-chumbo e placas de circuito impresso.

Vasos e canos de chumbo foram usados ​​nos dias do Império Romano e, embora não tenha sido provado conclusivamente o motivo do colapso do Império, o uso generalizado de chumbo pelos romanos e a queda posterior do Império continuam até hoje como um relato de advertência sobre como falta de atenção ao local onde o chumbo é usado pode causar problemas. Mais recentemente, o uso de gasolina automotiva contendo compostos antidetonantes de chumbo atingiu o pico na década de 1970 e, desde então, diminuiu, com a gasolina sem chumbo sendo agora queimada por motores compatíveis com gás sem chumbo. Enquanto isso, chumbo e compostos de chumbo foram depositados do escapamento do veículo em quantidades insustentáveis ​​perto das estradas.

Embora o envenenamento por chumbo não cause mais a morte, a maior preocupação hoje é o envenenamento infantil que afeta seriamente o desenvolvimento mental. Água potável com altas concentrações de chumbo tem sido manchete nos últimos anos.

Questões relacionadas ao chumbo no abastecimento de água municipal não são altamente técnicas; eles tratam de infra-estrutura arcaica e envelhecida, encanamento e, até certo ponto, resultado de injustiças sociais, porque essas deficiências ocorrem com mais frequência em comunidades pobres e negligenciadas. No mínimo, medidas como a Lei de Água Potável dos EUA, de 1974, precisam ser mantidas, e não relaxadas, com recursos fornecidos para aplicação.

Os altos volumes de equipamentos elétricos e eletrônicos (EEE) descartados, em particular, resultaram em restrições regulatórias e requisitos de recuperação, liderados pela União Europeia e adotados em outros países e estados como a Califórnia. Aqui está uma pequena lista dos regulamentos relevantes para o EEE:

  • Diretivas da Comissão Européia (CE): RoHS, restrição de substâncias perigosas; WEEE, resíduos de equipamentos elétricos e eletrônicos; ELV, veículo em fim de vida.
  • Diretivas da Agência Europeia de Produtos Químicos (ECHA): REACH, Registro, Avaliação e Autorização de Produtos Químicos, especificamente a Lista Candidata de Substâncias de Preocupação Muito Alta (SVHC).
  • Proposição 65: Escritório da Califórnia de Avaliação de Riscos à Saúde Ambiental.

Essas leis operam em vários níveis: proibir o uso de certas substâncias tóxicas, incluindo chumbo e seus compostos, ao mesmo tempo em que permite isenções para aplicações específicas onde não há alternativa, mas sujeita a revisão periódica (RoHS); Informar o público sobre o uso seguro de substâncias de grande preocupação (SVHC), incluindo chumbo e compostos de chumbo selecionados (REACH); e estabelecimento de metas de coleta e recuperação de lixo eletrônico (WEEE). Legislação semelhante se aplica a veículos em fim de vida. A proposição 65 na Califórnia exige ainda uma etiqueta de aviso em produtos em que o chumbo ou certos compostos de chumbo representam um risco de exposição.

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Todos esses regulamentos geram redução no uso de chumbo e substâncias tóxicas em primeiro lugar. Além disso, eles levam em consideração o ciclo de vida total, com objetivos ambientalmente saudáveis ​​e de longo prazo de uma economia circular e fluxos de material em circuito fechado.

Uso atual em materiais e componentes elétricos e eletrônicos

Por que continuamos a precisar de chumbo? Atualmente, seu principal uso é a bateria de armazenamento de chumbo-ácido para veículos de partida. É o material de escolha para blindagem de raios-X e possui um uso menor, porém crítico, em alta tecnologia. Na eletrônica, o chumbo é usado em ligas metálicas, componentes cerâmicos e soldas.

o mesa lista os usos críticos de chumbo, juntamente com as correspondentes isenções existentes da Diretiva RoHS da UE. Notavelmente, essas isenções surgem periodicamente para renovação. A legislação atual é um pouco mais complicada do que a mostrada na tabela em termos de usos específicos, mas os exemplos apresentados têm ampla aplicabilidade a produtos eletrônicos produzidos em alto volume.

Tabela de isenções da RoHS da UE comuns para chumbo, programada para revisão em 22 de julho de 2021.Tabela de isenções da RoHS da UE comuns para chumbo, programada para revisão em 22 de julho de 2021.

Todas as isenções de RoHS têm uma data de revisão predefinida, momento em que uma decisão será tomada pela Comissão Europeia para continuar ou modificar a isenção ou torná-la expirada e não mais ativa. Julho de 2021 não está longe. A data da revisão de julho de 2021 se aplica às seguintes categorias de equipamentos, cobrindo um amplo espectro de produtos familiares e de alto volume. (Categorias mais especializadas, como dispositivos médicos, instrumentos de monitoramento e controle e dispensadores automáticos, têm seu próprio ciclo de revisão e não estão listados aqui).

  • Eletrodomésticos grandes e pequenos
  • Equipamento informático e de telecomunicações
  • Equipamento de consumo
  • Equipamento de iluminação
  • Ferramentas elétricas e eletrônicas
  • Brinquedos, lazer e equipamentos esportivos

O chumbo fornece a propriedade importante de permitir que certas ligas de cobre, alumínio e aço sejam usinadas. O cobre é especificamente usado amplamente em conectores elétricos, enquanto o alumínio e o aço também podem ser empregados em produtos eletrônicos.

A solda é fundamental para a montagem dos componentes eletrônicos. Antes da restrição da Diretiva RoHS original, a liga de solda escolhida para a maioria dos conjuntos eletrônicos, a eutética 63/37 estanho / chumbo, foi amplamente substituída em muitos mercados, mesmo fora da UE, para conformidade em 2004. A solda a temperaturas mais altas exige muito concentrações mais altas de chumbo, geralmente superiores a 85%. Essas soldas são críticas para aplicações como montagem de refluxo de duas temperaturas e em aplicações de alta temperatura, onde as soldas eutéticas de baixo ponto de fusão são inadequadas para desempenho e confiabilidade.

A solda de alta temperatura é usada em módulos e híbridos e para fornecer conexões internas em relés de alta temperatura. Outros componentes familiares que podem usar solda de alta temperatura internamente incluem fixação de matriz em semicondutores de potência e em potenciômetros e capacitores.

O chumbo nos componentes de vidro e cerâmica fornece propriedades importantes para vedação e adesão, resistência mecânica e confiabilidade geral. Componentes familiares desse tipo incluem sensores, transdutores e resistores de chip. Para dispositivos piezoelétricos, o titanato de zirconato de chumbo (PZT) é o material mais comumente usado para ressonadores de cerâmica e em sensores e transdutores, incluindo alertas de áudio e dispositivos ultrassônicos.

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Existe uma grave falta de substitutos adequados para o chumbo em metais usináveis, solda de alta temperatura e componentes de vidro ou cerâmica. Trabalhos recentes de vários grupos de tarefas do setor descobriram que, na maioria dos casos, atualmente não existem substituições viáveis ​​para o uso atual de chumbo. Essas descobertas são independentes de preocupações com custos de material, uma vez que os substitutos para o desempenho do chumbo e suas propriedades simplesmente ainda não são conhecidos, enquanto quaisquer substitutos possíveis podem trazer desvantagens. Estão sendo enviados à Comissão Europeia dossiês técnicos detalhados para a extensão das isenções de RoHS ao chumbo.

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O metal de chumbo e 17 compostos de chumbo específicos também são listados como SVHC sob a Diretiva REACH. Embora isso não seja uma proibição ou restrição, exige relatórios públicos quando essas substâncias estão presentes em> 0,1% em peso do artigo. Novamente, seu uso é baseado na necessidade crítica de desempenho, que no caso de dispositivos piezoelétricos fornece a interação fundamental entre carga elétrica e estresse mecânico, o que os torna tão úteis. Além do metal de chumbo, esses quatro compostos de óxido de chumbo são classificados como SVHC e geralmente são encontrados em pequenas quantidades em componentes feitos de cerâmica e vidro:

  • Monóxido de chumbo
  • Tetróxido de chumbo (chumbo laranja)
  • Trióxido de zircônio de chumbo
  • Titanato de zirconato de chumbo (PZT)

Uso futuro e perspectivas

Enquanto a revisão do uso atual de chumbo e a pesquisa de alternativas continuam, as novas tecnologias estão encontrando a utilidade do chumbo para ajudar na crescente necessidade de energia sustentável. Por exemplo, o chumbo na forma de pervoskitas, que é uma estrutura de cristal definida especificamente que pode ser baseada em iodeto de chumbo, é um dos materiais promissores para a indústria fotovoltaica em rápido desenvolvimento.

O chumbo é um elemento que ocorre naturalmente, diferentemente dos compostos fabricados sinteticamente. Esse fato distingue o ciclo de vida do chumbo versus, por exemplo, certos retardadores de chama e dielétricos, dois grupos dos quais foram proibidos pela RoHS em 2004. Foram encontrados substitutos, mas ainda há preocupações quanto a seus efeitos a longo prazo no ambiente serem totalmente compreendidos.

No caso do chumbo, encontrado na natureza, o que é necessário é uma mineração ambientalmente mais benigna, uso controlado na fabricação para evitar liberações indesejadas aos trabalhadores e ao meio ambiente e coleta e recuperação de produtos em fim de vida útil para fechar o ciclo do material .

Os esforços de recuperação de chumbo de hoje são dominados por processos criados para reciclar baterias de armazenamento de ácido-chumbo usadas. Para outros tipos de equipamentos eletrônicos de consumo, a frase “Mineração Urbana” foi cunhada para descrever a capacidade de obter valor de grandes volumes de bens de consumo descartados.

Esses esforços de recuperação têm como alvo metais de alto valor, principalmente cobre e metais preciosos ouro, prata, platina e paládio, enquanto outros metais, como chumbo, costumam andar juntos com mercadorias descartadas e são coletados para reciclagem. Ainda assim, a reciclagem em grande volume de metais, incluindo chumbo, está se tornando mais uma economia circular como deveria ser.

Para estar em conformidade com a RoHS original e para fabricantes globais que adotaram os mesmos requisitos, o afastamento da solda eutética de chumbo-estanho de placas de circuito impresso e terminações de componentes no início dos anos 2000 reduziu o conteúdo de chumbo em produtos eletrônicos. À medida que os veículos totalmente elétricos continuam a aumentar em participação de mercado, o uso de baterias de chumbo-ácido – não é mais necessário para dar partida no motor de combustão interna ausente, enquanto outras tecnologias de bateria como o íon de lítio são usadas – também diminuirão.

Resta ver como as promissoras tecnologias fotovoltaicas de perovskita contendo chumbo crescerão no futuro. Se essas novas aplicações de chumbo crescerem significativamente, os fluxos de recuperação e reciclagem de chumbo precisarão se adaptar.

Recuperação e reciclagem de chumbo

A recuperação de chumbo está bem estabelecida, com operações de fundição de metais usando minérios como minerados e fluxos de recuperação de produtos em fim de vida como matéria-prima. As entradas para essas operações precisam ser ajustadas dinamicamente de acordo com a disponibilidade e a composição da matéria-prima. Os tubos de raios catódicos de vidro com chumbo descartados de televisões e monitores são uma subespecialidade com volumes que atingiram o pico recentemente no tratamento em fim de vida. Eles também devem declinar nos próximos anos, com as tecnologias de tela plana assumindo o mercado de telas.

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Embora atualmente o uso especializado de chumbo não possa ser substituído ou substituído pelos aplicativos eletrônicos listados, um esforço consciente deve ser exercido pelo setor, pelos governos e pelos consumidores informados para melhorar ainda mais a recuperação de chumbo em circuito fechado. Para todos os setores em que o chumbo ainda é necessário para a funcionalidade do produto, é fundamental a recuperação e o gerenciamento do ciclo de vida, em vez de descartá-lo. À medida que os volumes de baterias de chumbo-ácido automotivos diminuem, precisamos garantir que as mais recentes tecnologias fotovoltaicas contendo chumbo sejam construídas com a recuperação de material em circuito fechado já planejada.

Uma vez que os produtos recuperados entrem no processo de reciclagem, que na maioria dos casos será uma fundição de metal dedicada ou combinações de fundições secundárias e primárias, essas operações deverão aderir às melhores práticas de segurança ambiental. O minério recém-extraído é geralmente uma das matérias-primas, que no caso do chumbo é tipicamente galena, ou sulfeto de chumbo.

Várias agências reguladoras publicam orientações sobre a melhor técnica disponível, às vezes chamada de melhor tecnologia disponível e documentação relacionada, como a melhor tecnologia de controle disponível, para operações de mineração e recuperação e refino de metais. A adesão a essas diretrizes significa que a mineração de minério e a recuperação de metais têm práticas em vigor para controlar as emissões de poeira e outras liberações no ar, limpando o enxofre em vez de liberar óxidos de enxofre no ar, contendo essas operações em sistemas fechados e usando economia de energia práticas como recuperação de calor.

Embora essas operações de reciclagem ainda tenham alguma pegada ambiental, as melhores práticas definidas especificamente para o chumbo garantem que a recuperação do chumbo refinado no fluxo de comércio seja realizada de forma responsável em um circuito fechado. O chumbo e outros metais podem ser reciclados praticamente sem fim, ao contrário de outros materiais como papel e plástico, cujo desempenho diminui na produção reciclada.

Fora do setor industrial, ainda é necessário um amplo esforço interdisciplinar, incluindo ações e conscientização da saúde pública e privada, para reconhecer e solucionar as falhas básicas no fornecimento de água para as populações em todo o mundo. Essa recomendação, escrita há duas décadas, ainda precisa de atenção hoje: “Pediatras e entidades de saúde pública devem continuar em seus esforços para reduzir a carga de chumbo através do controle ambiental e da vigilância contínua. ”

A nova ciência e a alta tecnologia não são críticas para corrigir a corrosão em tubos contendo chumbo e na infraestrutura antiga. Exigimos apenas a determinação de fazê-lo. Controlar a distribuição de chumbo globalmente, incluindo o gerenciamento do ciclo de vida dos eletrônicos em fim de vida, garantirá que o chumbo seja mantido fora do suprimento de água potável. De fato, essa citação ainda mais antiga de Benjamin Franklin ainda é um bom conselho: “Um lugar para tudo, tudo em seu lugar”.

Terminamos com estas duas recomendações finais para o designer de eletrônicos:

1 Esteja ciente das regulamentações ambientais existentes e futuras e procure substituir substâncias como chumbo em todas as oportunidades.

2) Seja um cidadão responsável com seus próprios bens elétricos e eletrônicos indesejados e facilite o desenvolvimento de fluxos de recuperação sempre que possível. Incentive também o mesmo pensamento em circuito fechado da sua empresa.

Referências

A cotação é de A.L. Mendelsohn et. al., Jde Pediatria do Desenvolvimento e do Comportamento (JDBP) Vol. 20, n. 6, pp. 425-431 (1999).

Pesquisa Geológica dos EUA, Centro Nacional de Informações sobre Minerais https://www.usgs.gov/centers/nmic/lead-statistics-and-information

Associação Internacional de Líderes, https://ila-reach.org/

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