As Terras Raras (TRs), particularmente a série dos lantanídios, são consideradas elementos estratégicos da tecnologia moderna devido ao seu papel essencial na catálise petroquímica, lasers, materiais luminescentes, e na fabricação de superimãs necessários para conversão de energia em carros elétricos e geradores eólicos. Atualmente, o comércio internacional de TRs é dominado pela China (> 90%). O Brasil apresenta um enorme potencial em termos de reservas de TRs, mas o país ainda carece de uma tecnologia competitiva para o processamento mineral, incluindo a separação e produção de elementos. Processos hidrometalúrgicos baseados na extração por solvente e troca iônica são normalmente empregados pelos produtores, mas os processos são bastante caros e poluentes, envolvendo centenas de reatores e colunas para superar as propriedades químicas muito similares dos elementos. Esta tese relata uma tecnologia alternativa verde chamada Nanohidrometalurgia Magnética (NHMM), que faz parte dos nossos esforços para introduzir a nanotecnologia na área mineral. A tecnologia é baseada em nanopartículas superparamagnéticas, previamente projetadas com um revestimento protetor e um agente complexante específico, como o DTPA, para sequestrar os elementos estratégicos da solução lixiviada. NHMM permite a captura e processamento de elementos metálicos diretamente a partir de solução aquosa, sem empregar solventes orgânicos. Depois de confinar o elemento com o uso de um ímã externo (Nd2Fe14B), ele pode ser facilmente separado da mistura e liberado pela aplicação de condições ácidas leves, enquanto as nanopartículas magnéticas retornam ao processo, para um novo procedimento em lote. Na escala laboratorial, todo o procedimento pode ser realizado no mesmo reator, cumprindo, além das instalações de processamento e recuperação, os requisitos mais importantes da Química Verde. Esta tese foi concentrada na extração e separação de elementos de lantanídios da monazita. Um estudo detalhado termodinâmico e cinético foi realizado para compreender o processo. O intrigante comportamento magnético das nanopartículas magnéticas revestidas de lantanídios também foi investigado, fornecendo um ensaio crítico de seu comportamento magnetoforético em solução aquosa. O comportamento magnetoforético das nanopartículas superparamagnéticas permitiu monitorar sua interação direta com os íons lantanídeos, ilustrando uma nova perspectiva no processo de separação. / Rare earths (RE), particularly the lanthanide series, are considered strategic elements in modern technology because of their essential role in petrochemical catalysis, lasers, luminescent materials, and in the fabrication of strong magnets required for energy conversion in electric cars and aeolic generators. Currently, the international RE commerce is dominated by China (> 90%). Brazil exhibits a huge potential in terms of RE reserves but the country still lacks a competitive technology for mineral processing, including the element separation and production. Hydrometallurgy processes based on solvent extraction and ionic exchange are normally employed by the producers, but the processes are rather expensive and polluting, involving hundred reactors and columns to overcome the challenge of dealing with elements exhibiting very similar chemical properties. This thesis reports an alternative green technology named Magnetic Nanohydrometallurgy (MNHM), reinforcing our attempts and efforts to introduce Nanotechnology in the mineral area. The MNHM technology is based on superparamagnetic nanoparticles, previously engineered with a protecting coating and a specific complexing agent, such as DTPA, for sequestering the strategic elements from the lixivia solution. MNHM allows the capture and processing of metal elements directly from aqueous solution, without employing organic solvents. After confining the element with the use of an external magnet (Nd2Fe14B), it can be easily separated from the mixture, and released by applying mild acidic conditions, while the magnetic nanoparticles return to the process, for a new batch procedure. At the laboratory scale, the entire procedure can be performed in the same reactor, fulfilling, in addition to the processing and recovery facilities, the most important requisites of Green Chemistry. This thesis was concentrated on the extraction and separation of lanthanide elements from monazite. A detailed thermodynamic and kinetic study was carried out to support the ideas, leading to a new separation technology, capable of obtaining and processing the lanthanides under green and sustainable conditions. The magnetophoretic behavior of the superparamagnetic nanoparticles allowed to monitor their direct interaction with the lanthanide ions, illustrating a new perspective in the separation process.

Esta tese descreve o desenvolvimento de aplicações de nanopartículas superparamagnéticas de magnetita, devidamente funcionalizadas, nas seguintes áreas: Sensoriamento - As nanopartículas superparamagnéticas foram utilizadas em conjunto com um pequeno sistema analítico especialmente desenvolvido para esse trabalho, na análise de diversos metais pesados de grande relevância ambiental. O ponto de destaque da metodologia é o grande incremento em intensidade do sinal analítico em função da pré-concentração que pode ser realizada mediante utilização das nanopartículas superparamagnéticas e aplicação de um campo magnético externo. Remediação ambiental - A grande afinidade das nanopartículas por diversos materiais foi aproveitada na obtenção de um sistema de remediação ambiental que combina as propriedades magnéticas das nanopartículas e as propriedades adsorventes de carvão ativado. Esse sistema foi testado em contaminantes orgânicos e inorgânicos e permite uma maneira eficiente e inovadora de remoção de contaminantes em meio aquoso. Nanohidrometalurgia magnética - Os efeitos de pré-concentração de nanopartículas superparamagnéticas modificadas foram utilizados para melhorar a eficiência dos processos hidrometalúrgicos atuais para produção de cobre metálico a partir de minérios com baixa concentração do metal, chegando - se ao estado da arte da técnica. / This thesis describes the development of applications of superparamagnetic magnetite nanoparticles, properly functionalized, in the following areas: Sensing - The superparamagnetic nanoparticles were used in conjunction with a small analytical system specially developed in this work for analysis of several heavy metals of great environmental significance. The important point of this methodology is the general increase in intensity of the analytical signal as a function of pre-concentration may be performed by use of superparamagnetic nanoparticles under the influence of an external magnetic field. Environmental Remediation - The high affinity of nanoparticles for various materials was used to obtain an environmental remediation system that combines the properties of magnetic nanoparticles and the properties of activated carbon adsorbents. This system was tested in organic and inorganic contaminants and provides a novel and efficient removal of contaminants in the aqueous medium. Magnetic Nanohydrometalurgy - The effects of pre-concentration fro the funcionalized superparamagnetic nanoparticles modified were used to improve the efficiency of the actual hydrometallurgical processes used for production of metallic copper from ores with low concentration of metal, showing good perspectives of improving the state of the art of this technique.

Esta tese descreve o desenvolvimento de aplicações de nanopartículas superparamagnéticas de magnetita, devidamente funcionalizadas, nas seguintes áreas: Sensoriamento - As nanopartículas superparamagnéticas foram utilizadas em conjunto com um pequeno sistema analítico especialmente desenvolvido para esse trabalho, na análise de diversos metais pesados de grande relevância ambiental. O ponto de destaque da metodologia é o grande incremento em intensidade do sinal analítico em função da pré-concentração que pode ser realizada mediante utilização das nanopartículas superparamagnéticas e aplicação de um campo magnético externo. Remediação ambiental - A grande afinidade das nanopartículas por diversos materiais foi aproveitada na obtenção de um sistema de remediação ambiental que combina as propriedades magnéticas das nanopartículas e as propriedades adsorventes de carvão ativado. Esse sistema foi testado em contaminantes orgânicos e inorgânicos e permite uma maneira eficiente e inovadora de remoção de contaminantes em meio aquoso. Nanohidrometalurgia magnética - Os efeitos de pré-concentração de nanopartículas superparamagnéticas modificadas foram utilizados para melhorar a eficiência dos processos hidrometalúrgicos atuais para produção de cobre metálico a partir de minérios com baixa concentração do metal, chegando - se ao estado da arte da técnica. / This thesis describes the development of applications of superparamagnetic magnetite nanoparticles, properly functionalized, in the following areas: Sensing - The superparamagnetic nanoparticles were used in conjunction with a small analytical system specially developed in this work for analysis of several heavy metals of great environmental significance. The important point of this methodology is the general increase in intensity of the analytical signal as a function of pre-concentration may be performed by use of superparamagnetic nanoparticles under the influence of an external magnetic field. Environmental Remediation - The high affinity of nanoparticles for various materials was used to obtain an environmental remediation system that combines the properties of magnetic nanoparticles and the properties of activated carbon adsorbents. This system was tested in organic and inorganic contaminants and provides a novel and efficient removal of contaminants in the aqueous medium. Magnetic Nanohydrometalurgy - The effects of pre-concentration fro the funcionalized superparamagnetic nanoparticles modified were used to improve the efficiency of the actual hydrometallurgical processes used for production of metallic copper from ores with low concentration of metal, showing good perspectives of improving the state of the art of this technique.