Aula 05 Processos Extrativos

Processos Metalúrgicos

Prof. Marcelo Mendes

Processos ExtrativosPROCESSOS PIROMETALÚRGICOS

Processos de extração realizados em temperaturas muito acima da temperatura ambiente, são denominados de Processos Pirometalúrgicos.Os equipamentos utilizados para os processos são os fornos ou reatores, nos quais o calor necessário é obtido por meio de uma combustão.

A pirometalurgia, acomoda alguns processos, como:

•Calcinação;

•Ustulação;

•Fusão.

Processos ExtrativosPIROMETALÚRGIA - CALCINAÇÃO

Aquecimento de um minério para realizar a sua decomposição e a eliminação de um produto volátil.

Exemplo:PbCO3(s) PbO(s) + CO2(g)

A calcinação serve para eliminar o CO2,

formando assim um óxido metálico.

Processos ExtrativosPIROMETALÚRGIA - USTULAÇÃO

Tratamento térmico que causa reações químicas entre o minério e a atmosfera dos fornos.

Pode levar à oxidação (adição de oxigênio à substância, perda de

hidrogênio ou elétrons) e ou à redução (perde oxigênio, quando ganha

hidrogênio ou quando ganha elétrons).Processo importante da ustulação é a oxidação de

minerais de sulfeto, onde o metal é convertido em óxido.

Exemplos: 2 ZnS(s) + 3 O2(g) 2 ZnO(s) + 2 SO2(g)

2 MoS2(s) + 7 O2(g) 2 MoO3(s) + 4 SO2(g)

Mo: molibdênio

Processos ExtrativosPIROMETALÚRGIA - USTULAÇÃO

Em um metal menos ativo, como o mercúrio, o minério de sulfeto pode ser ustulado em metal livre, dada a reação:

HgS(s) + O2(g) Hg(g) + SO2(g)

Caso Particular:

Processos ExtrativosPIROMETALÚRGIA – FUSÃO

Processo em que os materiais formados são separados em duas ou mais camadas, geralmente envolve um processo de calcinação (liberação de CO2) no mesmo forno.

Camadas importantes formadas no fundidor: metais fundidos e escória.

Metal fundido: pode consistir em apenas um metal, ou pode ser uma solução de dois ou mais.

Escória: considerada impureza, formada principalmente por metais de silicato, com aluminatos, fosfatos e outros compostos iônicos.

CaO(l) + SiO2(l) CaSiO3(l)

Processos ExtrativosPROCESSOS PIROMETALÚRGICOS DO FERRO

As fontes mais importantes de ferro sãoHematita: Fe2O3 Magnetita: Fe3O4

A redução (perda de oxigênio) ocorre em um alto-forno.

O minério, o calcário e o coque são adicionados ao topo do altoforno.

Coque é o carvão que foi aquecido para expelir os componentes voláteis.

Processos ExtrativosPROCESSOS PIROMETALÚRGICOS DO FERRO

O coque reage com o oxigênio para formar CO (o agente redutor):

2C(s) + O2(g) → 2CO(g)

O CO é também produzido pela reação do vapor d’água no ar com C:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Uma vez que o alto-forno fica quente demais, adiciona-se vapor d’água para resfriá-la sem interromper a química.

Processos ExtrativosPROCESSOS PIROMETALÚRGICOS DO FERRO

Em torno de 250°C, o calcário é calcinado (aquecido para decomposição e eliminação dos voláteis).

Também em torno de 250°C, os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO:

Fe3O4(s) + 4CO(g) → 3Fe(s) + 4CO2(g),Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(s) + 4H2O(g)

O ferro fundido é produzido bem abaixo no alto-forno e removido no fundo.

A escória (materiais de silicato fundido) é removida acima do ferro derretido: CaO(l) + SiO2(l) CaSiO3(l)

Processos ExtrativosPROCESSO PIROMETALÚRGICO DO FERRO

No forno, o oxigênio reage com o carbono do coque para formar monóxido de carbono.

2C(s) + O2(g) → 2CO(g)

O vapor de água presente no ar também reage com o carbono, formando tanto monóxido de carbono quanto hidrogênio.

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

No topo do forno, o calcário se decompõe formando CaO e CO2. E, no mesmo local, os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO e H2.

Fe3O4(s) + 4CO(g) → 3Fe(s) + 4CO2(g)

Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(s) + 4H2O(g)

Processos ExtrativosPROCESSOS HIDROMETALÚRGICOS

• Os processos hidrometalúrgicos ou processos úmidos de extração é a extração de metais de minérios com a utilização de água.

• É dispensado o uso de matérias-primas de alto custo: combustíveis, fundentes (coque) e refratários (processo pirometalúrgico), assim como da energia elétrica (alto custo / processo eletrometalurgico).• A hidrometalurgia usa a lixiviação, que consiste no tratamento do minério com soluções aquosas, para dissolver e precipitar os metais.

Processos ExtrativosPROCESSOS HIDROMETALÚRGICOS

• Lixiviação é o processo de extração de uma substância presente em componentes sólidos através da sua dissolução num líquido. É um termo utilizado em vários campos da ciência, tal como a geologia, ciências do solo, metalurgia e química.• Em metalurgia, a lixiviação é utilizada na separação de metais com valor comercial de um outro minério associado, por meio de solução aquosa de maneira barata por dispensar o beneficiamento do minério e, em outros casos, para se fazer a remoção de impurezas.

Processos ExtrativosPROCESSOS HIDROMETALÚRGICOS

As aplicações tradicionais da Hidrometalurgia incluem a produção de cobre, zinco, ouro, prata, alumina, níquel, titânio, urânio, dentre outros.

De modo geral, as operações hidrometalúrgicas compreendem três fases:

1ª) dissolução do material em água pura ou com determinados reagentes;

2ª) separação do resíduo e depuração da solução obtida; e

3ª) precipitação do metal dessa solução por tratamento químico ou eletrolítico.

Processos ExtrativosPROCESSOS HIDROMETALÚRGICOS

A hidrometalurgia é aplicável quando se pode dissolver uma combinação do metal desejado num solvente apropriado, que pode ser um ácido, uma base ou um sal.

Por exemplo:

•Na produção de cobre (Cu) e zinco (Zn), usa-se ácido sulfúrico diluído (H2SO4); •O cianeto de sódio (NaCN), um sal, é usado para

separar tanto o ouro (Au) como a prata (Ag) de seus minérios;

Processos ExtrativosHIDROMETALÚRGIA DO ALUMÍNIO

•Dentre os metais o alumínio só perde para o ferro no uso comercial.

•A bauxita (Al2O3), o mais útil mineral de alumínio, tem como principais impurezas presentes o SiO2 e Fe2O3. O processo usado para purificar a bauxita é o Processo Bayer que é um procedimento hidrometalúrgico .•Processo Bayer consiste em transformar a

bauxita em alumina através de processo hidro e pirometalúrgico.

Processos ExtrativosPROCESSO BAYER

O minério triturado é dissolvido em numa solução aquosa de soda cáustica NaOH (30% em massa) a 150 - 230°C e alta pressão (30 atm para impedir a ebulição);

Al2O3 + 3H2O(l) + 2NaOH(aq) → 2NaAl(OH)4(aq) (hidrometalúrgico)

Fe2O3 (hematita) não é solúvel e é retirado após filtração.

2NaAl(OH)4(aq) → 2Al(OH)3(s) + 2NaOH(aq) (precipitação)

SiO2 (dióxido de silício) continua em suspensão.

2Al(OH)3(s) + calor → Al2O3 + 3H2O(aq) (pirometalúrgico)

Processos ExtrativosPROCESSOS ELETROMETALÚRGICOS

Engloba os processos de redução de minerais metálicos através da eletrólise. Esses processos são importantes para obtenção de metais como alumínio, sódio e magnésio.

Eletrometalurgia do Alumínio: Alumina (Al2O3)

sem contaminantes, pós Processo Bayer, dissolvido em um condutor de corrente elétrica e sofrerá eletrólise.

Este é o chamado processo de Hall e apresenta rendimento comercial de cerca de 25%. (4000kg de Bauxita para formar 1000kg de Alumínio).

Processos ExtrativosELETROMETALURGIA DO ALUMÍNIO

A partir da alumina gerada (Al2O3) pelo Processo Bayer é que irá ocorrer a transformação da alumina em alumínio metálico.

Antes: fundição da alumina a 2.000 oC;

Charles Martin Hall aperfeiçoou em 1896: dissolveu a alumina em criolita (Na3AlF6 hexafluoraluminato de sódio) fundida diminuiu a temperatura para 1.000oC;

Atualmente, a alumina é dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de alumínio (AlF3);

Por ter baixo ponto de fusão, a criolita, é usada como fundente em metalurgia do alumínio, como solvente no processo eletrolítico da extração do Al da bauxita.

PROCESSOS ELETROMETALÚRGICOS

Processos Extrativos

A mistura obtida é colocada numa cuba eletrolítica e sofre uma reação de eletrólise. Nessa etapa, o óxido de alumínio é transformado (reduzido) em alumínio metálico (Al).

2Al2O3 → 4Al + 3O2

O oxigênio se combina com o carbono, desprendendo-se na forma de dióxido de carbono. O alumínio líquido (Al(l)) se precipita no fundo da cuba eletrolítica e, a seguir, é transferido para a refusão, onde são produzidos os lingotes, as placas e os tarugos.

Em termos de rendimento, para produzir 1kg de alumínio utiliza-se 2 kg de alumina, 100g de criolita e 10kW de energia elétrica.

PROCESSOS ELETROMETALÚRGICOS

ELETROMETALURGIA DO ALUMÍNIO

Processos ExtrativosPROCESSOS ELETROMETALÚRGICOS

Processo Bayer

ELETROMETALURGIA DO ALUMÍNIO

Processos ExtrativosPROCESSO ELETROMETALÚRGICO DO SÓDIO

• Um protetor de ferro é usado para separar o Na e o Cl (para que o NaCl não se forme outra vez).

• No anodo de carbono (polo +) se dirigem os ânions de cloro para oxidação:

2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-

• No cátodo de ferro (polo -) se dirigem os cátions de sódio para redução.

2Na+(aq) + 2e- → 2Na(l)

Cloreto de Sódio (NaCl) fundido (p.f. reduzido 804ºC 600ºC pelo uso CaCl2) é eletrolisado em uma célula especialmente desenvolvida, chamada Célula de Downs.