Produção de um filme de cobre por eletrodeposição

Outubro 2012

Produção de um filme de cobre por

eletrodeposição

Realizado no âmbito da disciplina de Projecto FEUP Realizado pelo grupo 1LCEEMG01_02 André Regado António Correia Artur Silva Beatriz Maques Raquel Sobral Ricardo Santos

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Projecto FEUP

Página 2

Resumo

Ao longo destas 4 semanas a nossa equipa do projeto FEUP realizou um trabalho

sobre a eletrodeposição do Cobre. Este projeto requereu duas vertentes, uma mais

focalizada na pesquisa de informação na qual fomos auxiliados por técnicas adquiridas

no decorrer da semana de receção ao aluno e, outra mais prática que consistiu na

elaboração de um relatório, um poster, uma apresentação powerpoint e uma

experiência laboratorial.

Agradecimentos

A equipa agradece toda a formação recebida pelos palestrantes durante a semana de

receção e como não poderia deixar de ser, um especial apreço à nossa orientadora de

projeto, Professora Filomena Viana, e ao nosso monitor, Ricardo Sousa.


Página 3

Índice Resumo .................................................................................................................................... 2

Agradecimentos ....................................................................................................................... 2

Introdução ................................................................................................................................ 4

Importância do cobre: propriedades e aplicações ..................................................................... 5

Minérios de cobre .....................................................................................................................6

Tipos de exploração de Cobre .............................................................................................. 7

Reservas Mundiais de Cobre ................................................................................................ 8

Reservas de Cobre em Portugal..........................................................................................8

As 10 maiores produtoras de Cobre do Mundo ....................................................................9

Extração e produção de cobre ................................................................................................ 10

Electrodeposição – Trabalho prático ...................................................................................... 13

Objectivo ........................................................................................................................... 13

Processo experimental ...................................................................................................... 13

Resultados ......................................................................................................................... 15

Conclusão ............................................................................................................................... 13

Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 17


Página 4

Introdução

Este trabalho tem como objetivo demonstrar a importância do cobre e as suas aplicações e, também, como ocorre a sua extração e produção. Iremos referir igualmente o tipo de minas e suas localizações.

Realizou-se uma experiência em que o seu objetivo era a produção de um filme

de cobre por eletrodeposição, processo esse que é comum à produção do mesmo.


Página 5

Importância do cobre: propriedades e aplicações

Atualmente o cobre (Cu) tem uma grande importância na nossa sociedade. Ao

longo dos tempos, foram feitas novas descobertas em relação a este metal, o que o

tornou essencial para a nossa comunidade.

O cobre tem diversas propriedades que o tornam tão característico e único,

tais como o facto de ser um material extremamente dúctil e apresentar uma coloração

avermelhada, ou seja, pode ser facilmente trabalhado e usado na arquitetura; depois

da prata é o melhor condutor da eletricidade e do calor, tornando-se esta uma

propriedade fundamental e básica do cobre; aparece na constituição de várias

enzimas do corpo humano, ou seja, é um nutriente essencial na dieta humana

principalmente para facilitar a absorção do ferro pelo nosso organismo. Para além

disso, o cobre é também resistente ao fogo, às trocas de temperatura e aos agentes

biológicos, é um material reciclável e não é magnético. Duas outras propriedades

extremamente importantes, na nossa opinião: o facto de o cobre ser resistente à

corrosão, devido à sua baixa reatividade, em alguns meios, o que permite também

que o cobre seja o material ideal para certos tipos de tubagens, etc, e que permite que

este apresente uma vida útil de aproximadamente 100 anos. O cobre é combinado

com outros metais com a finalidade de produzir várias ligas metálicas. Cada elemento

adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características, como por

exemplo, maior dureza, resistência a corrosão, resistência mecânica ou, até, para

obter uma cor especial.

Fig. 1- Relação das ligas de cobre (Arquivado no curso de Eng. Mecânica na

UniFOA)


Página 6

Latões – Cobre e zinco

Bronze – Cobre e estanho

Cobre e Alumínio

Cuproníquel – Cobre e níquel

Alpacas – Cuproníquel constituído por zinco

Minérios de cobre

O Cobre é um elemento metálico que se encontra disperso na crosta terrestre,

em concentrações relativamente pequenas, geralmente expressas em gramas por

toneladas (g/t). Nos locais onde a concentração decerto mineral ultrapassa

razoavelmente a média de distribuição na crosta, considera-se a existência de um

jazigo mineral. O minério é um mineral metalífero com valor económico para permitir

a extração do metal de forma rentável e o material rochoso que não tem interesse

económico, e que é rejeitado ao longo do processo de mineração, é designado por

ganga.

Salvo raras exceções (ouro, prata, cobre, etc.) os metais não se encontram

sempre na Natureza como elementos livres. Ocorrem frequentemente como

sulfuretos, óxidos, carbonatos, etc. Assim, existem vários tipos de minérios aos quais

são possíveis extrair cobre, sendo os mais utilizados os sulfuretos e os óxidos. Os

sulfuretos são mais encontrados em zonas mais profundas da crosta terrestre com

maior teor em cobre enquanto, os óxidos são de origem mais superficial e menor teor

em cobre. Dentro do grupo dos sulfuretos os minérios com mais importância

económica são a calcopirite (CuFeS2, com 34,6 % de Cu), a calcocite (Cu2S, com 79,9 %

de Cu), a bornite (Cu5FeS4, com 63, 3 % de Cu), a covellite (CuS, com 66,4% de Cu) e a

enargite (Cu3AsS4, com 48,3% de Cu). Os óxidos mais importantes são cuprite (Cu2O,

com 88,8% de Cu), e a tenorite (CuO, com 79,8% de Cu).


Página 7

Tipos de exploração de Cobre

A exploração mineira do cobre pode ser feita de duas maneiras; em minas de

céu aberto e em galerias subterrâneas ou poços.

É mais frequente a nível mundial, utilização de minas a céu aberto para a

exploração do minério de cobre pois, permite o aproveitamento de depósitos de cobre

de baixo teor, até 0.5%. Estas minas tem uma estrutura desenvolvida de acordo com

as condições topográficas e geológicas da jazida.

As minas subterrâneas são utilizadas quando o minério se encontra em

grandes profundidades e há uma limitação económica na remoção do volume de

ganga que é inevitável nas minas a céu aberto, pois é necessário remover grandes

quantidades de materiais rochosos sem qualquer tipo de interesse económico. As

estruturas deste tipo de exploração mineira são formadas por um sistema de galerias,

câmaras ou poços, alimentados por uma rede de energia, ventilação e de água,

montado de acordo com as técnicas da geologia, engenharia e economia. Sendo

assim este é um sistema mais dispendioso que o sistema anterior.

Fig.2- Mina no Chile (S.Domingo’s Blog)


Página 8

Reservas Mundiais de Cobre

Existem reservas de cobre espalhadas por todo mundo, porém as oito principais

reservas a nível mundial estão representadas nos gráficos da fig.3 e fig.4. A partir dos

gráficos, pode-se observar que, aproximadamente, um quarto das reservas a nível

mundial estão localizados no Chile, seguindo-se os Estados Unidos da América com

13.9% das reservas. Desta forma, conclui-se, que dos oito referidos, estes dois países

possuem as principais reservas mundiais de cobre.

A nível nacional existem minas localizadas na região do Alentejo, sendo elas a

mina de Aljustrel e a mina de Neves Corvo. A mina de Neves Corvo constitui a maior

reserva de cobre da União Europeia.

Fig. 3 - Reservas Mundiais de Cobre (Dicionário de mineralogia – Pércio de Moraes Branco)

24,6

13,9

6,2 5,7 5,5

5,2 4,6

1,8

32,5

Reservas Mundiais de Cobre (em %)

Chile

E.U.A.

Perú

China

Polónia

Zâmbia

Rússia

Brasil

Outros


Página 9

Fig. 4 - Reservas Mundiais de Cobre (Dicionário de mineralogia – Pércio de Moraes Branco)

As 10 maiores produtoras de Cobre do Mundo

Os 10 maiores produtores de cobre representam cerca de 50 por cento da

produção total de cobre em todo o mundo.

A Codelco (Corporação Nacional de Cobre do Chile) é a maior produtora de

cobre de todo o mundo, possuindo quase 10% das reservas mundiais de cobre. A

atividade principal é a exploração de cobre, e o processamento deste até que se torne

cobre refinado para comercialização. [www.codelco.com]

A Freeport-McMoRan Copper & Gold é uma empresa americana que produz

cerca de 9% do total mundial estimado de cobre extraído. [www.fcx.com]

A BHP Billiton é uma organização australiana, distribuída por todo mundo, que

explora uma das maiores minas do mundo de cobre, localizado no deserto chileno de

Atacama. [www.bhpbilliton.com]

A Xstrata Plc é uma empresa suiça, produtora de cobre e de outros metais, que

tem instalações de cobre localizados na Austrália, Chile, Peru, Argentina e Canadá.

[www.xstrata.com]

No caso da Rio Tinto Group, as suas fontes de exploração de cobre incluem

Kennecott Utah Copper, que está em operação, há mais de 100 anos, e também o

Bingham Canyon, mina perto de Salt Lake City, além disso tem uma participação de

40% da produção da mina Grasberg na Indonésia e de 30% na mina de cobre Minera

Escondida no deserto chileno de Atacama. [www.riotinto.com]

A Anglo American Plc é uma empresa de exploração e produção de cobre cuja

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

Reservas Mundiais de Cobre

Reservas (em mil toneladas)


Página 10

sede está em Londres desde 1999. Esta empresa atua na Europa, norte e sul da

América, África e Ásia, incluindo Austrália [www.angloamerican.com]

O Grupo México é a maior empresa de mineração do México, opera em 13

minas nos EUA, México e Peru. Os locais de exploração mais importantes da empresa

incluem o complexo Cananea, no México, bem como as minas Toquepala Cuajone no

Peru. [www.gmexico.com]

A Glencore International é uma empresa suiça produtora de cobre que incide

as sua exploraçã na Mineração Katanga, na República Democrática do Congo, na mina

Mopani, na Zâmbia, na propriedade da mina Cobar na Austrália e na propriedade na

Philippine Associated Smelting and Refining Corporation (PASAR), nas Filipinas.

[www.glencore.com]

A Southern Copper Corporation é uma produtora de cobre americana com

grandes operações no México e Peru. O Grupo México atualmente possui 75,1% da

empresa. As principais explorações incluem o Cuajone e minas Toquepala, no Peru, e

Cananea, no México. [www.southernperu.com]

A KGHM Polska Miedz SA é uma das maiores empresas da Polónia. A KGHM

opera três minas: Lubin, Rudna e Polkowice-Sierszowice, que produzem cobre

juntamente com quantidades significativas de prata.

[www.kghm.pl/index.dhtml?lang=en]

Extração e produção de cobre

Há dois tipos de minérios sulfurosos, mais comuns onde o cobre se encontra. O

mais viável economicamente é a calcopirite, que é constituída, para além do cobre,

por enxofre e ferro. Existe também a calcosite que é constituída, apenas por cobre e

enxofre.

É pelo calor que são geralmente tratados estes minérios, mas também existe

um processo de extração eletrolítico. Antes de se submeter aos diversos tratamentos,

os minérios são submetidos a uma preparação mecânica que tem por objetivo

enriquece-los, eliminando todos os elementos não contendo metal. Entre estas

operações, citam-se a moagem e a flutuação. Este último método, ocorre num

depósito com água e produtos químicos, onde existe uma entrada por onde o ar é

soprado. As partículas que não contêm cobre são encharcadas pela solução de água e

produtos químicos, formando um lodo, designado de ganga, e vão para o fundo do

tanque. Como o minério sulfuroso flutua, porque não se mistura na água, o sulfureto


Página 11

de cobre e o sulfureto de ferro fixam-se nas bolhas de ar sopradas, formando uma

espuma concentrada na superfície do tanque, a qual é recolhida e desidratada

(secagem). Deste modo obtemos um concentrado com 15 a 30 % de cobre.

Fig. 5 – Processo de flutuação em que o cobre fica retido na espuma e os outros metais migram para o fundo da tina (Revista escola de minas – Escola politécnica da Universidae de São Paulo, Brasil)

A próxima etapa é o aquecimento do composto num forno de revérbero, na

presença de oxigénio. Boa parte do enxofre e das impurezas do concentrado são

eliminadas. O material obtido nesta etapa tem entre 35 a 55 % de cobre, sendo ele

designado de mate.

Fig. 6 – Produção do mate num forno de revérbero (Cobre e suas ligas - Universidade federal rural do semi-árido, engenharia mecânica)


Página 12

Posteriormente o mate irá para um conversor. Este forno tem a forma de um

cilindro onde acontece a oxidação do mate para que o enxofre e o ferro sejam

eliminados por completo. Deste modo, obtém-se o cobre bruto, ou cobre blister, com

98 a 99 % de pureza que está pronto para ser refinado.

Nesta última etapa, dispõem-se de dois tipos de refinação: A térmica e a eletrolítica. Na térmica, o cobre em bruto é fundido para que as impurezas restantes sejam eliminadas. O cobre purificado, assim obtido, contém um nível de pureza superior a 99%, sendo o mais utilizado comercialmente;

Na eletrolítica, o cobre é vazado em placas que constituem os ânodos e que

mergulham num banho de sulfato de cobre e sulfato de ferro. O cátodo é formado por

uma folha fina de cobre puro. Durante a passagem de uma corrente contínua no

banho, o ánodo (Cu) oxida-se e os iões de Cu²+ depositam-se sobre o cátodo enquanto

que os iões SO42- combinam-se com os metais dos ânodos e originam sulfatos que

regeneram o eletrólito. Obtém-se, assim, uma filtragem seletiva do cobre por

eletrodeposição, em que a sua pureza é de 99,98%.

Fig. 7 – Processo de eletrólise (Eletrólise FQM03, Lucien Silvano Alhanati)

Para além da extração de sulfuretos, existe a extração de óxidos que se realiza através

do processo designado EX-SW (solvent extraction and eletrowinning).

Este cobre é obtido a partir de soluções com cobre dissolvido resultantes de lixiviação,

ácida em geral, que são submetidas à operação conjunta de extração por solventes

(Solvent Extration) e eletrodeposição (Eletrowinning) do cobre, sem necessidade de

fundição ou refinação.


Página 13

Eletrodeposição – Trabalho prático

Objetivo

A componente prática deste trabalho teve como principal meta o estudo de um

procedimento do processo de eletrodeposição, isto é, a determinação das condições

de eletrodeposição e a sua implementação em laboratório. No final foi calculado

rendimento do nosso protocolo experimental.

Procedimento experimental

Duração da experiência (preparação): 30 min

Material:

-Químicos:

-Eletrólito (solução de 40 g CuSO4• 5H2O + 5.0 mL de solução concentrada de

H2SO4 em água destilada para perfazer uma solução de 200 mL)

- cátodo

-ânodo

- Vinagre

-NaCl

-Equipamento:

-Fonte de alimentação

-Crocodilos

-Gobelé

Fig. 8- Esquema da actividade prática


Página 14

Procedimento

1- Verter 200 mL da solução de eletrólito para o gobelé

2- Ligar os fios condutores aos da fonte de alimentação

3- Limpar a moeda com uma mistura de 3 g de NaCl e 15 mL de vinagre;

enxaguar e secar.

4- Medir as dimensões da moeda com um paquímetro e determinar a sua área.

5- Pesar moeda.

6- Enrolar firmemente a uma extremidade do fio de cobre à volta da moeda,

deixando 5-6 cm de fio livre.

7- Ligue os fios de cobre à fonte de

alimentação através dos crocodilos

8- Regular a intensidade da corrente para 1 A.

9- Deixar a célula eletrolítica atuar entre 30-60

min. (Registar o tempo exato de trabalho da

célula)

10- Registar a intensidade da corrente

11- Retirar a moeda do banho, secar, com

devida precaução para não perder nenhum do

cobre electro depositado, e medir a massa registando-a.

12- Calcular:

a- o número de coulombs da carga que passa pela célula eletrolítica.

b- o número teórico de moles de cobre que deveriam ter sido

depositadas.

c- o número de moles de cobre que foram depositados.

d- o rendimento do processo.

Fig.9- Resultado da electrodeposição


Página 15

Resultados

Sendo (massa teórica depositada ) e (massa real formada)

vamos calcular o rendimento ( ):

I= 1A

t=30 min=30×60=1800 s

M=63.546


Página 16

Conclusão

Com a realização deste trabalho concluímos que o cobre tem um grande impacto na

nossa sociedade e que existe em grande quantidade a nível mundial. Na parte prática

deste trabalho pudemos concluir que a eletrolise poderia ser um processo comum à

produção de cobre mas, pouco viável quando realizado a pequenas dimensões, visto

que o rendimento da experiência foi muito baixo. Porém, este processo é utilizado em

grande escala, o que significa que é rentável e que as condições em que se realizam

em nada se podem comparar às condições em que foi realizada a nossa experiência

laboratorial.


Página 17

Referências Bibliográficas

Masterton, W.L., Slowinski, E.J., and Stanitski, C.L., Chemical Principles, Saunders College Publishing, 1985, p. 701.

Extração do cobre disponível em http://www.youtube.com/watch?v=lJlFwX5iNF4; acedido a 12/10/2012

Masterton, W.L., Slowinski, E.J., and Stanitski, C.L., Chemical Principles,

O cobre brasileiro em ascenção no cenário mundial, Maria Lúcia Amarante de Andrade, Luiz Maurício da Silva Cunha, Guilherme Tavares Gandra disponível em http://www.bndespar.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/conhecimento/bnset/set1302.pdf; acedido a 12/10/2012

Cobre, José Admário Santos Ribeiro disponível em http://www.dnpm.gov.br/assets/galeriadocumento/balancomineral2001/cobre.pdf; acedido a 11/10/2012

Dicionário de Mineralogia - Pércio de Moraes Branco

Codelco - Corporación Nacional del Cobre de Chile disponível em

http://www.codelco.com;acedido a 12/10/2012

Free-Port McMoran Copper abd Gold disponível em www.fcx.com; acedido a 12/10/2012

( BHP Biliton) disponível em www.bhpbilliton.com; acedido a 12/10/2012

Glencore international plc disponível em www.glencore.com; acedido a 12/10/2012

Grupo México disponível em www.gmexico.com; www.southernperu.com; acedido a 12/10/2012

KGHM Polska Miedź S.A. disponível em www.kghm.pl/index.dhtml?lang=en;

acedido a 12/10/2012

http://www.kghm.pl/index.dhtml?lang=en

Documents

Produção de um filme de cobre por eletrodeposição