Metalurgia extrativa - Extractive metallurgy

A metalurgia extrativa é um ramo da engenharia metalúrgica em que o processo e os métodos de extração de metais de seus depósitos minerais naturais são estudados. O campo é uma ciência de materiais , cobrindo todos os aspectos dos tipos de minério, lavagem, concentração, separação, processos químicos e extração de metal puro e suas ligas para atender a várias aplicações, às vezes para uso direto como produto acabado, mas mais frequentemente em um formulário que requer mais trabalho para alcançar as propriedades fornecidas para se adequar aos aplicativos.

O campo da metalurgia extrativa ferrosa e não ferrosa possui especialidades que se agrupam genericamente nas categorias de processamento mineral , hidrometalurgia , pirometalurgia e eletrometalurgia com base no processo adotado para a extração do metal. Vários processos são usados ​​para extração do mesmo metal dependendo da ocorrência e dos requisitos químicos.

Processamento de minerais

Artigo principal: Processamento de minerais

O processamento mineral começa com o beneficiamento, consistindo inicialmente em quebrar o minério nos tamanhos necessários, dependendo do processo de concentração a ser seguido, por britagem, moagem, peneiramento etc. Depois disso, o minério é fisicamente separado de qualquer impureza indesejada, dependendo da forma de ocorrência e / ou outro processo envolvido. Os processos de separação aproveitam as propriedades físicas dos materiais. Essas propriedades físicas podem incluir densidade, tamanho e forma de partícula, propriedades elétricas e magnéticas e propriedades de superfície. Os principais métodos físicos e químicos incluem separação magnética, flotação de espuma , lixiviação etc., em que as impurezas e materiais indesejados são removidos do minério e o minério de base do metal é concentrado, o que significa que a porcentagem de metal no minério é aumentada. Esse concentrado é então processado para remover a umidade ou então usado como está para a extração do metal ou transformado em formas e formas que podem sofrer processamento adicional, com facilidade de manuseio.

Os corpos de minério geralmente contêm mais de um metal valioso. Rejeitos de um processo anterior podem ser usados ​​como alimentação em outro processo para extrair um produto secundário do minério original. Além disso, um concentrado pode conter mais de um metal valioso. Esse concentrado seria então processado para separar os metais valiosos em constituintes individuais.

Hidrometalurgia

Artigo principal: Hidrometalurgia

A hidrometalurgia está relacionada a processos que envolvem soluções aquosas para extrair metais de minérios. A primeira etapa no processo hidrometalúrgico é a lixiviação , que envolve a dissolução dos metais valiosos na solução aquosa e / ou em um solvente adequado. Depois que a solução é separada dos sólidos do minério, o extrato é frequentemente submetido a vários processos de purificação e concentração antes que o metal valioso seja recuperado em seu estado metálico ou como um composto químico. Isso pode incluir precipitação , destilação , adsorção e extração com solvente . A etapa de recuperação final pode envolver precipitação, cimentação ou um processo eletrometalúrgico. Às vezes, os processos hidrometalúrgicos podem ser realizados diretamente no material de minério sem quaisquer etapas de pré-tratamento. Mais frequentemente, o minério deve ser pré-tratado por várias etapas de processamento mineral e, às vezes, por processos pirometalúrgicos.

Pirometalurgia

Artigo principal: Pirometalurgia
Diagrama de Ellingham para oxidação em alta temperatura

A pirometalurgia envolve processos de alta temperatura em que ocorrem reações químicas entre gases, sólidos e materiais fundidos. Sólidos contendo metais valiosos são tratados para formar compostos intermediários para processamento posterior ou convertidos em seu estado elementar ou metálico. Os processos pirometalúrgicos que envolvem gases e sólidos são caracterizados por operações de calcinação e torrefação . Os processos que produzem produtos fundidos são chamados coletivamente de operações de fundição . A energia necessária para sustentar os processos pirometalúrgicos de alta temperatura pode derivar da natureza exotérmica das reações químicas que ocorrem. Normalmente, essas reações são oxidação, por exemplo, de sulfeto em dióxido de enxofre . Freqüentemente, entretanto, a energia deve ser adicionada ao processo pela combustão de combustível ou, no caso de alguns processos de fundição, pela aplicação direta de energia elétrica.

Os diagramas de Ellingham são uma maneira útil de analisar as possíveis reações e, assim, prever seus resultados.

Eletrometalurgia

Artigo principal: Eletrometalurgia

A eletrometalurgia envolve processos metalúrgicos que ocorrem em alguma forma de célula eletrolítica . Os tipos mais comuns de processos eletrometalúrgicos são eletroextração e eletro-refino . A eletrolise é um processo de eletrólise usado para recuperar metais em solução aquosa, geralmente como resultado de um minério ter sido submetido a um ou mais processos hidrometalúrgicos. O metal de interesse é chapeado no cátodo, enquanto o ânodo é um condutor elétrico inerte. O eletro-refino é usado para dissolver um ânodo metálico impuro (normalmente de um processo de fundição) e produzir um cátodo de alta pureza. A eletrólise de sal fundido é outro processo eletrometalúrgico pelo qual o metal valioso foi dissolvido em um sal fundido que atua como o eletrólito, e o metal valioso se acumula no cátodo da célula. O processo de eletrólise do sal fundido é conduzido em temperaturas suficientes para manter o eletrólito e o metal sendo produzido no estado fundido. O escopo da eletrometalurgia tem uma sobreposição significativa com as áreas da hidrometalurgia e (no caso da eletrólise do sal fundido) da pirometalurgia. Além disso, os fenômenos eletroquímicos desempenham um papel considerável no processamento de muitos minerais e processos hidrometalúrgicos.

Ionometalurgia

Artigo principal: Ionometalurgia

O processamento mineral e a extração de metais são processos que consomem muita energia e não estão isentos de produzir grandes volumes de resíduos sólidos e águas residuais, que também requerem energia para posterior tratamento e descarte. Além disso, conforme a demanda por metais aumenta, a indústria metalúrgica deve contar com fontes de materiais com menores teores de metal, tanto de matérias-primas primárias (por exemplo, minérios) e / ou secundárias (por exemplo, escórias, rejeitos, resíduos municipais). Consequentemente, as atividades de mineração e reciclagem de resíduos devem evoluir para o desenvolvimento de rotas de processamento de minerais e metais mais seletivas, eficientes e ecologicamente corretas.

As operações de processamento mineral são necessárias primeiramente para concentrar as fases minerais de interesse e rejeitar o material indesejado associado física ou quimicamente a uma determinada matéria-prima. O processo, porém, demanda cerca de 30 GJ / tonelada do metal, o que representa cerca de 29% do total de energia gasta com mineração nos EUA. Enquanto isso, a pirometalurgia é um produtor significativo de emissões de gases de efeito estufa e poeira de combustão prejudicial. A hidrometalurgia envolve o consumo de grandes volumes de lixiviantes, como H2SO4, HCl, KCN, NaCN, que apresentam baixa seletividade. Além disso, apesar da preocupação ambiental e da restrição de uso imposta por alguns países, a cianetação ainda é considerada a principal tecnologia de processo para recuperação de ouro de minérios. O mercúrio também é usado por mineradores artesanais em países menos desenvolvidos economicamente para concentrar ouro e prata de minerais, apesar de sua óbvia toxicidade. A bio-hidro-metalurgia faz uso de organismos vivos, como bactérias e fungos, e embora esse método exija apenas a entrada de O2 e CO2 da atmosfera, ele requer baixas relações sólido-líquido e longos tempos de contato, o que reduz significativamente rendimentos espaço-tempo.

Ionometalurgia faz uso de solventes iônicos não aquosos, tais como líquidos iônicos (ILs) e solventes eutéticos profundos (DESs), o que permite o desenvolvimento de fluxogramas de circuito fechado para recuperar metais de forma eficaz, por exemplo, integrando as operações da unidade metalúrgica de lixiviação e eletroluição. Ele permite processar metais a temperaturas moderadas em um ambiente não aquoso que permite controlar a especiação do metal, tolera impurezas e ao mesmo tempo exibe solubilidades e eficiências de corrente adequadas. Isso simplifica as rotas de processamento convencionais e permite uma redução substancial no tamanho de uma planta de processamento de metal.

Extração de metal com fluidos iônicos

DESs são fluidos geralmente compostos de dois ou três componentes baratos e seguros que são capazes de se autoassociar, muitas vezes por meio de interações de ligações de hidrogênio, para formar misturas eutéticas com um ponto de fusão inferior ao de cada componente individual. Os DESs são geralmente líquidos em temperaturas inferiores a 100 ° C e exibem propriedades físico-químicas semelhantes aos ILs tradicionais, embora sejam muito mais baratos e ecologicamente corretos. A maioria deles são misturas de cloreto de colina e um doador de ligação de hidrogênio (por exemplo, ureia, etilenoglicol, ácido malônico) ou misturas de cloreto de colina com um sal de metal hidratado. Outros sais de colina (por exemplo, acetato, citrato, nitrato) têm um custo muito mais alto ou precisam ser sintetizados, e os DES formulados a partir desses ânions são tipicamente muito mais viscosos e podem ter condutividades mais altas do que o cloreto de colina. Isso resulta em taxas de galvanização mais baixas e menor poder de lançamento e, por esta razão, os sistemas DES à base de cloreto ainda são favorecidos. Por exemplo, o Reline (uma mistura 1: 2 de cloreto de colina e ureia) foi usado para recuperar seletivamente Zn e Pb de uma matriz de óxido de metal misto. Da mesma forma, Ethaline (uma mistura 1: 2 de cloreto de colina e etilenoglicol) facilita a dissolução do metal no eletropolimento de aços. DESs também demonstraram resultados promissores para recuperar metais de misturas complexas como Cu / Zn e Ga / As, e metais preciosos de minerais. Também foi demonstrado que os metais podem ser recuperados de misturas complexas por eletrocatálise, usando uma combinação de DESs como lixiviantes e um agente oxidante, enquanto os íons metálicos podem ser separados simultaneamente da solução por eletrodeposição.

Recuperação de metais preciosos por ionometalurgia

Os metais preciosos são elementos químicos metálicos raros e naturais de alto valor econômico. Quimicamente, os metais preciosos tendem a ser menos reativos do que a maioria dos elementos. Eles incluem ouro e prata, mas também os chamados metais do grupo da platina: rutênio, ródio, paládio, ósmio, irídio e platina (ver metais preciosos). A extração desses metais de seus minerais hospedeiros correspondentes normalmente exigiria pirometalurgia (por exemplo, torrefação), hidrometalurgia (cianetação) ou ambas como rotas de processamento. Os primeiros estudos demonstraram que a taxa de dissolução do ouro em Ethaline se compara muito favoravelmente ao método de cianetação, que é ainda melhorado pela adição de iodo como agente oxidante. Num processo industrial, o iodo tem potencial para ser utilizado como eletrocatalisador, sendo continuamente recuperado in situ do iodeto reduzido por oxidação eletroquímica no ânodo de uma célula eletroquímica. Os metais dissolvidos podem ser depositados seletivamente no cátodo, ajustando o potencial do eletrodo. O método também permite melhor seletividade, pois parte da ganga (por exemplo, pirita) tende a ser dissolvida mais lentamente.

A esperrilita (PtAs 2 ) e a monquita (PtTe 2 ), que são normalmente os minerais de platina mais abundantes em muitos depósitos orthomagmáticos, não reagem nas mesmas condições em Etalina porque são dissulfeto (pirita), diarseneto (esperrilita) ou diteluretos (calaverita e moncheite) minerais, que são particularmente resistentes à oxidação do iodo. O mecanismo de reação pelo qual a dissolução dos minerais de platina está ocorrendo ainda está sob investigação.

Recuperação de metais a partir de minerais de sulfeto com ionometalurgia

Sulfetos metálicos (por exemplo, pirita FeS 2 , arsenopirita FeAsS, calcopirita CuFeS 2 ) são normalmente processados ​​por oxidação química em meio aquoso ou em altas temperaturas. Na verdade, a maioria dos metais básicos, por exemplo, alumínio, cromo, deve ser (eletro) quimicamente reduzido em altas temperaturas, as quais o processo acarreta uma alta demanda de energia e, às vezes, grandes volumes de resíduos aquosos são gerados. Em meio aquoso, a calcopirita, por exemplo, é mais difícil de dissolver quimicamente do que a covelita e a calcocita devido aos efeitos de superfície (formação de espécies de polissulfeto). Foi sugerido que a presença de íons Cl - altera a morfologia de qualquer superfície de sulfeto formada, permitindo que o mineral de sulfeto lixivie mais facilmente, evitando a passivação. DESs fornecem uma alta concentração de íons Cl - e baixo conteúdo de água, enquanto reduzem a necessidade de altas concentrações adicionais de sal ou ácido, contornando a maioria dos óxidos químicos. Assim, a eletrodissolução de minerais sulfetados tem demonstrado resultados promissores em meios DES na ausência de camadas de passivação, com liberação para a solução de íons metálicos que podem ser recuperados da solução.

Durante a extração de cobre de minerais de sulfeto de cobre com Etalina, calcocita (Cu 2 S) e covelita (CuS) produzem uma solução amarela, indicando que o complexo [CuCl 4 ] 2− é formado. Enquanto isso, na solução formada a partir da calcopirita, as espécies Cu 2+ e Cu + coexistem em solução devido à geração de espécies redutoras de Fe 2+ no cátodo. A melhor recuperação seletiva de cobre (> 97%) da calcopirita pode ser obtida com uma mistura de DES de 20% em peso de ChCl-ácido oxálico e 80% em peso de Etalina.

Recuperação de metal a partir de compostos de óxido com Ionometalurgia

A recuperação de metais de matrizes de óxidos é geralmente realizada com ácidos minerais. No entanto, a dissolução eletroquímica de óxidos metálicos em DES pode permitir aumentar a dissolução em até mais de 10.000 vezes em soluções de pH neutro.

Estudos têm mostrado que óxidos iônicos como ZnO tendem a ter alta solubilidade em ChCl: ácido malônico, ChCl: ureia e Etalina, que podem se assemelhar às solubilidades em soluções ácidas aquosas, por exemplo, HCl. Óxidos covalentes, como TiO 2 , no entanto, quase não exibem solubilidade. A dissolução eletroquímica de óxidos metálicos é fortemente dependente da atividade do próton do HBD, ou seja, da capacidade dos prótons de atuarem como aceitadores de oxigênio, e da temperatura. Foi relatado que os fluidos iônicos eutéticos de valores de pH mais baixos, como ChCl: ácido oxálico e ChCl: ácido lático, permitem uma melhor solubilidade do que aquele de pH mais alto (por exemplo, ChCl: ácido acético). Portanto, diferentes solubilidades podem ser obtidas usando, por exemplo, diferentes ácidos carboxílicos como HBD.

Panorama

Atualmente, a estabilidade da maioria dos líquidos iônicos sob condições eletroquímicas práticas é desconhecida, e a escolha fundamental do fluido iônico ainda é empírica, pois quase não há dados sobre a termodinâmica de íons metálicos para alimentar os modelos de solubilidade e especiação. Além disso, não há diagramas de Pourbaix disponíveis, nenhum potencial redox padrão e conhecimento básico de especiação ou valores de pH. Deve-se notar que a maioria dos processos relatados na literatura envolvendo fluidos iônicos possui Nível de Prontidão de Tecnologia (TRL) 3 (prova de conceito experimental) ou 4 (tecnologia validada em laboratório), o que é uma desvantagem para implementação em curto prazo . No entanto, a ionometalurgia tem potencial para recuperar metais de forma eficaz de forma mais seletiva e sustentável, pois considera solventes ambientalmente benignos, redução da emissão de gases de efeito estufa e prevenção de reagentes corrosivos e nocivos.

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Leitura adicional

  • Gilchrist, JD (1989). "Extraction Metalurgy", Pergamon Press.
  • Mailoo Selvaratnam, (1996): "Guided Approach to Learning Chemistry