Desenvolvimento de reator eletroquímico de leito particulado para processo hidrometalúrgico de produção de cobre

Os processos hidrometalúrgicos atuais para produção de metais tais como zinco, cobre, níquel e cobalto, entre outros, empregam grandes tanques de eletrodeposição que demandam uma grande área devido à baixa corrente elétrica que deve ser aplicada para a obtenção de um depósito de qualidade. Neste projeto de pesquisa propõe-se o desenvolvimento de um novo equipamento para a eletrorrecuperação de metais a partir do extrato lixiviado do minério visando superar as limitações apresentadas anteriormente. Os equipamentos propostos, denominados reatores eletroquímicos tridimensionais de eletrodo de leito pulsante (ELP) e de eletrodo de leito de jorro (ELJ), são compostos por pequenas partículas que proporcionam uma área superficial específica elevada em pequenos volumes de equipamento, permitindo-se assim que valores de corrente elevados possam ser aplicados, diminuindo assim a necessidade de grandes tanques de eletrorrecuperação. Os diferentes eletrodos foram analisados em função da eficiência de corrente (EC), consumo energético (CE) e rendimento espaço-tempo (Y) do processo de eletrodeposição. No reator com ELP foram realizados planejamentos estatísticos para se determinar a condição otimizada do processo além de se conhecer qual a influência de cada variável independente no processo. Para isto foram realizados experimentos variando-se a densidade de corrente elétrica (i), o tempo de leito fixo (tp), o tempo de leito fluidizado (tf), a concentração de eletrólito suporte (Cs) e a espessura do reator (e). Verificou-se que o tempo de leito fluidizado apresenta efeito negativo no processo, devendo ser reduzido ao mínimo valor possível, que seja suficiente para realizar sua função de movimentar e homogeneizar as partículas, evitando aglomeração e curto-circuito. Verificou-se que um valor de tf igual a 2 s é suficiente para isto, desde que o pulso seja realizado de forma a misturar as partículas, evitando um curto-circuito. Durante o estado de leito fixo, melhores taxas de eletrodeposição de metais foram obtidas e, por esta razão, a variável tp deve ser maximizada. A i também deve ser maximizada para reduzir, ou mesmo impedir, a existência de zonas anódicas durante a fluidização do leito. Uma vez estabelecido que os baixos valores de EC foram atribuídos à existência de zonas anódicas, ficou evidente a necessidade de se reduzir a concentração de ácido sulfúrico (eletrólito suporte) ao limite mínimo de 100 g L-1, sendo que valores menores causam um aumento demasiado do potencial de célula e como consequência um crescimento dendrítico do eletrodepósito de cobre sobre a partícula, provocando o curto-circuito do sistema devido ao contato de eletrodepósito com o contra-eletrodo. Por fim, a condição ótima foi encontrada através do uso de técnicas estatísticas. Uma condição necessária para se melhorar a performance do reator eletroquímico foi a diminuição da espessura do reator, de maneira a melhorar a distribuição do sobrepotencial no eletrodo, diminuindo zonas de dissolução anódica. A condição ótima obtida para a eletrorrecuperação de cobre em ELP foi de 2600 A m-2, tp = 54 s,116 g L-1 de H2SO4 e espessura de 2,4 cm, proporcionando 100% de EC, 1,7 kWh kg-1 de CE e 76 kg m-3h-1 de Y, valores superiores aos obtidos no processo convencional da indústria hidrometalúrgica. A partir da experiência adquirida com o ELP, decidiu-se estudar a utilização do ELJ, uma vez que este reator também apresentaria características hidrodinâmicas promissoras para a eletrorrecuperação de cobre. Desta forma, foram estudadas as variáveis independentes densidade de corrente elétrica (i), concentração de eletrólito suporte (Cs), pH, temperatura do eletrólito (T) e espessura do eletrodo (e) sobre a EC, CE e Y do processo. No caso do ELJ foi utilizado como eletrólito suporte o sulfato e sódio e estudou-se o efeito do pH sobre o processo. Verificou-se que, da mesma forma que o observado para o ELP, a densidade de corrente deve ser maximizada para se evitar zonas anódicas, soluções mais concentradas de ácido favorecem a EC e diminuem o potencial de célula, melhorando o CE, pHs menores também diminuem o potencial de célula, entretanto interferem de forma negativa na EC, sendo que pHs menores que 1,0 devem ser evitados; a temperatura do eletrólito atuou de forma negativa, interferindo mais na reação de dissolução do que na de eletrodeposição. No caso do ELJ, a espessura do eletrodo não apresentou grandes melhorias no processo. A condição ótima obtida foi: 1,8 mol L-1 de Na2SO4; pH 1,0; T = 40 C e e = 2,1 cm, que proporcionou 97% de EC, 2,7 kWh kg-1 de CE e 109 kg m-3h-1 de Y. Com exceção do consumo energético, o ELJ apresentou valores bastante superiores aos encontrados na indústria, inclusive superiores aos obtidos no ELP, uma vez que operou a 100% de EC para diversas condições e apresentou rendimento muito superior ao do ELP. Todavia, comparando-se com as necessidades da indústria hidrometalúrgica, o ELP apresentou resultados mais favoráveis do que o ELJ, uma vez que um dos interesses principais da indústria é reduzir o custo do processo, ou seja, a característica mais importante para a indústria hidrometalúrgica de uma forma geral é o consumo energético do processo, de modo que uma diferença de apenas 100 mV no potencial de célula representa uma redução de custos considerável.Typical hydrometallurgical processes for metal production such as zinc, copper, nickel and cobalt, among others, are carried out in huge electrochemical tankhouses since only low current densities can be applied in order to obtain a good deposit quality. In this work, the development of a new equipment was proposed for metal electrowinning from the leached ore extract aiming to overcome the limitations reported. The two pieces of equipment proposed are called three-dimensional electrochemical reactors with pulsed-bed electrode (PBE) and spouted-bed electrode (SBE), which are composed of small particles that provide a great improvement in specific surface area, using only a small amount of reactor volume, allowing high current densities to be applied, consequently diminishing the need for huge electrowinning tankhouses. An analysis and comparison of these two electrodes were based on the dependent variables current efficiency (CE), energy consumption (EC) and space-time yield (Y), that are considered the most important variables affecting electrochemical processes and reactors. Designs of experiments (DoE) were carried out in order to determine the best conditions achievable and also to obtain a deep understanding of the influences of each variable on the electrowinning process. In order to do that, the current density (i), time of packed bed (tp), time of fluidized bed (tf), sulfuric acid concentration (Cs) and electrode thickness (e) were studied. It was verified that time of fluidized bed has a negative effect on the process and must be reduced to its minimal value, which is 2 s, that is enough to recirculate and mix the particles in order to prevent from electrode clogging and also short-circuit. During the packed bed, best electrodeposition rates are achieved and it must be increased to its maximum possible value. Current density also must be increased in order to prevent from anodic zones during the fluidization step. Once established that low CE values are due to existence of anodic zones, it was clear the need of reducing acid concentration to its minimum value (100 g L-1), since lower values would increase the cell potential (Ecell) and cause a dendritic growth that is the major cause of short-circuit. Finally, the best condition was obtained by the union of all this information, allied with the reduction of electrode thickness, in order to make the overpotential profile more even inside the electrode. Thus, the best condition for copper electrowinning using a PBE was 2600 A m-2 of i, 54 s of tp, 116 g L-1 of H2SO4 and 2.4 cm of electrode thickness, providing 100% of EC, 1.7 kWh kg-1of CE and 76 kg m-3h-1of Y. These values are considered much superiors to those found in the conventional copper electrowinning processes. From this experience, it was decided to study the copper electrowinning using a SBE which also have promising features in this field. In this way, the independent variables current density (i), supporting electrolyte concentration (Cs), pH, electrolyte temperature (T) and electrode thickness (e) were studied. It was verified that, in accordance with the results of PBE, the current density must be increased in order to prevent from anodic zones; more concentrated supporting electrolytes improve CE and also decrease Ecell; low pH values also decrease Ecell, although values lower than 1.0 depreciate CE; and the electrolyte temperature have more impact in the dissolution rate than in the electrodeposition rate. In this case, the electrode thickness doesnt improve much, thus the best condition obtained for copper electrowinning into the SBE was: 1.8 M Na2SO4; pH 1.0; T = 40 C and e = 2.1 cm, could achieve 97% EC, 2.7 kWh kg-1 CE and 109 kg m-3h-1 Y. With exception to the energy consumption, the SBE presented a better performance than the conventional reactors used in industry, even better than the PBE, once it worked at 100% CE in many conditions imposed. It also presented very much higher Y values than the PBE. Even though, taking into account the hydrometallurgical industry needs, the PBE presented results that would attend those needs, once cost is the major issue in most of industry. Moreover, a difference of only 100 mV in cell potential is responsible for a big reduction in energy consumption and, consequently, cost of production