Purificação hidrometalúrgica do silício obtido por magnesiotermia

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2016.A redução magnesiotérmica da sílica é uma técnica alternativa de obtenção de silício metálico, através da reação da sílica com o magnésio metálico, produzindo óxido de magnésio e silício metálico, de acordo com a equação estequiométrica do processo: SiO2(s) + 2Mg(g) => 2MgO(s) + Si(s). Esta forma de redução revelou-se interessante pelo fato de consumir menos energia e não produzir efluentes gasosos, quando comparada com a redução carbotérmica, principal forma de obtenção do silício grau metalúrgico. Todavia o produto reacional formado é um pó que está física e ou quimicamente ligado, com cerca de 75% de óxido de magnésio e cerca de 25% de silício (além de outras espécies químicas de acordo com as condições de redução). Esta grande quantidade de MgO necessita ser separada do Si, para aproveitamento na indústria mundial. De acordo com a literatura a lixiviação ácida é uma técnica eficaz e bem sedimentada, empregada na solubilização de óxidos por um solvente ácido, como no caso específico do MgO por HCl, objetivando a concentração da espécie que se quer obter, neste caso o Si. Utilizou-se nesta dissertação um planejamento experimental fatorial para estudar o efeito da variação dos seguintes fatores: concentração (ácido clorídrico (HCl) em concentrações de 1, 2 e 3M), temperatura (50, 65 e 80ºC) e tempo (60, 90 e 120 min), com o intuito de obter silício metálico com purezas superiores a 94%, em uma única etapa. Além da lixiviação ácida, o material foi submetido a técnicas de caracterização (pó original e lixiviado) para conhecer suas características e quais os efeitos promovidos pela lixiviação. Os resultados foram comparados com outros estudos e especificamente o grau de pureza após a lixívia foi inter-relacionado com tabelas referenciais de silício metalúrgico e silício grau solar. As técnicas utilizadas na caracterização do material foram: determinação de fases mineralógicas por difração de Raios X, determinação da morfologia através da microscopia eletrônica de varredura ? MEV, distribuição do tamanho de partículas a laser, determinação da área superficial e volume de poros por BET e análise química elementar por espectrometria de emissão atômica por plasma acoplado indutivamente ? ICP OES. Essas técnicas provaram que o material original em pó (denominado redução 26) é composto por silício metálico, óxido de magnésio e tungstênio, não foram encontrados picos referentes a sílica e ou fosterita. O pó possui morfologia com tendência a esfericidade, em uma faixa de distribuição de tamanho de partículas entre 0,04 a 110 µm, possui área superficial total de poros de 1,5061 m2 g-1 e uma distribuição de poros(78%) entre 22 a 174 Å, podendo o mesmo ser considerado como um pó mesoporoso. Após os tratamentos verificou-se que a concentração é o principal fator que influi na lixiviação, havendo pequenos efeitos negativos combinados dos fatores temperatura e tempo, e efeitos positivos em menor proporção de todos os fatores combinados. Especificamente as lixívias com concentração de 1M de HCl, em todas das temperaturas e tempos não ultrapassaram 40% de fração lixiviada, evidenciando carência de reagente HCl. Com concentrações de 2M de HCl a conversão de MgO chegou no máximo a 52% de fração lixiviada, todavia com concentrações de 3M chegou-se a 76% de conversão, isto é, 99,66% de MgO extraído, resultado superior ao encontrado na literatura, em uma única etapa de lixiviação e com o mesmo material.Abstract : The magnesiotérmica reduction of silica is an alternative technique for obtaining metallic silicon by reaction of the silica with metallic magnesium to produce magnesium oxide and silicon metal, according to the procedure stoichiometric equation: SiO2 (s) + 2Mg (g) -> 2MgO (s) + Si (s). This way of reducing proved interesting because of consuming less power and does not produce emissions, when compared with the carbothermal reduction of the main form to obtain metallurgical grade silicon. However, the reaction product formed is a powder that is physically and or chemically bound with about 75% MgO and about 25% silicon metal (in addition to other chemical species under reducing conditions). This large amount of MgO needs to be separated from Si, for use in the global industry. According to the literature acid leaching is an effective and well sedimented technique employed in solubilizing oxides by an acid solvent, as in the specific case of MgO, aiming at concentration of the species to be obtained in this case Si. It was used in this work factorial experimental design to study the effect of varying the following factors: concentration (HCl hydrochloric acid at concentrations of 1, 2 and 3M), temperature (50, 65 and 80 ° C) and time (60, 90 and 120 min), in order to obtain metallic silicon with purities greater than 94% by one step. In the acid leaching, the material was subjected to characterization techniques (original and powder leached) to know their characteristics and which effects caused by leaching. The results were compared with the literature and specifically the purity after the leach was interrelated with reference tables metallurgical silicon and solar grade silicon. The techniques used in the characterization of the material were: determination of mineralogical phases by X-ray diffraction, determination of morphology by scanning electron microscopy - SEM, the laser particle size distribution, determination of surface area and pore volume by BET and elemental chemical analysis by atomic emission spectrometry by inductively coupled plasma - ICP OES. These techniques have proved that the powder material (called reduction 26) consists of silicon metal, magnesium oxide and tungsten were not found concerning peaks and silica or fosterita. The powder morphology has a tendency to sphericity, in a particle size distribution range of 0.04 to 110 micrometres has total surface area of pores of 1.5061 m 2 g -1 and a pore distribution (78%) of 22-174 Å, it may be considered as a mesoporous powder. After the treatments it was found that the concentration is the main effect of leaching within the specified levels, with little adverse effect ofcombined temperature and time, and positive effects in a smaller proportion of all factors combined. Specifically the lye with a concentration of 1 M HCl in all temperatures and times did not exceed 40% of leached fraction, suggesting lack of HCl reagent. HCl 2M concentrations converting MgO already reached 52% of leached fraction, however 3M concentrations was reached at 76% conversion, ie 99.66% of MgO extracted, higher than that found in the literature