Efeito do processamento da fração piritosa da mineração de carvão sobre as propriedades elétricas e ópticas

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.O elevado coeficiente de absorção óptica e band gap de 0,95 eV da pirita fazem deste composto, dissulfeto de ferro (FeS2), um excelente fotocatalisador e um material atrativo para aplicação em dispositivos fotovoltaicos, fotodetectores, fotocapacitores, etc. Considerando o fato de que 10 a 15% dos rejeitos da mineração de carvão correspondem a uma fração residual rica em pirita, as propriedades elétricas e ópticas do resíduo piritoso do sul catarinense foram avaliadas a partir do processamento por moagem de alta energia, da variação composicional por meio de técnicas de beneficiamento mineral e da dopagem com cobre em solução. A composição foi estabelecida como uma variável de análise porque a quantidade de FeS2 no resíduo piritoso, segundo o seu teor de enxofre de 24,12%, é inferior a 50% e as caracterizações mostraram que ele é composto também por sulfato ferroso, quartzo e calcita, apresentando uma elevada resistividade elétrica de 3,8 × 106 O.cm. Extraindo o sulfato ferroso e a calcita com um beneficiamento em meio aquoso (lixiviação, decantação e suspensão), a resistividade foi reduzida para 2,5 × 103 O.cm. A pirita da mineração de carvão é um semicondutor tipo n e contribuem para o tipo de portador de carga majoritário os elementos Al, Si, Ti, Ni, Cu e, possivelmente, Cr e Mn presentes em sua composição. A oxidação do mineral durante o beneficiamento resultou em uma camada superficial deficiente em ferro que diminuiu a mobilidade dos portadores de carga. Esse efeito negativo foi minimizado pela dopagem com cobre e, com o processo, uma resistividade elétrica de 48 O.cm foi alcançada. Comparando o material submetido à moagem de alta energia com a amostra cominuída por métodos convencionais em britador mandíbula, moinho de discos e moinho excêntrico com esferas de alta alumina, foi constatado que a mobilidade dos portadores de carga também é prejudicada por imperfeições cristalinas resultantes do processamento mecânico. O band gap indireto das amostras variou de 1,34 a 1,65 eV, aumentando com o grau de oxidação e dopagem (intencional e não intencional) com metais de transição. No geral, as propriedades da pirita da mineração de carvão beneficiada em meio aquoso e dopada com cobre se aproximaram das de outras sintéticas e naturais relatadas na literatura.Abstract: Pyrite's high optical absorption coefficient and band gap of 0.95 eV make this compound, iron disulfide (FeS2), an excellent photocatalyst and attractive material for application in photovoltaic devices, photodetectors, photocapacitors, etc. Considering that 10-15% of the coal mining waste corresponds to a pyrite-rich residual fraction, the electrical and optical properties of the southern Santa Catarina pyrite waste were evaluated from the high-energy milling processing, compositional variation by mineral beneficiation techniques, and doping with copper in solution. The composition was established as an analysis variable because the amount of FeS2 in the pyrite waste, according to its sulfur content of 24.12%, is less than 50% and the characterizations showed that it is also composed of ferrous sulfate, quartz and calcite, presenting a high electrical resistivity of 3.8 × 106 O.cm. Extracting ferrous sulfate and calcite with beneficiation in water medium (leaching, decantation and suspension), the resistivity reduced to 2.5 × 103 O.cm. Coal mining pyrite is an n-type semiconductor and the elements Al, Si, Ti, Ni, Cu and possibly Cr and Mn present in its composition contribute to majority carrier type. The oxidation of the mineral during beneficiation resulted in an iron deficient surface layer that reduced the carrier mobility. This negative effect was minimized by doping with copper and with the process, an electrical resistivity of 48 O.cm was achieved. Comparing the material subjected to high-energy milling with the comminuted sample by conventional methods in jaw crusher, a disc mill and an eccentric mill with high alumina spheres, it was found that the carrier mobility is also impaired by crystalline imperfections resulting from mechanical processing. The indirect band gap of the samples ranged from 1.34 to 1.65 eV, increasing with the oxidation and doping degree (intentional and unintentional) with transition metals. In general, the properties of the beneficiated and copper-doped coal mining pyrite approached the properties of other synthetic and natural pyrites reported in the literature