avaliação termodinâmica da ustulação de alguns - PUC-Rio

Departamento de Engenharia de Materiais
AVALIAÇÃO TERMODINÂMICA DA USTULAÇÃO DE ALGUNS
MINERAIS SULFETADOS
Aluno: Rodrigo Fernandes Magalhães de Souza
Orientador: Eduardo de Albuquerque Brocchi
Introdução
Os minerais sulfetados se constituem em uma importante matéria-prima no que diz
respeito à obtenção de metais. Em diversos casos são transformados em óxidos que por sua
vez são, subsequentemente, reduzidos. Todavia, sabe-se que também é possível a conversão
de alguns sulfetos em metais, como no caso da metalurgia do cobre. E ainda, a obtenção de
sulfatos pode se tornar uma alternativa atraente para certas matérias-primas. Dentro desse
contexto, a definição das condições operacionais nos fornos de ustulação se faz necessária no
sentido de que os produtos desejados sejam aqueles, de fato, obtidos.
Objetivos
Pode-se dizer que o objetivo do presente estudo está relacionado com a avaliação da
influência de variáveis relevantes sobre os possíveis produtos formados durante a ustulação de
alguns minerais sulfetados, uma vez que a termodinâmica das reações químicas pode
contribuir de forma marcante na definição das condições operacionais de ustulação.
Metodologia
Selecionou-se um conjunto de minerais sulfetados que apresentam potencial interesse
industrial e, em seguida, foi conduzida uma apreciação termodinâmica de alguns aspectos das
reações envolvendo tais sulfetos: exotermicidade, redução e formação de sulfatos.
Resultados e Discussões
Exotermicidade das reações
Dentre as características relevantes das reações de ustulação de sulfetos encontra-se o
calor liberado pelas mesmas. A Figura 1 ilustra um conjunto dessas reações.
Figura 1- Exotermicidade das reações de ustulação de alguns minerais sulfetados
Observa-se que os sulfetos de ferro, em particular a pirrotita (Fe7S8), estão entre
aqueles que viabilizam as maiores liberações de calor.
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Redução direta para metal
A obtenção do metal a partir da fase sulfeto é viável quando o óxido formado na
ustulação oxidante apresenta, em seqüência, alta reatividade com o sulfeto original.
Considerando que a etapa de oxidação é espontânea em praticamente todos os casos é
importante apreciar a viabilidade de ocorrência da segunda etapa. A Figura 2 ilustra a
variação da energia livre de Gibbs de tal etapa (reação) para os principais sulfetos. Pode-se
observar que apenas os sulfetos de cobre (acima de 400oC), chumbo (acima de 850oC) e
níquel (a partir do NiS2 e acima de 1000oC) apresentam tal tendência termodinâmica.
Figura 2 - ΔGo das reações que viabilizam a obtenção dos metais a partir dos sulfetos
Formação de sulfatos.
Os diagramas de predominância apresentados na Figura 3 para os sistemas cobre, ferro
e molibdênio indicam que a formação simultânea de sulfato(s) e óxido(s) é viável dependendo
do sistema reacional. Por exemplo, sulfato de cobre e óxido de ferro é possível ao passo que o
inverso (sulfato de ferro e óxido de cobre) não pode ser implementado.
log pSO2(g)
0
Predominance Diagram for Cu-O-S System
log pSO2(g)
0
CuSO4
CuO*CuSO4
CuS
log pSO2(g)
0
Predominance Diagram for Fe-O-S System
Predominance Diagram for Mo-O-S System
FeSO4
-5
Fe2(SO4)3
-5
-5
MoS3
FeS2
-10
-10
-10
Fe2S3
Fe0.877S
Cu2S
-15
-15
-15
MoS2
FeS
-20
Cu2O
-20
-30
-30
-35
-35
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
log pO2(g)
MoO3
MoO2
-25
Cu(FCC)
Constant value:
T / °C = 600.00
MoO2.75
MoO2.875
MoO2.889
Fe3O4
-25
-40
-40
-20
Fe2O3
CuO
-25
-30
Fe(A)
Mo
-35
-40
-40
-35
Constant value:
T / °C = 600.00
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
log pO2(g)
-40
-40
-35
Constant value:
T / °C = 600.00
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
log pO2(g)
Figura 3 – Diagramas de Predominância a 600°C para os sistemas de Cu, Fe ou Mo/O/S
Conclusões
As reações de ustulação de sulfetos possuem uma marcante exotermicidade,
particularmente no caso dos sulfetos de ferro.
A redução direta de sulfeto para metal é viável no caso dos sulfetos de cobre, chumbo
e níquel.
A formação simultânea de sulfato(s) e óxido(s) é viável dependendo das condições
operacionais implementadas nos fornos de ustulação.