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Processo Produtivo Do Aluminio

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SENAI- CFP Guilherme Caldas Emrich
Tecnologia dos Materiais
Técnico em Mecânica
PROCESSO PRODUTIVO DO ALUMINIO
Derick Carlos dos Reis Andrade 
Turma Mecânica / Noite
Barão de Cocais – MG
03/09/2014
ÍNDICE
1. Introdução 
2. Produção do Alumínio 
 2.1. Bauxita 
 2.2. Conceitos e características do Alumínio
 2.3. Processo Fabril do Alumínio 
 2.4. Implicações Ambientais deste processo fabril 
 2.5. Medidas Atenuantes sobre as Implicações Ambientais deste Processo Fabril 
3. Processo Bayer
 3.1. Surgimento 
 3.2. Processo 
 3.2.1. Parte Vermelha 
 3.2.2. Parte Branca 
 3.2.3. Crescimento 
 3.2.4. Filtração 
 3.2.5. Calcinação 
 3.3. Produtos do Processo
 3.3.1. Alumina 
 3.3.2. Hidróxido de Alumínio 
4. Ligas de Alumínio 
 4.1. Elementos de Liga 
 4.2. Tabela de classes, características e aplicações
5. Redução Eletrônica 
6. Considerações finais 
7. Referências bibliográficas 
Introdução
Esta pesquisa tem como objetivo sanar as dúvidas a respeito do processo produtivo do alumínio. Explicando como foi o surgimento do processo Bayer, os conceitos do processo produtivo do alumínio bem como sua aplicabilidade no dia-a-dia, alem de estar explicando sobre os elementos de liga e a redução que ocorre no processo do Alumínio.
Produção do Alumínio
 
 2.1Bauxita 
A bauxita é um mineral terroso e opaco, encontrado mais comumente em regiões de clima tropical e subtropical. Através dela, obtém-se alumínio. 
É formada por um processo químico natural, proveniente da infiltração de água em rochas alcalinas em decomposição, e composta principalmente de óxido de alumínio, além de sílica, óxidos de ferro e titânio. A bauxita ocorre em três formas principais dependendo do número de moléculas de água de hidratação e da estrutura cristalina. As três formas estruturais da bauxita são Gibsita – Al(OH)3 –, Boemita e Diasporita – ambas AlO(OH). A diferença principal entre as duas últimas é que Diasporita tem uma estrutura cristalina diferente da Boemita, e requer temperaturas mais altas para que ocorra desidratação.
Este minério pode ser encontrado próximo à superfície com uma espessura média de 4,5 metros, coberto por solo e vegetação. Sua extração é geralmente realizada a céu aberto com o auxílio de retro escavadeiras.
 
 Bauxita
Em média, são necessárias 4 toneladas de bauxita para se obter 1 tonelada de alumínio. A bauxita deve apresentar no mínimo 30% de alumina aproveitável para que a produção de alumínio seja economicamente viável. 
Cerca de 85% de toda bauxita produzida é utilizada como minério de alumínio. Outros 10% são usados em produtos químicos, abrasivos e produtos refratários. Os 5% restantes são usados para produzir abrasivos, materiais refratários e compostos de alumínio. 
Conceitos e Características do Alumínio.
	O alumínio é o mais abundante elemento metálico da Terra, sendo o mais moderno dos metais comuns. O seu desconhecimento ao longo do tempo se deve ao fato de que, ao contrário de outros elementos metálicos (cobre ou ferro), ele não ocorre naturalmente em sua forma metálica, existindo sempre em combinação com outros elementos, principalmente o oxigênio, com o qual forma um óxido extremamente duro, conhecido como alumina (MÁRTIRES, 2001). Possui as seguintes características: baixo
peso específico, a resistência à corrosão, a alta condutibilidade térmica e elétrica e a infinita reciclagem apresenta uma ampla variedade de utilização, que o torna o metal não ferroso mais consumido no mundo.
Processo Fabril do Alumínio.
	A partir da extração da bauxita é retirada a alumina pelo processo denominado redução, é transformada em alumínio. Segundo Moura et al. (2008), primeiramente, depois de minerada, a bauxita é transportada para a fábrica, onde chega ainda em seu estado natural. Lá, é iniciada a primeira de muitas reações químicas. A bauxita é moída e acrescida de uma solução de soda cáustica, que a transforma em pasta. Aquecida sob pressão e recebendo novas quantidades de soda cáustica, esta massa se dissolve e forma uma solução que passa por processos de sedimentação e filtragem. Nesta etapa, são eliminadas todas as impurezas e a solução restante ficando pronta para que dela seja extraída a alumina. Em equipamentos chamados de precipitadores, a alumina contida na solução é precipitada pelo processo de "cristalização por semente". O material resultante precisa ser lavado e seco por aquecimento. Assim, é obtido o primeiro estágio da produção de alumínio: a alumina, que se apresenta sob a forma de pó branco e refinado, de aspecto semelhante ao açúcar. Nesta fase, o processo químico denominado Bayer é o mais utilizado. Nele, a bauxita é dissolvida em soda cáustica e, posteriormente, filtrada para separar todo o material sólido, concentrando-se o filtrado para a cristalização da alumina. Estes cristais são secos e calcinados a fim de eliminar a água. Então, a alumina é finalmente transformada em alumínio por meio de um processo de eletrólise.
Implicações Ambientais deste Processo Fabril.
	Quanto às implicações ambientais do processo de fabricação do alumínio, destaca-se principalmente a etapa da exploração do minério bauxita, pois nesse processo exige-se a remoção completa da vegetação e da camada superior do solo que em média são necessárias de quatro a cinco toneladas de bauxita para produzir duas toneladas de alumina. 
Medidas Atenuantes sobre as Implicações Ambientais deste Processo Fabril.
	São necessárias medidas que venham atenuar os impactos advindos da produção da bauxita, dentre estas medidas é de extrema importância que a empresa que fabrica o alumínio e extrai a bauxita possua e aplique as ações propostas num projeto de recuperação de áreas degradadas, visto que os impactos oriundos da exploração da bauxita são diversos. Além de monitorar os resíduos sólidos e líquidos gerados na atividade e procurar medidas que venham diminuir os impactos ambientais negativos dessa atividade, e ainda de obedecer às leis e regulamentos ambientais vigentes.
Processo Bayer
 3.1 Surgimento
O Processo Bayer foi desenvolvido e patenteado por Karl Josef Bayer, em 1888, na Áustria.
Antes de seu desenvolvimento, a Alumina era obtida pelo Processo de Le Chatelier, que consistia no aquecimento de bauxita com Na2CO3 a 1200°C, eliminação de aluminatos formatos por lavagem com água, precipitação através da ação de CO2 e posterior filtragem, obtendo-se o Al(OH)3.
Figura 1.1
Tal processo tinha um custo muito elevado, e não apresentou resistência ao ser substituído pelo Bayer, que foi considerado o marco do nascimento da hidrometalurgia moderna, junto com o processo de cianetação para tratamento de ouro e prata.
A princípio, o processo Bayer era utilizado apenas na indústria têxtil, passando a ganhar importância na metalurgia a partir da sua união com o processo Hall-Heroult, onde ocorre a eletrólise da Alumina e formação do alumínio metálico.
FIGURA 1.1 - Karl Josef Bayer
Processo
O Processo baseia-se na separação no minério Gibbsita (Al(OH)3) da lama contida na bauxita e posterior obtenção de Alumina (Al2O3) através de métodos físicos e químicos, popularmente chamados de “parte vermelha”e “parte branca” e descritos mais detalhadamente a seguir.
3.2.1. PARTE VERMELHA
A parte vermelha tem por objetivo separar a alumina (Al2O3) dos outros óxidos encontrados na bauxita, como óxidos de Vanádio, Titânio, Ferro e Silício . O composto de interessena bauxita é a Gibbsita (figura 3.1) que é uma base fraca, praticamente insolúvel (Al(OH)3).
Figura 3.1 - Gibbsita
O processo mais usado atualmente é o Processo Bayer (ABAL - Obtenção do Alumínio primário) que se baseia no seguinte equilíbrio: Al(OH)3(s)+OH-(s) ↔ [Al(OH)4]-(aq). 
Para solubilizar a Gibbsita, desloca-se o equilíbrio da reação no sentido direto por meio do acréscimo de soda cáustica (NaOH) à temperatura de 170°C (segundo André Arantes, técnico responsável pela parte vermelha da CBA – Alumínio – SP). 
Porém, antes desse processo, é adicionado Ca(OH)2 (segundo material fornecido pela CBA na visita) na bauxita triturada a fim de se neutralizar a sílica (SiO2), óxido ácido que consumiria a soda em vão e contaminaria o licor.
A mistura de aspecto barrento (água, aluminato (figura 3.2), óxidos, soda e cal) segue para uma unidade de classificação de areia, onde recebe mais água a fim de se solubilizar todo o aluminato. Essa mistura então é filtrada e separada em fase líquida e sólida.
Figura 3.2 - Aluminato [Al(OH)4] -
Então, o líquido é resfriado para 100°C para que se precipitem óxidos não relacionados ao alumínio, isso ocorre devido a curva de solubilidade desses compostos ser bem diferentes entre si.
O líquido resultante passa por um filtro de segurança para garantir que não há partículas sólidas poluindo o licor.
A fase sólida passa por vários lavadores de lama que tem por finalidade recuperar parte da soda usada no processo e diminuir o risco desse resíduo, a lama vermelha, para o meio ambiente.
A solução concentrada de aluminato é denominada licor PGL e segue para parte branca do processo.
3.2.2. PARTE BRANCA
Após a remoção da lama vermelha, dá-se o início da chamada “Parte Branca” do processo Bayer, já que a coloração predominante da parte final do processo é dada pela maior concentração de alumina, um produto branco.
O produto da parte vermelha do processo é um licor rico em Gibbsita dissolvida (Al(OH)4-) e a parte branca tem como objetivo precipitar o hidrato de alumínio (Al(OH)3) e calciná-lo, removendo a água, a Al2O3, ou alumina. Assim, a chamada parte branca é constituída pelas seguintes etapas: aglomeração, crescimento, filtração e calcinação.
O licor rico em Al(OH)4-, chamado PGL ou Licor Rico (Processo Bayer - ALUNORTE), é submetido a diversos processos de redução de temperatura, através de “flashing” e trocadores de calor, para que haja decantação nas próximas etapas. Então, com a temperatura controlada, são adicionadas as “sementes”, partículas finas de hidrato de alumínio (Al(OH)3) obtidas dos ciclones de produto, com o intuito de iniciar o processo de cristalização dos íons aluminato do licor. A aglomeração é o estágio em que se formam os primeiros cristais precipitados de hidrato de alumínio, que vão crescer na próxima etapa.
3.2.3. CRESCIMENTO
 Na etapa de crescimento, continua o processo de precipitação de hidrato. Porém, já existe bastante particulado com granulometria mais elevada, portanto há a necessidade de introduzir sementes maiores do que na aglomeração.
3.2.4. FILTRAÇÃO
 Após atingir o crescimento necessário para prosseguir ao forno de calcinação, o produto então passa por ciclones que separam o material que avança ao forno, portanto os grãos maiores, do material que vai ser realimentado nos precipitadores na forma de sementes finas e grossas, para completar o crescimento. Nos ciclones, o particulado mais fino sai pela parte de cima, enquanto o mais grosso e pesado segue por baixo até um filtro rotativo horizontal, cujo filtrado é levado ao forno de calcinação .
3.2.5. CALCINAÇÃO
 Na última etapa do processo, o hidrato de alumínio é levado por esteiras até o forno de calcinação. Nesse estágio, o hidrato é submetido a temperaturas próximas a 1000 oC. O objetivo desse tratamento térmico é evaporar a água do hidrato, gerando alumina sem umidade, segunda a reação: 2Al(OH)3 ↔ Al2O3 + 3H2O (Bayer process chemistry).
3.3. PRODUTOS DO PROCESSO
O processo Bayer termina então e são recolhidos dois produtos: o hidrato ou hidróxido de alumínio, que é retirado do processo antes da calcinação, e a alumina calcinada. Cada um destes dois produtos tem suas aplicações no meio industrial.
3.3.1. ALUMINA
 O principal produto (aproximadamente 90%) é a alumina, nome para o óxido de alumínio Al2O3, que na CBA é usada para alimentação da própria fábrica que a transforma em alumínio metálico através do Processo Hall-Héroult. Este processo, de maneira simplificada, é a eletrólise ígnea da alumina em criolita, um sal de alumínio, sódio e flúor.
Porém este não é o único uso possível para a alumina. Dentre os diversos usos da alumina listamos alguns abaixo:
- Ela pode ser usada como catalisador no processo de obtenção de S através do gás H2S;
- Sua alvura é aproveitada para deixar sacolas plásticas brancas;
- Por ser relativamente inerte e pouco tóxico é usado em alguns filtros solares (UNICHEM - Soluções em Especialidades Químicas);
- A cerâmica feita de alumina possui grande resistência mecânica, portanto é muito usada em ferramentas abrasivas, lixas e elementos moedores (Cerâmicas - ABCERAM);
- Adicionando óxido de magnésio à cerâmica ela ganha transparência e pode ser usada na fabricação de lâmpadas HPS (Yoshimura, 2000);
- Ao ser dopada com magnésio pode ser usada também na fabricação de dosímetros luminescentes, para medir níveis de radiação (Bitencourt, 2008);
- A resistência mecânica e química também a torna um bom revestimento para pisos de madeira (Cerâmica de Alumina - M&S);
- Ela ainda pode ser usada como isolante elétrico a temperaturas ambiente ou mais altas e como supercondutor a temperaturas extremamente baixas (Cerâmicas - ABCERAM).
3.3.2. HIDRÓXIDO DE ALUMÍNIO
O hidróxido ou hidrato de alumínio possui fórmula Al(OH)3 , mas também é escrito como alumina hidratada Al2O3.3H2O, e é o pó esbranquiçado que pode ser calcinado para virar alumina. Porém o hidróxido tem utilidades na forma hidratada e, portanto, parte dele não é calcinada e é vendida como hidróxido.
Os principais usos do hidróxido são:
- Devido à sua característica básica e a não toxicidade ele pode ser usado como antiácido;
- Por absorver bastante energia antes de se desidratar totalmente ele também pode ser usado para conter o avanço do fogo (Patentes Online);
- Outro uso é o de partículas de alumina hidratada em cremes dentais, tanto pelas suas características básicas quanto pelas abrasivas (Patentes Online).
Ligas de Alumínio
O alumínio é um elemento que se liga facilmente com vários metais formando assim diversas ligas. Tais ligas têm o objetivo de melhorar certas propriedades mecânicas do alumínio. Naturalmente uma só liga não pode combinar todas as propriedades necessárias para cada aplicação, sendo assim necessário conhecer as vantagens e limitações de cada uma delas para que se possa fazer a melhor seleção para cada aplicação.
Em geral, podemos dividir os elementos entre aqueles que conferem a liga a sua característica principal como resistência mecânica, resistência a corrosão, fluidez no preenchimento de moldes, etc., e os que têm função acessórias, como o controle de microestrutura e das impurezas e traços que prejudicam a fabricação.
4.1. ELEMENTOS DE LIGA 
Os principais elementos que formam ligas com o alumínio são, normalmente, considerados em três grupos, segundo seus comportamentos nos respectivos sistemas: 
1) Cobre, magnésio, zinco, que formam soluções sólidas de vários percentuais, em 
temperaturas relativamente elevadas, com solubilidade quase nula a temperatura ambiente, cabendo a maior porcentagem ao zinco, que solubiliza a 400 C. 
2) Silício e estanho , que formam euteticos. Com 12,6% de silício, a fase rica em alumínios tem teores baixos de silício em solução. O estanho e o alumínio são, igualmente, insolúveis a temperatura ambiente. 
3) Ferro, manganês, níquel, cromo e titânio, são poucos solúveis no alumínio, formando determinadasfases ou compostos intermediários, que produzem efeitos pronunciados nas propriedades mecânicas quando em pequenas quantidades. 
4) Cromo e titânio visam o refino de grão, enquanto as de estanho, chumbo, e bismuto, que são insolúveis no alumínio, objetivam a usinagem ou corte fácil. Das diversas fases intermediarias formadas pelas reações do alumínio com vários metais, poucas se solidificam-se sem ocorrerem modificações na composição, ou seja, por transformação congruente, mas para a maioria há reação peritetica.
 Elementos de liga
Sabe-se que existem infinitas combinações de elementos e composições para formar uma liga. Assim as Ligas de Alumínio de uso comercial tem na sua composição química: 
Elementos Principais: responsáveis pelas propriedades mecânicas como Cobre, Silício, Magnésio, Manganês, Zinco; 
Elementos Secundários: cujos percentuais são menores e tem como objetivo uma ação específica para se obter determinada propriedade de uso ou característica de fundição como: Níquel, Ferro, Berílio; 
Elementos modificadores, refinadores ou neutralizadores: usados em pequenos percentuais com a finalidade de alterar a microestrutura, obtendo-se melhores propriedades ou características de processo como Titânio, Sódio, Estrôncio, Boro; 
Elementos tidos como impurezas: os quais devem ser controlados ou balanceados de maneira mais rigorosa como: Chumbo, Cromo, Cálcio, entre outros, que em geral exercem influência perniciosa sobre certas propriedades ou características de fundição.
5. Redução Eletrônica
Esta última etapa permite a obtenção de alumínio através de eletrólise. A passagem de corrente elétrica na célula eletrolítica promove a redução da alumina, decantando o alumínio metálico no fundo da célula e o oxigênio liberado reage com o ânodo de carbono, formando dióxido de carbono. Vejamos como ocorre a reação de oxirredução: 
1. A Alumina é colocada no estado fundido em um tanque de ferro revestido com carbono, esse tanque funciona como cátodo; 
2. Os ânodos são constituídos de bastões de carbono mergulhados na Alumina fundida; 
3. As reações de oxirredução promovidas por esse processo originam Alumínio puro no cátodo. Este, posteriormente, vai para o fundo da célula eletrolítica.
É conhecido pelo nome de eletrólise  todo o processo químico não espontâneo provocado por uma corrente elétrica  proveniente de um gerador (mais especificamente, uma pilha). A palavra eletrólise é a combinação de dois termos gregos: "elektró" (eletricidade) e "lisis" (solução), unidas para se referir a uma reação ocorrida por meio de energia elétrica. Algumas reações químicas acontecem apenas quando fornecemos energia na forma de eletricidade, enquanto outras geram eletricidade no momento em que ocorrem. Trata-se de um processo químico inverso ao da pilha, que é espontâneo e transforma energia química em elétrica.
O processo eletrolítico se dá a partir do fornecimento de energia vindo de uma pilha, que serve de gerador. Com isso, ocorre a descarga de íons, onde ocorre uma perda de carga por parte de cátions e ânions. Consequentemente, os cátions irão receber elétrons, sofrendo redução, enquanto que os ânions irão ceder elétrons, sofrendo oxidação. Tais reações ocorrem entre dois ou mais eletrodos mergulhados em uma solução condutora, onde será estabelecida uma diferença de potencial elétrico. As substâncias iônicas conduzem corrente elétrica quando fundidas ou em soluções aquosas, e a condução de corrente elétrica se dá pela formação de substâncias nos eletrodos. Vale lembrar que a denominação "solução eletrolítica", empregada para designar qualquer solução aquosa condutora de eletricidade, deriva justamente desse processo.
As das formas comuns de eletrólise são a eletrólise ígnea e a eletrólise aquosa: na eletrólise ígnea, não há presença de água, e a passagem da corrente elétrica acontece em uma substância iônica no estado de fusão (liquefeita ou fundida). É um tipo de reação muito utilizado na indústria, principalmente para a produção de metais, como por exemplo o alumínio a partir da bauxita (minério de alumínio). Já a eletrólise aquosa se dá com a passagem elétrica através de um líquido condutor. Neste tipo, apenas um dos cátions e um dos ânions são participantes. É na eletrólise do cloreto de sódio em meio aquoso que são produzidos a soda cáustica (NaOH), o gás hidrogênio (H2) e o gás cloro (Cl2).
A eletrólise encontra grande utilidade na indústria química, como na produção de metais como o alumínio, magnésio,potássio, etc. Por meio dela é possível isolar algumas substâncias fundamentais para muitos meios de produção, como o hidróxido de sódio (soda cáustica) e peróxido de hidrogênio (água oxigenada), além da deposição de finas películas de metais sobre peças metálicas ou plásticas, numa técnica conhecida como galvanização. Além disso, é um processo que purifica e protege (como revestimento) vários metais.
6. Considerações Finais
O alumínio é um metal bastante utilizado em vários objetos, importantíssimo em sua capacidade de reciclagem, assim mitigando impactos ambientais maiores, mesmo sabendo que sua extração é bastante violenta em relação ao meio ambiente, que cabe a nós entender todo processo de extração e cuidar que maiores danos ao meio ambiente seja causado.
O processo Bayer é um método que, embora economicamente viável, é agressivo ao meio ambiente. Seu uso nos dias atuais exige manipulações de resíduos, a lama vermelha, para prevenir contaminações e possíveis catástrofes ambientais, auto sustentação em energia elétrica, devido ao consumo no processo posterior ao Bayer, cuidado com os impactos ambientais e visuais causados pela extração da bauxita, entre inúmeros a serem listados.
As ligas de alumínio, que são caracterizadas por uma densidade relativamente baixa, condutividade elétrica e térmica elevada, e uma resistência à corrosão em alguns ambientes comuns, com a atmosfera ambiente.
7. Referências bibliográficas
ABAL - Obtenção do Alumínio primário. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em ABAL - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ALUMÍNIO: http://www.abal.org.br/aluminio/producao_alupri.asp
BAUXITA - BANCO DE DADOS UNESP. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em UNESP - UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA: http://www.rc.unesp.br/museudpm/banco/oxidos/bauxita.html
Bauxite Residue (Red Mur). (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em International Aluminium Institute: http://worldaluminium.org/Sustainability/Environmental+Issues/Bauxite+residue+
Bayer process chemistry. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em IAI - International Aluminium Institute: http://www.worldaluminium.org/About+Aluminium/Production/Alumina+refining/Bayer+process+chemistry
Bitencourt, J. F. (2008). Confecção e caracterização de dosímetro luminescente de óxido de alumínio dopado com magnésio. Confecção e caracterização de dosímetro luminescente de óxido de alumínio dopado com magnésio . São Paulo, SP, Brasil.
Cerâmica de Alumina - M&S. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em M&S - Manutenção e Suprimentos: http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/subsegmento/ceramica-de-alumina/
Cerâmicas - ABCERAM. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em ABCERAM - Associação Brasileira de Cerâmicas: http://www.abceram.org.br/asp/abc_0.asp#
IBRAM. (2010). Produção por Minério - Bauxita. Acesso em 29 de abril de 2011, disponível em IBRAM - Instituto Brasileiro de Mineração: http://www.ibram.org.br/
Patentes Online. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em Patentes Online: http://www.patentesonline.com.br/
Processo Bayer - ALUNORTE. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em ALUNORTE - Alumina do Norte do Brasil S.A.: http://www.alunorte.net/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?UserActiveTemplate=alunorte&sid=17
Silva Filho, E. B., Alves, M. C., & Da Motta, M. (2007). Lama vermelha da indústria de beneficiamento de alumina: produção, características,disposição e aplicações alternativas. Revista Matéria , 12 (2), 322 - 338.
- UNICHEM - Soluções em Especialidades Químicas. (s.d.). Acesso em 28 de abril de 2011, disponível em UNICHEM - Soluções em Especialidades Químicas: http://www.unichem.com.br/
- Yoshimura, H. N. (2000). Alumina translúcida com adição de MgO, CaO e Y2O3. Alumina translúcida com adição de MgO, CaO e Y2O3 . São Paulo, SP, Brasil.
ASKELAND, D. R.; Ciência e engenharia dos materiais, Editora Cengage Learning, São Paulo – SP, 2011.
CALLISTER, W. D. Ciência e engenharia de materiais uma introdução. 2ª ed. Editora LTC. 2006.
REMY, A.; GAY, M.; GONTHIER, R.; Materiais, 2ª Edição, Ed. Hemus

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