Trabalho-Cobre

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Universidade Wutivi (UniTiva)
Faculdade de Engenharias, Arquitectura e Planeamento Físico
Licenciatura em Engenharia de Minas
3º Ano Laboral
 METALURGIA DO COBRE 
Trabalho elaborado como requisito parcial para aprovação na cadeira de Metalugia
 Discentes:
· Amélia Nhanissane;
· Félix Langa;
· Luísa Chacha.
 Docente:
Nelson Liberato
 
Boane, Janeiro de 2021
1.	Introdução	1
1.1.	Objectivos	1
1.1.1.	Geral	1
1.1.2.	Específicos	1
2.	REFERENCIAL TEÓRICO	2
2.1.	Cobre	2
2.2.	Metalurgia Extrativa do Cobre	3
2.2.1.	Fluxograma do processo metalúrgico do cobre	3
2.2.2.	Descrição dos Processos de Produção do Cobre	4
a)	Processo Pirometalúrgico	4
b)	Processo Hidrometalúrgico	5
c)	Processo SX-EW	7
2.2.2.1.	Operações que Fazem Parte dos Processos Metalúrgicos	7
a)	Lixiaviação	7
2.2.3.	Extracção por Solventes	8
2.2.4.	Tipo de solvente de extracção do Cobre	9
a)	Reextracção do Cobre	9
2.2.5.	Mecanismos das Reacções Envolvidas nos Processos Metalúrgicos do Cobre	9
2.2.5.1.	Hidrometalurgia	9
2.2.5.2.	Pirometalurgia	10
2.2.6.	Termodinâmica dos Processos Envolvidos na Metalurgia do Cobre	11
2.2.6.1.	Variação da energia livre de Gibbs	11
Conclusão	13
Bibliografia	14
1. Introdução 
O cobre é um dos metais mais importantes e mais utilizados no mundo hoje em dia. Sua importância como metal remonta desde a Idade do cobre, sendo o primeiro metal que o ser humano utilizou há aproximadamente 5.000 anos. O desenvolvimento da economia durante a época moderna conduziu a um desigual desenvolvimento das capacidades de produção, o que levou a grandes disputas pelo controle dos territórios e das jazidas de minério, bem como dos segredos ligados à produção dos objectos metálicos. O cobre, assim como outro metais, passou a fazer parte da vida do homem e da sociedade. 
Actualmente o cobre é o terceiro metal mais produzido e utilizado no mundo. A importância do cobre no desenvolvimento industrial merece destaque, pois representa a base da indústria elétrica e de equipamentos devido a sua característica de excelente condutor elétrico.
O Cobre é um dos principais metais utilizados pela indústria, ele é encontrado principalmente na forma sua sulfetada, sendo que os principais minerais de onde ele é, industrialmente, extraído são: Calcopirita (CuFeS2), Bornita (Cu5FeS4) e Calcita (CuS2).
Existem também ocorrências de natureza oxidada, no entanto a metodologia empregada, neste caso, é por meio de reacções em meio aquoso, diferentemente dos processos em altas temperaturas conduzidos normalmente utilizados para sistemas reacionais envolvendo sulfetos que, por sua vez, são responsáveis pela maior parte da produção metalúrgica de cobre. Nesse sentido, o presente trabalho de investigação científica realizado tem por objetivo apreciar a rota de metalurgia extrativa do cobre, dando um enfoque particular aos processos Pirometalúrgico e Hidrometalúrgico, sendo estes os aplicados no processamento do Cobre . Para tal, foi realizada uma revisão da literatura especializada e um estudo da termodinâmica de cada um dos processos, tipos de solventes usados a quando da extracção do cobre e os mecanismos que regem as reacções de cada processo. 
1.1. Objectivos
1.1.1. Geral
· Descrever a cadeia produtiva do Cobre.
1.1.2. Específicos 
· Descrever o minério de cobre;
· Apresentar o fluxograma e os respectivos processos de extracção do cobre;
· Analisar os tipos de solventes envolvidos na extracção do cobre
· Abordar acerca do mecanismo das reacções dos processos metalúrgicos do cobre;
· Fazer a descrição da termodinâmica dos processos metalúrgicos do cobre.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1. Cobre
O cobre é um metal relativamente raro, empregado das mais diversas formas. Foi o primeiro metal a ser usado pelo homem como substituto da pedra, na confecção de armas, ferramentas de trabalho etc. Estudos apontam que o cobre foi utilizado pelos povos que viviam na ilha de Chipre (cujo nome original era Cyprus - e, posteriormente, Cyprium) há mais de 6.500 anos, daí a origem do seu nome, Cuprum. 
Figure 1: Cobre.
O cobre, em sua forma metálica, apresenta alta durabilidade, boa resistência à corrosão, boa maleabilidade e ductilidade. Essas duas últimas propriedades fazem dele um metal diferenciado, pois, normalmente, os metais resistentes não são maleáveis. Já o cobre pode ser transformado em fios, lâminas, bastões etc.
Existem alguns processos de obtenção do cobre na sua forma metálica, mas, geralmente, o minério, depois de extraído, britado e moído, passa por um processo que permitirá, ao final, obter o cobre metálico. A calcosite ou calcosita (Cu2S), que tem em sua composição sulfetos (compostos de enxofre), sofre aquecimento na presença de oxigênio, etapa essa denominada ustulação, e libera o cobre na forma simples. Aqui, o enxofre, preso ao cobre, une-se ao gás oxigênio formando o gás dióxido de enxofre (SO2). 
O metal produzido nesta etapa é o chamado Cobre Blister , com aproximadamente 98,5% de pureza e alguns agregados de Enxofre, Ferro e outros metais. A partir dessa fase, o blister passa por um processo de refino que o purifica até se tornar um cobre com 99,5% de pureza. Logo depois, o produto é colocado em células eletrolíticas que, ao sofrerem um fluxo de eletricidade, produzem um cobre 99,9% puro.
Sob essas condições, o cobre se oxida (perde electrões) nos ânodos para formar iões cúpricos (. Esses iões migram em direcção aos cátodos, onde são depositados (reduzidos) na forma metálica pura (Cuº). 
 + 2e
O principal minério do cobre, a calcopirite ou calcopirita (CuFeS2), é submetida a um processo inicial que a transforma em Cu2S, para depois ocorrer o mesmo processo da calcosita. 
2.2. Metalurgia Extrativa do Cobre
2.2.1. Fluxograma do processo metalúrgico do cobre
Dependendo do tipo de minério de cobre encontrado na natureza, o beneficiamento e o seu tratamento metalúrgico terão rotas diferentes de processamento. De forma geral existem dois meios para extracção do cobre. O processo pirometalúrgico, aplicado para minerais sulfetados, e o processo hidrometalúrgico que pode ser utilizado para os minerais oxidados e também para os sulfetados, por exemplo, calcocita, Cu2S.
Figure 2: Rotas gerais de processamento e extracção para minérios de Cobre.
As etapas marcadas em verde representam as etapas de beneficiamento mineral de sulfetos. Os concentrados sulfetados são de difícil solubilização. As etapas marcadas em marrom dizem respeito ao processo de tratamento pirometalúrgico para os concentrados sulfetados.
O que está marcado de azul claro se refere ao processamento hidrometalúrgico. Antes da etapa de lixiviação em pilhas, os minérios oxidados devem ser britados (facilitar o manuseio) e aglomerados (facilitar a drenagem das pilhas). 
Na rota de processamento pirometalúrgica há produção de ácido sulfúrico, produzido a partir do gás SO2 gerado no processo de redução do sulfeto. Ouro e prata, associados ao minério são aproveitados como produtos secundários nas etapas de extração metalúrgica. O molibdênio associado a minérios porfiríticos pode ser aproveitado na etapa de flotação. 
Após a etapa de eletrólise/refino eletrolítico o cobre com 99,99% de pureza pode ser utilizado para a indústria de semi-acabados e ligas. Cerca de 80% do cobre primário (proveniente de minérios) é produzido através do beneficiamento de minérios sulfetados, redução e refino. Os restantes 20% são produzidos através de processos hidrometalúrgicos de lixiviação e (SX-EW).
2.2.2. Descrição dos Processos de Produção do Cobre
Existem dois processos básicos de produção de cobre primário: o processo pirometalúrgico, mais utilizado para os minérios sulfetados, e o processo hidrometalúrgico, apropriado para a extracção de cobre de minérios oxidados de baixo teor.
a) Processo Pirometalúrgico
A indústria de transformação do cobre tem início a partir do minério, cuja extracção se dá a céu aberto ou em galerias subterrâneas. Com um teor metálico quevaria normalmente entre 0,7% e 2,5%, o minério é submetido à britagem, moagem, flotação e secagem, obtendo-se o concentrado cujo teor de cobre contido já alcança 30%. 
O concentrado é então submetido ao forno flash, de onde sai o mate com teor de 45% a 60%, e este ao forno conversor de onde obtêm-se o blister com 98,5% de cobre. Dependendo da pureza desejável para o cobre, tendo em vista a sua utilização final, o blister pode ser submetido apenas ao refino a fogo, onde se obtém cobre com 99,7% (anodo) ou ser também refinado eletrolíticamente, atingindo um grau de pureza de 99,9% (catodo).
Os catodos são submetidos ao processo de refusão para obtenção do cobre no formato de tarugos ou placas. A partir da trefilação destes tarugos, produz-se os semi-elaborados de cobre nas formas de barras, perfis e tubos e através da laminação das placas, são produzidos semi-elaborados nos formatos de tiras, chapas e arames. Se, entretanto, ao invés da simples refusão o catodo for fundido e laminado em processo contínuo, obtêm-se o vergalhão, a partir do qual serão fabricados os fios e cabos.
Figure 3: Sequência de processamento de minérios sulfetado, mostrando a rota Pirometalúrgica.
Conforme o fluxograma apresentado, o gás sulfídrico resultante da fundição é utilizado como insumo para a produção do subproduto ácido sulfúrico, visando reduzir o impacto ambiental.
No refino eletrolítico, obtêm-se subprodutos como ouro, prata, platina e outros metais, através da lama anódica que se deposita e é retirada por sifão.
Ressalte-se que o ritmo de difusão do processo técnico na pirometalurgia de cobre é relativamente lento, sendo esta rota tecnológica utilizada de longa data. A principal mudança tecnológica foi a substituição dos fornos de revérbero por fornos eléctricos flash na etapa de fundição a partir dos anos 50. Pretendeu-se com tal substituição atender às exigências de conservação energética e de redução de poluição.
b) Processo Hidrometalúrgico
Usualmente o cobre dos minérios oxidados e rejeitos podem ser obtidos pela via hidrometalúrgica, isto é usando a lixiviação através de uma solução de ácido diluída, produzindo um sulfato de cobre fácil de dissolver. Nos processos hidrometalúrgicos o minério, o concentrado ou resíduos são tratados em solução aquosa por um agente químico (lixiviação). O metal e os subprodutos são recuperados da solução por processo químico ou electrolítico.
A ênfase se dada ultimamente às técnicas de lixiviação proporcionou o desenvolvimento do processo de lixiviação por oxigênio e amônia. O processamento hidrometalúrgico pode ser classificado como: 
· Extracção ácida do cobre de minérios oxidados;
· Oxidação e solubilização de sulfetos dos resíduos da mineração, do rejeito do concentrador ou de minérios no local (in situ); 
· Dissolução do cobre minério ,concentrado para evitar a redução convencional;
· Extracção do cobre de nódulos de mn de águas profundas.
A hidrometalurgia é apropriada, principalmente, para a extracção de cobre de minérios oxidados de baixo teor. A utilização deste processo para minérios sulfetados implica em uma etapa anterior de beneficiamento do minério para obtenção do concentrado sulfetado, o qual deve sofrer processo de ustulação para transformação em produto intermediário oxidado.
No caso da electrólise, promove-se a electrodeposição do cobre sob a forma de catodos com 99,9% de pureza a partir das soluções ricas. Trata-se do processo SX-EW (solvent extraction and eletrowinning).
Figure 4: Esquema de lixiviação em pilhas para minérios oxidados e carbonatados de Cobre.
c) Processo SX-EW
O processo SX-EW, ao contrário do processo pirometalúrgico que é utilizado há 6000 anos, foi desenvolvido há apenas cerca de 25 anos. Neste período, sua utilização vem crescendo largamente devido às facilidades de aproveitamento de depósitos oxidados de baixo teor, partindo-se directamente do minério e obtendo-se o catodo com teor 99,9% de cobre, sem necessitar de fundição e refinaria.
Além do menor custo de produção do cobre obtido pelo processo SX-EW, podem ser citadas vantagens relativas ao meio ambiente, visto que não há emissão de gases poluentes. No processo pirometalúrgico, a etapa de fundição tem como subproduto gás com enxofre, sendo por este motivo necessária a existência de planta acoplada para produção de ácido sulfúrico a partir deste gás.
Outra vantagem do processo SX-EW é o reaproveitamento de minérios de baixo teor não aproveitados pelos processos tradicionais de concentração.
O investimento no processo SX-EW é cerca de 30% superior ao processo tradicional, porém a maior desvantagem refere-se à dificuldade do aproveitamento de subprodutos como ouro e prata, que também se apresentam em menores teores nos minérios oxidados. Neste caso, são necessárias instalações adicionais de neutralização e cianetação, que geralmente não apresentam viabilidade econômica, enquanto no processo tradicional estes subprodutos são obtidos directamente na lama anódica, na etapa de refino eletrolítico do cobre.
Em termos de escala, o processo SX-EW apresenta maior flexibilidade, podendo-se operar economicamente plantas de até 30.000 t/ano de cobre contido. No processo pirometalúrgico, a escala mínima atualmente utilizada é de 200.000 t/ano.
O processo SX-EW é utilizado principalmente nos Estados Unidos, Chile e Zâmbia, sendo que metade da expansão prevista para a produção do Chile será através desta rota.
2.2.2.1. Operações que Fazem Parte dos Processos Metalúrgicos 
a) Lixiaviação
É a operação extractiva primária em processamento hidrometalúrgico. Em essência a lixiviação envolve a dissolução seletiva dos minerais portadores do metal valioso. O minério entra em contacto com uma solução química activa conhecida como agente lixiviante ou solução de lixiviação.
· Lixiaviação in situ
As fontes são depósitos de baixo teor ou as minas fora de trabalho. Primeiramente a rocha é quebrada por explosão ou outra técnica. Uma solução de ácido sulfúrico passa através do mineral. A solução impregnada é coletada na base do corpo do material.
· Lixiviação dump
Realiza-se com a finalidade de recuperar o cobre dos rejeitos da mineração. Alguns factores são importantes na lixiviação dos depósitos de rejeito: adição de ácido para prevenir ou retardar a precipitação do sulfato férrico hidratado; optimização da configuração dos depósitos de modo a permitir uma boa distribuição da solução; disponibilidade de oxigênio.
· Lixiviação em Cuba 
A lixiviação em cubas extrai o cobre do óxido ou das misturas de óxidos e sulfetos presentes no minério. O minério a ser lixiviado não deve ser poroso e deve ser moído antes para permitir um contato adequado entre a solução lixiviante e os minerais de cobre. Em minérios oxidados, o minério, após a cominuição, é carregado em grandes tanques de fundo filtrante. A solução lixiviante é de ácido sulfúrico (25 a 80g/L).
· Lixiviação por Agitação
Compreende a lixiviação rápida de minerais oxidados de cobre de partículas finas. Os minerais sulfetados não são lixiviados durante períodos de contato curto. A lixiviação é feita em tanques tipo Pachuca.
2.2.3. Extracção por Solventes 
Esta técnica é usada na recuperação de cobre da electrólise em solução aquosa. Há a formação de um organo-complexo. Durante a extracção ocorrerá a substituição do hidrogênio pelo ião metálico.
O cobre é extraído de uma solução aquosa lixiviante levemente ácida, para evitar a hidrólise do metal na fase aquosa. O reagente orgânico (extratante) deve possuir as seguintes propriedades:
· Solubilidade extremamente baixa em soluções aquosas;
· Alta solubilidade em diluentes tais como o querosene;
· Alta capacidade de carga (limite de saturação de um solvente por um soluto);
· Separação de fases bem distinta;
· Extrair o cobre em ph de 1-7; 
· Baixa toxicidade, entre outras.
A química básica para a aextracção de solventes de cobre pode ser reumida por uma simples equação a qual necessitará ser reversível o que caracterizará os estágios de extracção e reextracção como descrito no seguinte mecanismo de transferênciade cobre.
Extracção: + 
A extracção ocorre quando a selecção de lixiviação contendo iões cobre ( é misturada com a solução orgânica do solvente contendo o extratante (RH). O extyratante libera seus protões ( e se coordena com o cobre fazendo com que esse cobre seja transferido para a fase orgânica (O) na forma de um complexo () e consequentemente diminuindo a concentração do cobre na fase aquosa (A). O estágio de reextracção do cobre pode ser representado por:
Reextracção: 
A reextracção do cobre ocorre quando uma solução fortemente ácida é misturada com a solução contendo o complexo cobre ou extratante (), revertendo a reacção e regerando um electrólito de elevada pureza e concentração em cobre.
2.2.4. Tipo de solvente de extracção do Cobre
O cobre é extraído por meio de solventes Ácidos, sendo que solvente mais utilizando no processo de extracção do Cobre é o Ácido Sulfúrico, no qual é aplicado na etapa da sua Reextracção.
a) Reextracção do Cobre
Em uma fábrica do tipo SX-EW uma solução aquosa lixiviante de ácido sulfúrico atravessa a pilha de minério e é recolhida em um tanque de espera. Esta solução contendo compostos de cobre dissolvidos é bombeada para o tanque deformado o organo-complexo. Ele será conduzido ao tanque de reextracção para a obtenção de uma solução aquosa concentrada em cobre e a regeneração de extratante (RH). O extratante volta para o tanque de extracção e a solução segue para uma cuba electrolítica com cátodo de cobre puro e ânodo de PB para daí ser obtido o cobre puro.
2.2.5. Mecanismos das Reacções Envolvidas nos Processos Metalúrgicos do Cobre
2.2.5.1. Hidrometalurgia
A técnica hidrometalúrgica mais utilizada para produção de cobre é a lixiviação em pilhas. As etapas principais que envolvem o tratamento hidrometalúrgico são: 
· Britagem (facilitar o manuseio até a pilha); 
· Aglomeração (recuperar os finos); 
· Lixiviação; 
· Extracção por solventes; 
· Electrorecuperação.
A lixiviação é feita com solução de ácido sulfúrico aspergida no topo das pilhas. O ácido percola pela pilha e reage com os minerais oxidados de acordo com a equação 1.
CuO + → + + O (1)
A reação com a calcocita, mineral sulfetado ocorre de acordo com a equação 2. No caso dos sulfetos a reação é acelerada pela presença de bactérias que agem como catalisador da reação.
 → + + (2)
A solução é estocada em bacias (ponds) para posteriormente alimentar a etapa de extração por solventes. A solução resultante da etapa de lixiviação carrega Cu, H2SO4 e outras impurezas. É necessário fazer a extracção do cobre dissolvido. A extracção é feita através de reagente orgânico específico (extratante) que captura o cobre dissolvido. Posteriormente ocorre a separação da fase orgânica da fase aquosa por diferença de densidade. O cobre dissolvido é então recuperado da solução orgânica através da solução de electrólito contendo alta concentração de ácido sulfúrico. A equação 3 indica o equilíbrio entre a espécie de cobre dissolvida na solução aquosa e combinada com o extratante orgânico. 
+ 2RH → Cu + (3)
Onde RH é o extratante orgânico e R2Cu representa o orgânico carregado. 
A equação 3 indica a influência da quantidade de ácido no processo de carregamento do cobre pelo reagente orgânico e o processo contrário (liberação do cobre). 
A solução rica em cobre e em ácido segue para etapa de electrorecuperação onde ocorre a deposição do cobre metálico nos catodos de aço inox. No anodo ocorre a formação de oxigênio. A solução exaurida retorna ao processo de extracção por solventes. As placas de cobre formadas nos cátodos são extraídas e encaminhadas aos processos de conformação para produção de semi-acabados.
2.2.5.2. Pirometalurgia
As plantas pirometalúrgicas também conhecidas como Smelters produzem cobre metálico através de várias etapas com transformações químicas. 
A primeira etapa é chamada de redução e tem por objectivo oxidar o enxofre e o ferro presentes no concentrado para formar uma fase fundida rica em cobre, chamada mate e outra fase fundida, pobre em cobre chamada de escória. A redução é realizada em fornos específicos com injecção de ar enriquecido com oxigênio. 
As equações 4 e 5 representam as reacções que ocorrem na etapa de redução.
 (4)
 (5)
Como produtos da redução são obtidos o mate, liga com o máximo possível de cobre (45-75% de Cu), a escória com o mínimo possível de cobre e o gás SO2 que na maioria dos casos é aproveitado para a produção de ácido sulfúrico. 
O mate segue para a etapa de conversão e a escória é tratada para a recuperação de cobre, sendo depois reaproveitada ou descartada. 
A conversão é feita em um vaso específico com adição de oxigênio e SiO2 (fundente) para capturar o ferro. O resultado é o blister com 99% de Cu. A escória resultante contém 4-8% de cobre que é recuperado por sedimentação (na fase fundida). Pode também ser solidificada e a recuperação do cobre ser feita através da flotação. 
As equações 6 e 7 representam as reações que ocorrem na etapa de conversão. 
 (6)
 (7)
O blister (cobre metálico) segue então para a etapa de refino a fogo e posteriormente para o refino electrolítico. Em seguida o cobre segue para as etapas de conformação para produção dos semi-acabados.
2.2.6. Termodinâmica dos Processos Envolvidos na Metalurgia do Cobre 
2.2.6.1. Variação da energia livre de Gibbs
A figura abaixo apresenta um gráfico de variação da energia livre padrão de Gibbs com a
temperatura (ΔGº x T) de acordo com a ustulação de sulfetos conforme a Reação (1) descrita
anteriormente. 
Figure 5: Variação da energia padrão de Gibbs assossiado com ustulação CuS e FeS.
Observa-se que ambas as reações apresentam um valor de ΔGº bastante negativo na faixa de temperaturas estudada, sendo a reação associada com o sulfeto de ferro àquela que apresenta um menor valor numérico. Estas informações aliada às constantes de equilíbrio marcantemente elevadas, entre e e e , sugerem que o processamento químico de concentrados de cobre conforme esta seletividade possuem uma grande favorabilidade termodinâmica. Todavia, esta informação não é suficiente para a definição das condições operacionais de ustulação, uma vez que elas não incorporam informações importantes como, por exemplo, a composição química da atmosfera reinante no ambiente da reação (ex: p e ). Nesse sentido, os diagramas de predominância se apresentam como uma importante ferramenta a ser utilizada no estudo.
Conclusão
O cobre é um metal náo-ferroso mais utilizado, por ser um excelente condutor de electricidade.
Os minerais sulfetados são os mais importantes para a indústria de extração do cobre. Calcopirita, calcocita e bornita são os principais minerais sulfetados de cobre. Secundariamente estão os minerais oxidados e carbonatados.
O processamento de minérios sulfetados seguido da pirometalurgia é responsável por 80% da produção mineral de cobre. A rota hidrometalúrgica é utilizada para produção de 20% do cobre a partir de minerais oxidados e carbonatados.
O cobre é extraído de minerais sulfetados através de processos pirometalúrgicos como redução, fusão, conversão e refino. Antes de alimentar os processos pirometalúrgicos é necessário enriquecer o minério sulfetado. Como o minério disponível é muito diluído (concentração menor que 2%) a massa a ser processada seria muito grande. O enriquecimento ocorre através de várias etapas físicas, constituindo o processo de beneficiamentomineral que envolve: britagem, peneiramento, moagem, flotação, sendoesta última a etapa de concentração. O concentrado obtido apresenta geralmente teor de cobre entre 30 e 35%.
Os minerais oxidados são tratados através de processos hidrometalúrgicos como lixiviação, extração por solventes, eletrorecuperação. Geralmente não é necessário realizar a etapa prévia de concentração mineral.
O cobre é largamente utilizado para transmissão de energia elétrica, dentro de residências e prédios comerciais (condutores) como também nos sistemas de geração de energia convencional (transformadores, geradores) e de energia renovável (solar, eólico, geotérmico, etc.) devido a sua excelente capacidade de condução de eletricidade e resistência à corrosão.
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