Aula 2 e 3 - INDÚSTRIA ELETROLÍTICA.pptx

TECNOLOGIA DE PROCESSOS INORGÂNICOS

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA

ELETRÓLISE E INDÚSTRIA ELETROLÍTICA A palavra eletrólise é originária dos radicais eletro (eletricidade) e lisis

(decomposição), ou seja, decomposição por eletricidade, podendo ainda ser chamada literalmente de eletrodecomposição;

É o processo que separa os elementos químicos de um composto por meio da eletricidade, é uma reação de oxirredução;

Resumindo, procede-se primeiro à decomposição (ionização ou dissociação) do composto em íons e, posteriormente, com a passagem de uma corrente contínua através destes íons, são obtidos os elementos químicos.

CUBA ELETROLÍTICA

A convensão de sinais na eletrólise é oposta a convensão de sinais da

pilha voltaica.

ELETRÓLISE E INDÚSTRIA ELETROLÍTICA As primeiras experiências envolvendo

eletrólise foram iniciadas pelo químico inglês Humphry Davy, que em 1778 obteve o elemento químico potássio passando uma corrente elétrica através do carbonato de potássio (potassa) fundido;

Em 1808, através de sugestões dadas por Jöns Jacob Berzelius, Davy efetuou melhorias no processo, e conseguiu isolar outros elementos a partir dos seus óxidos como o magnésio e o bário;

Em muitos casos, dependendo da substância a ser eletrolisada e do meio em que ela ocorre, além de formar elementos ocorre também a formação de novos compostos.

INDÚSTRIA ELETROLÍTICAAo longo dos anos a eletrólise se desenvolveu substancialmente,

possibilitando a sua aplicação industrial na produção de diversos metais, seja por redução ou oxidação dos mesmos a partir dos estados naturalmente

encontrados.

A eletrólise possui muitas aplicações na indústria química:

Na produção de metais, como sódio, magnésio, potássio, alumínio e etc;

Na produção de não-metais: cloro, flúor, hidróxido de sódio, peróxido de hidrogênio;

Galvanização - deposição de finas películas de metais sobre peças metálicas ou plásticas (cromagem, niquelagem, prateação, douração, anodização – oxidação forçada da superfície);

Purificação ou refino eletrolítico de metais: cobre e chumbo.

INDÚSTRIA ELETROLÍTICAEnergia elétrica é extensamente consumida pelas indústrias

eletrolíticas;

O custo da eletricidade é geralmente fator decisivo nessas indústrias;

As indústrias eletrolíticas tendem a estabelecer-se nas regiões onde há disponibilidade de energia elétrica barata (perto de usinas hidroelétricas);

INDÚSTRIA ELETROLÍTICAO QUE VAMOS ESTUDAR?

o PRODUÇÃO DO ALUMÍNIO;

o MAGNÉSIO;

o SÓDIO;

o CLORATOS E PERCLORATOS;

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA: ALUMÍNIO É um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre

(8%), ultrapassado apenas pelo silício e oxigênio; Não é encontrado livre na natureza, somente na forma

combinada (óxidos);

Possui excelentes propriedades físico-químicas: Baixo peso específico; Resistência à corrosão; Alta condutividade térmica e elétrica; Infinita reciclagem Formação de ligas com outros metais (Cu, Mg, Zn, Si,

Cr e Mn).

Possui ampla utilização: Construções civil e pública; Transpote; Vasilhames e embalagens; Utensílios elétricos; Bens duráveis; Maquinaria e equipamentos, etc;

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA: ALUMÍNIO O mineral mais importante para se extrair o alumínio é a bauxita (Al2O3),

geralmente nomeada como óxido de alumínio;

Este, depois de separado das impurezas, recebe o nome de alumina. No Brasil, os depósitos de bauxita mais importantes são os de Minas Gerais e do Pará;

O alumínio foi descoberto por Sir Humphrey Davy em 1809 e foi isolado pela primeira vez em 1825 por H. C. Oersted;

Porém, apenas em 1886 foi desenvolvido um processo industrial econômico para a obtenção do alumínio metálico por meio da redução da bauxita;

Neste ano, dois cientistas trabalhando independentemente, Charles Martin Hall, nos Estados Unidos, e Paul Louis Héroult, na França, inventaram o mesmo procedimento eletrolítico para reduzir a alumina em alumínio.

FABRICAÇÃO DO ALUMÍNIOMINERAÇÃO DA BAUXITA

BENEFICIAMENTO DA BAUXITA

OBTENÇÃO DA ALUMINA

REDUÇÃO (ELETRÓLISE) DA ALUMINA A ALUMÍNIO METÁLICO

MINERAÇÃO E BENEFICIAMENTO DA BAUXITA

A bauxita é extraída, lavada e secada antes de ser enviada para a refinaria onde se produz o alumínio;


Na refinaria a bauxita é submetida ao processo BAYER de beneficiamento

PROCESSO BAYER DE BENEFICIAMENTO DA BAUXITA


DIGESTÃO MOAGEM + DIGESTÃO EM NaOH

CLARIFICAÇÃO SEPARAÇÃO ENTRE A FASE SÓLIDA (RESÍDUO INSOLÚVEL) E LÍQUIDA (SOLÚVEL) SEGUIDA DE PRECIPITAÇÃO

CALCINAÇÃO LAVAGEM, SECAGEM E CALCINAÇÃO PARA DESIDRATAR OS CRISTAIS E FORMAR ALUMINA PURA

ENCAMINHAMENTO DA ALUMINA PARA ELETRÓLISE

REDUÇÃO/ELETRÓLISE DO ALUMÍNIOPROCESSO HALL - HÉROULT

Criolita (Na3AlF6)

1000 ºC

Alumina é reduzida

Oxigênio combina como carbono desprendendo CO2

REDUÇÃO/ELETRÓLISE DO ALUMÍNIO

CORTE ESQUEMÁTICO DA CUBA DE REDUÇÃO DE ALUMÍNIO (ALUMINUM Co. OF AMERICA)

REDUÇÃO/ELETRÓLISE DO ALUMÍNIO

REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO NA CUBA ELETROLÍTICA

5 kg de bauxita 2 kg de alumina 1 kg de alumínio metálico

1kg alumínio = 2 kg alumina + 100g criolita + 10 Kw de energia

RECICLAGEM DO ALUMÍNIO


Vamos aos passos da reciclagem:

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA: MAGNÉSIO O magnésio é um metal alcalino-terroso, sólido nas condições

ambientais.

É o sétimo elemento mais abundante na crosta terrestre, onde constitui cerca de 2% da sua massa.

A alta solubilidade dos íons de magnésio na água assegura-lhe a posição como terceiro elemento mais abundante na água do mar.

O magnésio é um metal bastante resistente e leve (mais leve do mundo), aproximadamente 30% menos denso que o alumínio;

Possui coloração prateada, perdendo seu brilho quando exposto ao ar, por formar óxido de magnésio;

Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo uma chama branca;

Reage com a água somente se esta estiver em ebulição, formando hidróxido de magnésio e liberando hidrogênio;

Forma ligas com Zn e Mn.

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA: MAGNÉSIO

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA: MAGNÉSIO• As ocorrências naturais são sob a forma de:

– Cloretos;– Água do mar;– Silicatos;– Óxido hidratado;– Sulfato ou carbonato, como sais simples ou complexos;– Pode ser encontrado em mais de 60 minérios

diferentes;


Os compostos de magnésio usados extensamente como:

Refratários e compostos isolantes;Manufatura de borracha;Produtos bélicos;Tintas de impressão;Produtos farmacêuticos;Artigos de beleza (Talco- silicato de magnésio);Fertilizantes;Artefatos pirotécnicos.


• O magnésio foi isolado em 1808 por Sir Humphry Davy;

• Em 1828 o cientista francês Bussy reduziu cloreto de magnésio anidro com potassio;

• Em 1833 Faraday realizou a primeira eletrólise de cloreto de magnésio fundido para produção de magnésio metálico. A obtenção do magnésio era cara, o que dificultava sua produção em larga escala;

• No entanto, a Alemanha ja se destacava como um pais produtor do metal (para fins bélicos e pirotécnicos), que inclusive era conhecido por “the German metal”.

FABRICAÇÃO DO MAGNÉSIOUma das principais caracteristicas da industria do magnésio é a quantidade de

diferentes processos de produção, não havendo nenhuma tecnologia de produção dominante usada ao redor do mundo.

• As principais fontes de sais de magnésio são:– Água do mar– Alguns poços– Salmoura da extração de cloreto de sódio– Salinas– Minerais:

• Magnesita, MgCO3• Dolomita, CaCO3.MgCO3• carnalita, MgCl2.KCl.6(H2O)• brucita, Mg(OH)2• olivina, (Mg,Fe)2SiO4• Talco, Mg3Si4O10(OH)2

• Serpentina, 3MgO.2SiO2.2H2O

PROCESSO DE PRODUÇÃO DO MAGNÉSIO

Diversos metodos de produção são empregados em larga escala para a produção do magnésio, que podem ser basicamente divididos em dois grupos principais:

Eletrólise do cloreto de magnésio: Consiste na passagem de corrente elétrica por celulas eletrolíticas contendo cloreto de magnésio fundido. O que faz com que os íons de magnésio sejam reduzidos a magnésio metálico e os íons cloreto sejam oxidados a cloro gasoso.

Redução térmica do óxido de magnésio: Baseia-se no aquecimento do óxido de magnésio (magnésia) na presenca de agentes redutores em determinadas temperaturas. Em temperatura particular, que depende do material redutor utilizado, a redução ocorre e o magnésio se torna metálico, geralmente em forma gasosa.

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIO Diferentemente do alumínio, cuja eletrólise é feita a partir do óxido, a eletrólise

do magnésio e feita a partir do cloreto;

A obtenção e preparação da matéria-prima para a eletrólise é a parte do processo que mais varia de uma empresa para outra. Pode-se dividir a matéria-prima em duas classes:

Minérios já contendo magnésio na forma de cloreto:

• Utiliza-se como matéria-prima a água do mar;

• A água do mar é evaporada em grandes piscinas obtendo-se os cristais de cloreto;

• Processo mais econômico;

• Obtenção de Cl2 e HCl como subprodutos;

Minérios com Mg em outra formas (silicatos e carbonato):

• Devem-se transformar os compostos em cloreto de magnésio antes da eletrólise;

• Trata-se de reagir HCl ou Cl2 com o minério já beneficiado;

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIOREAÇÕES DO PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO DOS MINÉRIOS EM MgCl2

No entanto, nem todos os processos consistem na reação direta entre o minério e o ácido clorídrico ou o gás cloro. Muitas vezes a formação de compostos intermediários é utilizada para beneficiar o minério.

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIOSECAGEM (150º a 200ºC)

LEITOS FLUIDIZADOSSPRAY DRYERSSECO PELA PASSAGEM DE GASES

QUENTESPODE OCORRER HIDRÓLISE DO MgCl2

CLORAÇÃO

OCORRE A RETIRADA DA ÁGUA RESTANTEREDUÇÃO DO MgO FORMADO NA

ETAPA DA SECAGEMFUSÃO E PURFICAÇÃO DO MgCl2

Pode ocorrer a hidrólise do MgCl2 a MgO

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIOCLORADOR DE 3 CAMADAS

CÂMARA DE FUSÃO

CÂMARA DE CLORAÇÃO

CÂMARA DE DECANTAÇÃO

O material permanece certo tempo na terceira câmara, que também conhecida como câmara de decantação (settling chamber), de forma que o óxido de magnésio que não reagiu e outros materiais insolúveis decantam formando uma lama, enquanto o cloreto já fundido é limpo e transferido para as células eletrolíticas.

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIOCÉLULA ELETROLÍTICA PARA ELETRÓLISE DO Mg

MgCl2 fundido entra na cuba;

Mistura-se NaCl para baixar o ponto de fusão e aumentar a condutividade;

Ânodos de grafita (onde ocorre desprendimento de gás Cl2);

Cátodos de aço(parte interna da cuba) onde ocorre formação de Mg métálico líquido;

Podem possuir um trocador de calor para manter a temperatura do banho (665-720ºC); O eletrólito deve possuir densidade maior que a

do magnésio (1,65 g/cm3), para permitir a flotação do Mg metálico líquido.

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIO

Alguns exemplos de processos de redução eletrolítica do magnésio utilizados industrialmente.

ELETRÓLISE DO MAGNÉSIO

ESTUDAR PROCESSO DOW DE ELETRÓLISE DO MAGNÉSIO SHREVE, PÁG 207, FIGURA 14.6.

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA:SÓDIO É um metal alcalino, sólido na temperatura ambiente,

macio, de coloração branca, ligeiramente prateada;

Muito abundante na natureza, encontrado no sal marinho e no mineral alita (NaCl);

Na sua fórmula metálica reage violentamente com a água e é corrosivo quando entra em contato com a pele;

É geralmente estocado sob querosene ou, preferivelmente, em recipientes com atmosfera de nitrogênio;

Foi isolado em 1807 por Sir Humphry Davy por meio da eletrólise da soda cáustica fundida ;

O sódio metálico emprega-se em síntese orgânica como agente redutor;

Em ligas anti-atrito com o chumbo para a produção de balas ( projéteis ). Com o chumbo também é usado para a produção de aditivos antidetonantes para as gasolinas;

Na fabricação de detergentes combinando-o com ácidos graxos;

Na purificação de metais fundidos;

A liga NaK é empregada como transferente de calor. O sódio também é usado como refrigerante;

É empregado na fabricação de células fotoelétricas;

Na iluminação pública, através das lâmpadas de vapor de sódio;

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA:SÓDIO


Os compostos de sódio de maior importância industrial e comercial são:

Carboneto de sódio - carboneto metálico ( Na2C2);Cloreto de sódio – NaCl;Carbonato de sódio – NaCO3;Bicarbonato de sódio ( NaHCO3 );Hidróxido de sódio - soda cáustica ( NaOH );Nitrato de sódio - salitre de Chile ( NaNO3 ); Sulfato de sódio - Chamado de Sal de Glauber quando deca-

hidratado (Na2SO4.10H20);Tiosulfato de sódio penta-hidratado ( Na2S2O3 . 5H2O);Bórax ( Na2B4O7 · 10H2O);


Os metais alcalinos não ocorrem de forma elementar na natureza, devendo ser extraídos dos seus compostos:

• São os agentes químicos redutores mais fortes conhecidos, desta forma não podem ser obtidos por redução de óxidos;

• São eletropositivos, reagem com água e, portanto não podem ser obtidos em solução por deslocamento por outro metal situado acima na série eletroquímica;

• A eletrólise de soluções aquosas não se presta para obter os metais puros, a não ser que se usem eletrodos de Hg, com o que se obtém amálgama, mas a recuperação do metal puro de amálgama é difícil;

• A forma mais econômica de obter os metais é por eletrólise, geralmente de halogenetos fundidos contendo impurezas para abaixar o ponto de fusão;

ELETRÓLISE DO SÓDIOPROCESSO DOWNS

• Eletrólise do NaCl fundido;• Ânodo de carvão;• Cátodo de ferro;• Ânodo e cátodo em

compartimentos separados para facilitar a recuperação do sódio e cloro;

• Adiciona-se CaCl2 no NaCl para diminuir o ponto de fusão da eletrólise (600ºC);

• Cristais de cálcio sedimentam no banho;

• Sódio metálico menos denso que a solução fundida flota;

• Sódio metálico é vazado em nitrogênio líquido para se solidificar;

• Liberação de gás esverdeado (Cl2) no ânodo;

ELETRÓLISE DO SÓDIOREAÇÃO GLOBAL

O sódio é resfriado, moldado em blocos os quais são armazenados em meio inerte (óleo mineral) para evitar reação com o oxigênio do ar;

O gás Cl2 é resfriado e comprimido para ser enviado à venda;

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA:CLORATOS E PERCLORATOS

Um clorato é um sal que contém o ânion ClO3-,

derivado do ácido clórico HClO3;

Contém o cloro no estado de oxidação +5;

Trata-se de oxidante forte já que pode ser oxidado a perclorato ClO4

-;

Devido ao seu elevado caráter oxidante e sua alta instabilidade associada não é encontrado na natureza.

Exemplos de sais de clorato: Clorato de sódio (NaClO3) Clorato de potássio (KClO3) Clorato de magnésio - Mg (ClO3)2

INDÚSTRIA ELETROLÍTICA:CLORATOS E PERCLORATOS

Aproximadamente a metade da produção de clorato de sódio destina-se ao alvejamento da polpa de madeira;

São utilizados também em propelentes sólidos para foguetes, herbicidas e desfolhantes;

Os cloratos são encontrados também constituindo algumas fórmulas de materiais pirotécnicos, porém, devido a sua instabilidade, foram substituídos pelos percloratos mais seguros;

Também são empregados na elaboração de alguns explosivos. Suas misturas com materiais inflamáveis são extremamente perigosas já que podem detonar sem razão aparente.

FABRICAÇÃO DO CLORATO DE SÓDIO

Eletrólise da salmoura acidulada; Bicromato de sódio (diminui a ação

corrosiva do ácido hipocloroso liberado pelo HCl presente;

Cloreto de bário: precipita o cromato.

NaOH obtido no cátodo; Cl2 obtido no ânodo; Ocorre a mistura dos produtos obtendo-

se NaClO (hipoclorito de sódio) que é oxidado a NaClO3.

REAÇÃO GLOBAL : NaCl (aq) + 3H2O (l) NaClO3 (aq) + 3 H2(g)

FABRICAÇÃO DO CLORATO DE SÓDIO

PARA PRODUZIR 1000 KG DE CLORATO DE SÓDIO:

CLORETO DE SÓDIO 565 KG

ÁCIDO CLORÍDRICO 13,5 KG

BICROMATO DE SÓDIO 0,5 KG

CLORETO DE BÁRIO 6,5 KG

GRAFITA CONSUMIDA 8,5 KG

ENERGIA ELÉTRICA 5620 kWh

VAPOR DE ÁGUA 5500 KG

ENERGIA PARA MOTORES 79 KWh

ÁGUA 250 m3

MÃO-DE-OBRA 8,8 HOMENS-HORA

ATIVIDADE EM SALAArtigo: “Lama vermelha da indústria de beneficiamento da alumina: produção, características, disposição e aplicações alternativas”.

Explique o método de produção da lama vermelha e suas características;

Quais os métodos de disposição final? Explique resumidamente cada um.

Quais os problemas causados por sua disposição inadequada?

Aplicações alternativas para a lama vermelha.

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