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ELETRORRECUPERAÇKO DO COBRE NUMA ctLULA OE LEITO CIRCULANTE

GUILLERMO NAHUI-PALOMINO (1)

FLORA NELLY BRAVO OE NAHUI (2)

R E S U M O

Apresenta-se os resultados de um estudo experimental con duzido numa célula, constituída por um catôdo de leitocii' ｣ｾｬ｡ｮｴ･＠ de partículas condutoras, rara o caso da ｲ･｣ｵｰ･ｲｾ＠çao do cobre a partir de uma soluçao diluída de sulfato de cobre em meio ácido. Discute-se a influência dos parâ metros preponderantes (potencial de eletrodo vazão do ele trólito, ângulo de inclinação da célula) sobre a perfor rnance (eficiência de corrente e extração eletroquirnica )­da célula operando sob condiçÕes potenciostáticas.

ABSTRACT

This paper presents the results of an experimental study of the behaviour of a circulating bed electrochemical reac tor extracting Cu (II) from a recirculating batch of an ã cidified electrolyte under potentiostatic conditions as ã function of applied potential, electrolyte flow rate,and angle of inclination of the reactor. Results show that this type of reactor is capable of scaling up ronventional cclls having low performances to give high performances in relatively small reactor volumes.

(1) Eng9 Químico e Ph.D. em Engenharia Química. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Química da UFPB/Campus II.-Av. Apri gio Veloso, 882.- CEP. 58.100.- Camp ina Grande-Pb- Brasil. -(2) Enga. Químico, M. Se., Professora Adjunto do Departamento de Mineração e Geologia-CCT-Campus II/UFPB.- Campina Grande-Pb.

910

1. INTRODUÇAO

A eletrorrecuperação de metais a partir de soluções diluidas

é de considerável ｩｮｴ･ｲｾＮ＠ Com o esgotamento das jazidas de altos

teores, minérios com teores cada vez mais baixos são tratados.Sendo

a lixiviação uma boa alternativa para o tratamento de minérios ｰｾ＠

bres, os licores da lixiviação desses minérios apresentam ｮｯｲｭ｡ｬｭ･ｾ＠

te baixas concentrações metálicas, o que torna anti-econômica a ｲｾ＠

cuperação eletrol{tica por processos convencionais ou seja sobre ･ｾ＠

trodos planos devido ao elevado consumo de energia elétrica por ｣｡ｾ＠

aa da evolução excessiva de hidrogênio no catôdo interferindo com a

deposição metálica. Recentemente vários métodos para o tratamento ｾ＠

letrol{tico de soluções diluidas tem-se desenvolvido sendo um dos

mais promissores: as células com catôdo fluidisado. O eletrodo de

leito fluidisado, que surgiu ao final da década do sessenta, foi a

pontado por vários pesquisadores como uma alternativa para a ｲ･｣ｵｰｾ＠

ração de metais a partir de soluções diluidas(l-lll, rejeitos ｩｮ､ｵｾ＠

triais(S,ll)ou mesmo soluções concentradas( 6 •7 •12 • 13l, tendo ainda

outras aplicações, como por exemplo: em reaçôes de eletro sintese

orgânica< 14- 16 le no eletrorefino de metais(l?). Entretanto, é para

a eletrorrecuperação de metais que a maioria dos estudos são dirigi

dos. A razão para esta posição de destaque do eletrodo

é que ele possui uma série de vantagens em relação aos

fluidisado

eletrodos

planos convencionais, por exemplo, grande área superficial por uni

dade de volume do catôdo e grande aumento na taxa de transferência

de massa.

Apesar das vantagens citadas acima a célula como catôdo fluid!

sado, quando submetido a funcionamento durante per{odos longos na

eletrorrecuperação de metais, apresenta problemas de aglomeração das

part{culas metálicas no catôdo alimentador de corrente ("feeder"f e

sobre o diafragma usado para separar os compartimentos catôdico e

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911

anôdico(12

• 181 • Estes problemas podem ser evitados ao inclinar a

célula de leito fluidisado para longe da vertical obtendo-se o que

é conhecido como uma célula de leito circulante ("circulating bed

electrochemical reactor";C.B.E.R). A estrutura do leito ｣ｩｾｴ･＠

pode ser considerada como uma variante da metade dum leito de ｪｾ＠

rro("spouted bed") (l91 no qual duas fases de partículas eletrônicas

condutoras são observadas (Fig.l): uma fase diluida de partículas

("spout") em rápido movimento na direção ascendente nas vizinhanças

do diafragma ao mesmo tempo que a outra fase densa de partículas

("falling"J descende vagarosamente ao longo da parede oposta ao

diafragma incluindo o "feeder". O presente trabalho descreve o CX=!!!

portamento geral dum c.B.E.R. durante a deposição catôdica do ｣ｾ＠

bre a partir de soluções ácidas de sulfato de cobre examinando a

influência dos seguintes parâmetros sobre a cinética de extraÇão

do cobre: potencial do catôdo, vazão do eletrolito e ângulo de in

clinação da célula com relação à vertical,

2, PARTE EXPERIMENTAL

2.1 A célula

Os experimehtos efetuaram-se numa célula de geometria ｲ･ｴ｡ｮｧｾ＠

lar do tipo "side-by-side", isto é, o fluxo de corrente é ｰ･ｲｰ･ｾ＠

dicular à direção do fluxo de eletrolito. A ｣￩Ｂｬｵｬ｡ＧＮｦｯｩＭ｣ｯｮｾｴｲｵｦ､｡＠

em acrílico. As dimensões do compartimento catôdico são: 0,3 m de

altura x 0.05 m de largura e 0,02 m de espessura (na direção da

corrente). A parte inferior deste compartimento inclui uma supe!

ficie inclinada a fim de deflexionar as partículas da fase densa

descendente na direção da entrada do eletrolito ao leito. O catõ

lito ingressa ao leito através dum distribuidor de vidro sinter!

zado o qual também sustenta o leito e-o "feeder". O compartimento

anôdico apresenta as mesmas dimensões como o catôdico com a exce.e

912

ção de que a espessura é de 0,01 rn, exatamente para contêr o anôdv,

A Fig. 1 mostra em forma esquemática a célula contendo o "feeder"

catÔdico constituido duma chapa de cobre de dimensões 0,05 m x0,3rn

O anÔdo é uma chapa de chumbo das mesmas dimensões que o "feeder".

Ambos os compartimentos são separados por uma membrana serniperrne!

vel aniônica (IONAC MA 3475) que por sua vez é soportada por umdia

fragma de Vyon F porose. Em todos os experimentos a massa do leito

de particulas de ｣ｯ｢ｾ･＠ {diâmetro meio de 650 ｾｲｮＩ＠ foi de 0,2 kg.

2. 2 ｅｬｾｯｬｩｴｯ＠ e Sistema Hidraúlico

O catolito conaiattu numa solução aquosa de concentração ini

cial aproximada de 120 ppm de iones eu2+ preparada a partir da sal

cuso4 p.a. Corno eletrolito soporte ·utilisou-se urna solução aquosa

1.5 M H2so4• O volume total de catôlito em cada experimento foi de

10-2 m3• Como anôlito usou-se urna soluÇão aquosa de 1.5 M H2so4 1!

vre de cobre. Todos os expetimentos efetuaram-se fazendo circular

o catôlito e anôlito por meio de bombas centrifugas através da c!

lula e retornando desde o seu topo por gravidade aos respectivos

reservat6rios. A vazão do eletrolito determinou-se por rotámetros

provistos de válvulas de agulha para o controle do fluxo. A ｴ･ｲｮｰｾ＠

ratura do eletrolito manteve-se a 259C por meio de trocadores de

calor. A Fig.2 mostra a parte hidraúlica.

2.3 Procedimento Experimental

A célula operou-se a potencial constante do catôdo usando um

potencioatato . A corrente mediou-se por uma resistência

(0,052 R) ligada em derivação a··urn voltimetro digital. Os

elétrica

pote!l

ciais de controle do eletrodo catÕdico, E, determinaram-se entre o

•feeder" e um eletrodo de referência (Hg/Hg2so4/1M Na 2so4l pormaio

dum voltimetro digital. A duração da eletrolise variou entre duas

e quatro horas. A concentração de iones cu2+ rnonitorou-se por

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913

Espectroscopia de Absorç5o Atómica. Os dados de eficiencia de c2

rrente obtiveram-se por integração das curvas corrente-tempo ･ｾ＠

lo cobre depositado determinado através da análise espectroscóp1

ca das soluões (desde o inicio da eletrolise até um tempo t) •

3. RESULTADOS E ｄｉｓｃｕｓｓｾｏ＠

3.1 Efeito da Variação do Potencial de Controle

A Fig. 3 apresenta a diminuição gradual da concentração ins

ｴｾｮｴ￡ｮ･｡＠ de cu 2+, C(t), com o tempo, t, para sé±s valores de E e

para urna vazão, Q = 4,08 x 10- 5 rn3 s-l Observa-se que conforme

cresce o potencial catódico, E, a taxa de deposição do cobre au

menta até atingir o valor de -0,95V, acima deste valor a ｶ･ｬｯ｣ｾ＠

de deposição não se altera em forma significativa. Isto sugere que

neste potencial a célula estaria operando sob condições de corren

1 d b d - . 2+ - d te imite garantin o urna oa eposiçao dos 1ones Cu atraves o

leito circulante. Na ausência de qualquer potencial aplicado,ci!

cuito aberto) a concentração dos iones cu 2+ aumenta com o êempo

devido à dissolução espontãnea das partículas do leito em meio

fortemente ácido.

A Fig. 4 descreve o efeito do potencial de controle na perfoE

mance da célula para um tempo de eletrolise t = 150 min. Obser

va-se que a eficiência de corrente aumenta passando por um rnãxi

mo para logo declinar com o acréscimo do potencial. Este decli

niodeve-se rnaiorrnente a que existe urna elevada proporção de co

rrente consumida para a evolução do gas hidrogénio, como reação

secundaria. Esta evolução torna-se mais vigorosa sob maiores P2

larizações catódicas. Paralelamente, a eficiência de extração in

crernenta na medida que a polarização catódica aumenta na região

de baixos potenciais catódicos mas em seguida tende a se tornar

constante, isto é, independente do potencial. Urna vez que num P2

914

tencial de -0,95V se atinge as ｣ｯｮ､ｩｾｳ＠ de corrente ｾ＾ｭｩｴ･Ｌ＠ ･ｦｾ＠

tuaram-se uma série de subsequentes ex;erimentos neste potencial.

3.2 Efeito da Variação da Vazão do Eleê=olito

O efeito da variação da vazão do catôltto sobre a taxa de ､ｾ＠

posição do cu2

+ é pequeno e não discernivel em forma sistemática

(Fig. 5). Este comportamento contrasta com a performance de· uma

célula de leito fluidisado relatado na literatura onde a taxa de

·deposição aumenta com o acréscimo da expansão do leito(lB), isto

é, com a vazão do eletrolito. A ausência de uma forte ､･ｰ･ｮｾ｡＠

da velocidade de depleção do cobre na expansão do leito deve-se

à natureza intrinseca do eletrodo de leito circulante( 20). Confor

me indicado na seção l tFig. ll, a estrutura do leito apresenta

duas fases com as partículas em circulação em contracorrente. A

partir das medidas experimentais dos perfis de potencial determ!

nadOs para um leito circulante de partículas de cobre por Coeuret

et ali. ( 2l), a atividade eletroqufmica ldeposição) acontece no

'iimite entre as fases ascendente e descendente e na própria fase

fase diluida. Isto sugere que a fase diluída ascendente, na qual

a condução elétrica intergranular provaveLmente não é satisfató

ria, detennina em grande medida <' distribuição do pote ncial, ex

plicando assim a independência da taxa de deposição c-:-m a vazao

do eletrolito. Torn,>-se evidente n este trabalho que a elevada tur

bulencia (em consenquência uma satisfat?ria transferência de ｭｾ＠

ssa) na fase diluida ascendente é cont=abalançada pela baixa con

dução elétrica intergranular, revelando desse modo que a taxa de

deposição não depence clar:nl'e:nte da vezãc do eletrolito.

3.3 Efeito da Vari0ção do Angulo de Inclinação

Na Fig. 6 mostra-se a variação da concentração com o ｴ･ｭｰｯｾ＠

ra quatro valores da inclinação da célula indicando claramente

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915

urna diminuição na taxa de deposição dos ienes cu 2+ conforme

menta o ângulo de inclinação,a, notando-se um valor óptimo na

9 9 9 faixa de O - lO . Observa-se que a 10 corresponde uma efetiva

extração dos iones cu2+. Isto obedece ao fato de que, a, deter

mina a respectiva espessura das duas fases: a espessura da fase

ascendente, onde se manifesta a atividade eletroqu!rnica,diminui

quando a incrementa 121). Para 0°(posição vertical) o leito ｣ｯｾ＠

porta-se aparentemente como um leito fluidisado apresentando as

ｾ･ｳｶ｡ｮｴ｡ｴ･ｮｳ＠ ji mencionadas na seção 1 e relatadas na ｬｩｴ･ｲ｡ｴｾ＠

ra(4, 12,18,20,21).

4. CONCLUSÕES

o C.B.E.R, possuindo a estrutura de um semi leito de jorro,

consiste em sua totalidade de urna fase diluída ascendente e de

uma fase densa descendente. Para o eletrolito e part!culas ut!

lizados,a atividade eletroqu!rnica encontra-se localizada na fa

se diluida e nas vizinhanças do diafragma.

Em conclusão, constatou-se a redução de cu2+ em diversos

experimentos desde 120 ppm até níveis de 0,1 ppm revelando ｾ＠

ssim que o C.B.E.R. constitui uma alternativa altamente efet!

va frente às células convencionais para a deposição de cobre

devido a suas características de performance já discutidas.

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