Os pesquisadores do MIT identificaram a temperatura adequada e a mistura química para separar seletivamente cobre puro e outros oligoelementos metálicos de minerais à base de enxofre usando eletrólise fundida. Esta etapa única, O processo ambientalmente correto simplifica a produção de metal e elimina os subprodutos tóxicos, como o dióxido de enxofre.

Pós-doutorado Sulata K. Sahu e o estudante de PhD Brian J. Chmielowiec '12 decompor minerais ricos em enxofre em enxofre puro e extrair três metais diferentes com pureza muito alta:cobre, molibdênio, e rênio. Eles também quantificaram a quantidade de energia necessária para executar o processo de extração.

Uma célula de eletrólise é um circuito fechado, como uma bateria, mas em vez de produzir energia elétrica, ele consome energia elétrica para quebrar os compostos em seus elementos, por exemplo, dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Esses processos eletrolíticos são o método principal de produção de alumínio e são usados ​​como a etapa final para remover impurezas na produção de cobre. Ao contrário do alumínio, Contudo, não há processos de decomposição eletrolítica direta para minerais de sulfeto contendo cobre para produzir cobre líquido.

Os pesquisadores do MIT descobriram um método promissor de formar cobre metálico líquido e gás de enxofre em sua célula a partir de um eletrólito composto de sulfeto de bário, sulfeto de lantânio, e sulfeto de cobre, que rende mais de 99,9 por cento de cobre puro. Essa pureza é equivalente aos melhores métodos atuais de produção de cobre. Seus resultados foram publicados em um artigo Electrochimica Acta com o autor sênior Antoine Allanore, professor assistente de metalurgia.

Processo de uma etapa

"É um processo de uma etapa, diretamente apenas decompõe o sulfeto em cobre e enxofre. Outros métodos anteriores são várias etapas, "Sahu explica." Ao adotar este processo, pretendemos reduzir o custo. "

O cobre está em crescente demanda para uso em veículos elétricos, energia solar, eletrônicos de consumo e outras metas de eficiência energética. A maioria dos processos de extração de cobre atuais queimam minerais de sulfeto no ar, que produz dióxido de enxofre, um poluente atmosférico prejudicial que deve ser capturado e reprocessado, mas o novo método produz enxofre elementar, que pode ser reutilizado com segurança, por exemplo, em fertilizantes. Os pesquisadores também usaram a eletrólise para produzir rênio e molibdênio, que são freqüentemente encontrados em sulfetos de cobre em níveis muito pequenos.

O novo trabalho baseia-se em um artigo de 2016 do Journal of The Electrochemical Society que oferece prova de extração eletrolítica de cobre de autoria de Samira Sokhanvaran, Sang-Kwon Lee, Guillaume Lambotte, e Allanore. Eles mostraram que a adição de sulfeto de bário a uma fusão de sulfeto de cobre suprimiu a condutividade elétrica do sulfeto de cobre o suficiente para extrair uma pequena quantidade de cobre puro da célula eletroquímica de alta temperatura operando a 1, 105 graus Celsius (2, 021 Fahrenheit). Sokhanvaran é agora um cientista pesquisador da Natural Resources Canada-Canmet Mining; Lee é pesquisador sênior do Instituto de Pesquisa de Energia Atômica da Coreia; e Lambotte é agora um engenheiro de pesquisa sênior na Boston Electrometallurgical Corp.

"Este artigo foi o primeiro a mostrar que você pode usar uma mistura onde, presumivelmente, a condutividade eletrônica domina a condução, mas não há realmente 100%. Há uma pequena fração iônica, que é bom o suficiente para fazer cobre, "Allanore explica.

"O novo artigo mostra que podemos ir além disso e torná-lo quase totalmente iônico, isto é, reduzir a participação da condutividade eletrônica e, portanto, aumentar a eficiência para fazer metal, "Allanore diz.

Esses minerais de sulfeto são compostos onde o metal e os elementos de enxofre compartilham elétrons. Em seu estado fundido, íons de cobre estão faltando um elétron, dando-lhes uma carga positiva, enquanto os íons de enxofre carregam dois elétrons extras, dando-lhes uma carga negativa. A reação desejada em uma célula de eletrólise é formar átomos elementares, adicionando elétrons a metais como cobre, e tirando elétrons do enxofre. Isso acontece quando elétrons extras são introduzidos no sistema pela voltagem aplicada. Os íons de metal estão reagindo no cátodo, um eletrodo carregado negativamente, onde eles ganham elétrons em um processo chamado redução; Enquanto isso, os íons de enxofre carregados negativamente estão reagindo no ânodo, um eletrodo carregado positivamente, onde eles desistem de elétrons em um processo chamado oxidação.

Em uma célula que usava apenas sulfeto de cobre, por exemplo, por causa de sua alta condutividade eletrônica, os elétrons extras simplesmente fluiriam através do eletrólito sem interagir com os íons individuais de cobre e enxofre nos eletrodos e nenhuma separação ocorreria. Os pesquisadores do Grupo Allanore identificaram com sucesso outros compostos de sulfeto que, quando adicionado ao sulfeto de cobre, mudar o comportamento do derretimento para que os íons, ao invés de elétrons, tornam-se os principais transportadores de carga através do sistema e, assim, permitem as reações químicas desejadas. Tecnicamente falando, os aditivos aumentam o bandgap do sulfeto de cobre, então ele não é mais eletronicamente condutor, Chmielowiec explica. A fração dos elétrons envolvidos nas reações de oxidação e redução, medido como uma porcentagem da corrente total, esse é o fluxo total de elétrons na célula, é chamada de eficiência faradaica.

Duplicando a eficiência

O novo trabalho dobra a eficiência para extração eletrolítica de cobre relatada no primeiro artigo, que foi de 28 por cento com um eletrólito onde apenas sulfeto de bário adicionado ao sulfeto de cobre, para 59 por cento no segundo artigo com sulfeto de lantânio e sulfeto de bário adicionados ao sulfeto de cobre.

"Demonstrar que podemos realizar reações faradaicas em um sulfeto de metal líquido é uma novidade e pode abrir a porta para o estudo de muitos sistemas diferentes, "Chmielowiec diz." Ele funciona para mais do que apenas cobre. Conseguimos fazer rênio, e fomos capazes de fazer molibdênio. "Rênio e molibdênio são metais industrialmente importantes que encontram uso em motores de aviões a jato, por exemplo. O laboratório Allanore também usou eletrólise fundida para produzir zinco, estanho e prata, mas conduza, níquel e outros metais são possíveis, ele sugere.

A quantidade de energia necessária para executar o processo de separação em uma célula de eletrólise é proporcional à eficiência faradaica e à voltagem da célula. Para água, que foi um dos primeiros compostos a ser separado por eletrólise, a voltagem mínima da célula, ou energia de decomposição, é 1,23 volts. Sahu e Chmielowiec identificaram as tensões celulares em sua célula como 0,06 volts para o sulfeto de rênio, 0,33 volts para sulfeto de molibdênio, e 0,45 volts para sulfeto de cobre. "Para a maioria de nossas reações, aplicamos 0,5 ou 0,6 volts, de modo que os três sulfetos são juntos reduzidos a metálicos, rênio, molibdênio e cobre, "Sahu explica. Na temperatura de operação da célula e em um potencial aplicado de 0,5 a 0,6 volts, o sistema prefere decompor esses metais porque a energia necessária para decompor o sulfeto de lantânio - cerca de 1,7 volts - e o sulfeto de bário - cerca de 1,9 volts - é comparativamente muito maior. Experimentos separados também provaram a capacidade de reduzir seletivamente o rênio ou o molibdênio sem reduzir o cobre, com base em suas energias de decomposição diferentes.

Potencial industrial

Metais estratégicos e de commodities importantes, incluindo, cobre, zinco, liderar, rênio, e molibdênio são normalmente encontrados em minérios de sulfeto e menos comumente em minérios à base de óxido, como é o caso do alumínio. "O que normalmente é feito é queimá-los no ar para remover o enxofre, mas ao fazer isso você produz SO2 [dióxido de enxofre], e ninguém tem permissão para liberar isso diretamente para o ar, então eles têm que capturá-lo de alguma forma. Existem muitos custos de capital associados à captura de SO2 e sua conversão em ácido sulfúrico, "Chmielowiec explica.

O processo industrial mais próximo da extração eletrolítica de cobre que eles esperam ver é a produção de alumínio por um processo eletrolítico conhecido como processo Hall-Héroult, que produz uma poça de metal de alumínio fundido que pode ser continuamente vazado. “O ideal é fazer um processo contínuo, "Chmielowiec diz." Então, no nosso caso, você manteria um nível constante de cobre líquido e periodicamente extrairia isso da célula de eletrólise. Muita engenharia foi investida nisso para a indústria do alumínio, então, esperançosamente, pegaríamos carona nisso. "

Sahu e Chmielowiec conduziram seus experimentos em 1, 227 C, cerca de 150 graus Celsius acima do ponto de fusão do cobre. É a temperatura comumente usada na indústria para extração de cobre.

Outras melhorias

Os sistemas de eletrólise de alumínio funcionam com 95 por cento de eficiência faradaica, portanto, há espaço para melhorias em relação à eficiência de 59% relatada pelos pesquisadores. Para melhorar a eficiência de suas células, Sahu diz, eles podem precisar modificar o projeto da célula para recuperar uma quantidade maior de cobre líquido. O eletrólito também pode ser ajustado, adição de sulfetos diferentes de sulfeto de bário e sulfeto de lantânio. "Não existe uma solução única que nos permita fazer isso. Será uma otimização levá-lo para uma escala maior, "Chmielowiec diz. Esse trabalho continua.

Sahu, 34, recebeu seu doutorado em química pela Universidade de Madras, na Índia. Chmielowiec, 27, um aluno de doutorado do segundo ano e um bolsista Salapatas em ciência e engenharia de materiais, recebeu seu bacharelado em engenharia química no MIT em 2012 e um mestrado em engenharia química pela Caltech em 2014.

O trabalho se encaixa no trabalho do Grupo Allanore em materiais fundidos em alta temperatura, incluindo avanços recentes no desenvolvimento de novas fórmulas para prever a semicondutividade em compostos fundidos e demonstração de uma célula termoelétrica derretida para produzir eletricidade a partir do calor residual industrial. O Grupo Allanore está buscando uma patente sobre certos aspectos do processo de extração.

Trabalho novo e significativo

"Usando o design inteligente da química do processo, esses pesquisadores desenvolveram uma rota muito nova para a produção de cobre, "diz Rohan Akolkar, o Professor Associado F. Alex Nason de Engenharia Química e Biomolecular na Case Western Reserve University, que não estava envolvido neste trabalho. "Os pesquisadores desenvolveram um processo que tem muitos dos principais ingredientes - é um limpador, escalável, e processo mais simples de uma etapa para a produção de cobre a partir de minério de sulfeto. "

"Tecnologicamente, os autores reconhecem a necessidade de tornar o processo mais eficiente, preservando a pureza intrínseca do cobre produzido, "diz Akolkar, que visitou o laboratório Allanore no ano passado. "Se a tecnologia for desenvolvida ainda mais e sua tecno-economia parecer favorável, então, pode fornecer um caminho potencial para a produção mais simples e limpa de cobre metálico, o que é importante para muitas aplicações ". Akolkar observa que" a qualidade deste trabalho é excelente. O grupo de pesquisa Allanore do MIT está na vanguarda no que diz respeito ao avanço da pesquisa de eletrólise de sal fundido. "

O professor de engenharia química da Universidade de Rochester, Jacob Jorné, diz:"Os processos de extração atuais envolvem várias etapas e exigem alto investimento de capital, portanto, melhorias caras são proibidas. A eletrólise direta dos minérios de sulfeto de metal também é vantajosa, pois elimina a formação de dióxido de enxofre, um poluente da chuva ácida. "

"A eletroquímica e a termodinâmica em sais fundidos são bastante diferentes dos sistemas aquosos [à base de água] e a pesquisa de Allanore e seu grupo demonstra que muita química boa foi ignorada no passado devido à nossa devoção servil à água, "Jorné sugere." A eletrólise direta de minérios de metal abre o caminho para um renascimento metalúrgico onde novas descobertas e processos podem ser implementados e podem modernizar a indústria de extração envelhecida e melhorar sua eficiência energética. A nova abordagem pode ser aplicada a outros metais de alta importância estratégica, como os metais de terras raras. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.