BR102013015279B1 - Sistema de produção e recuperação de metais por eletrodeposição e método de produção e eletrorrecuperação de metais utilizando dito sistema - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE PRODUÇÃO E RECUPERAÇÃO DE METAIS POR ELETRODEPOSIÇÃO E MÉTODO DE PRODUÇÃO E ELETRORRECUPERAÇÃO DE METAIS UTILIZANDO DITO SISTEMA. É descrito um sistema (100) de produção e recuperação de metais por eletrodeposição que compreende reservatório (10) para o eletrólito do metal que se deseja recuperar por eletrodeposição, reator eletroquímico (20) e respectiva fonte de corrente (30), inversor de frequência (40), controlador lógico (41) e bomba (B) e equipamentos auxiliares. O reator (20) compreende o alimentador (21), o coletor de corrente (22) e as partículas eletroativas que compõem o cátodo particulado poroso ou leito (25). O inversor de frequência (40) auxilia no ajuste dos valores de vazão utilizados nos leitos fixo e fluidizado do reator (20) de maneira a expandir o leito (25) fluidizado. O método para eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição utilizando o sistema (100) da invenção também é descrito.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção pertence ao campo dos sistemas de produção e eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição, mais especificamente, o sistema da invenção compreende um reator eletroquímico de leito pulsante associado a um sistema de pulso de vazão.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O processo de hidrometalurgia é utilizado para produção de muitos metais. Na presente invenção foram avaliados o processo e o reator para o cobre, mas deve ficar bem claro que todas as considerações aqui expostas se reterem a metais em geral.

A hidrometalurgia é um setor muito importante da metalurgia extrativa e representa cerca de 20% da produção mundial de cobre, estimada em 15,8 milhões de toneladas em 2010.

A principal tecnologia utilizada no refino consiste na seguinte sequência de etapas: 1) calcinação, 2) lixiviação, 3) purificação e 4) 20 eletrorrecuperação. Atualmente, a produção de cobre por rota hidrometalúrgica é limitada devido, principalmente, à dificuldade em dissolver em meio aquoso o minério de cobre mais comumente encontrado, a calcopirita (CuFeS2). Devido ao impacto ambiental da rota usualmente aplicada para a produção de cobre (rota pirometalúrgica), 25 novos métodos economicamente viáveis de extração do minério têm sido pesquisados, tais como dissoluções aquosas utilizando altas pressões e elevadas temperaturas, lixiviação seletiva utilizando um campo elétrico e membranas catiônicas, e lixiviação com o auxílio de bactérias, dentre outros.

As indústrias hidrometalúrgicas geralmente utilizam eletrodos planos em que, no caso da produção de cobre, são aplicadas densidades de corrente da ordem de 300 A m'2. Devido à pequena área superficial específica deste tipo de eletrodo, células eletroquímicas extremamente 5 grandes são requeridas para se obter uma elevada produtividade. Além destas limitações, existem outras desvantagens em se utilizar eletrodos planos, como a necessidade de coletar o depósito do substrato, a intensa liberação de vapores ácidos devido ao tamanho das células eletroquímicas, que podem oxidar os contatos elétricos ou mesmo causar 10 danos à saúde e a necessidade de se utilizar um grande número de placas anódicas. Os ânodos de PbO2, geralmente usados nos processos de eletrorrecuperação, têm como principal desvantagem a baixa resistência à corrosão, principalmente durante a manutenção da célula ou remoção do eletrodepósito que, em muitos casos, ocorre diariamente, 15 diminuindo sua vida útil, além de produzir um depósito catódico de qualidade inferior devido à incorporação de chumbo. Com o objetivo de minimizar estes problemas, é necessária a utilização de aditivos químicos.

Neste contexto, o eletrodo tridimensional, em especial o eletrodo particulado, apresenta-se como uma alternativa para superar alguns dos 20 problemas associados ao processo convencional. Altas densidades de corrente elétrica poderiam ser aplicadas nestes reatores particulados (até 4500 A m'2) sem prejudicar a qualidade do depósito, uma vez que estes eletrodos apresentam elevada área superficial, pela qual a corrente elétrica fornecida é distribuída no meio poroso. Além disto, caso as 25 partículas sejam do mesmo material do metal a ser depositado, a etapa de remoção do depósito seria desnecessária, reduzindo bastante os custos com mão-de-obra e por paradas na produção. Devido à grande redução do volume do reator, uma substituição do ânodo de chumbo por um que seja dimensionalmente estável poderia se tornar viável e reduzir, ou até mesmo eliminar a necessidade de aditivos químicos.

Dentre os eletrodos de leito particulado, o de leito fixo tem sido muito estudado, particularmente na área de tratamento de efluentes, em 5 que a concentração de metais é baixa. As principais características do leito fixo são a alta condutividade elétrica da fase sólida e o elevado valor do coeficiente de transporte de massa. Essas características promovem altos valores de eficiência de corrente, fazendo com que o leito fixo seja a configuração mais eficiente para a eletrodeposição de metais. Entretanto, 10 quando a concentração do metal é muito alta, o entupimento do eletrodo decorrente da deposição do metal nos poros do eletrodo ocorre muito rapidamente, impossibilitando a utilização do mesmo em escala industrial.

Visando solucionar os problemas relacionados ao leito fixo, surgiu então o eletrodo de leito fluidizado (ELF), no qual as partículas condutoras 15 são mantidas em estado fluidizado estacionário por um fluxo ascendente de eletrólito. Este tipo de eletrodo foi proposto para a eletrorrecuperação contínua de metais, uma vez que a aglomeração das partículas não ocorre. No ELF, a taxa de reação é bastante sensível às condições fluidodinâmicas, uma vez que a condutividade da fase sólida depende da 20 frequência estatística de choque entre as partículas, diretamente influenciada pela expansão do leito, por isso, zonas de dissolução dentro do cátodo poroso podem ocorrer, especialmente em soluções muito ácidas.

Neste contexto, o eletrodo de leito pulsante surge como alternativa 25 para obter altos valores de eficiência de corrente, evitando a ocorrência de aglomeração das partículas. Neste tipo de eletrodo, o leito fixo é periodicamente fluidizado por pulsos regulares de vazão que podem ser gerados por dispositivos mecânicos ou elétricos.

Outra vantagem do leito pulsante reside no fato de os pulsos de vazão promoverem a homogeneização das partículas no interior do leito, uma vez que a atividade eletroquímica ao longo do campo elétrico não é uniforme, gerando zonas com diferentes taxas de eletrodeposição.

Processos eletroquímicos

Os processos eletroquímicos oferecem várias abordagens promissoras para o tratamento de problemas de poluição e para a obtenção de produtos químicos de interesse comercial. Entre as principais características que tornam estes processos atrativos tem-se: (i) versatilidade - oxidações e reduções diretas e indiretas, separações de fases, funções biocidas, podem lidar com muitos tipos de poluentes e reagentes (gases, líquidos e sólidos), e podem tratar desde microlitros até milhões de litros; (ii) eficiência energética - os processos eletroquímicos geralmente requerem temperaturas inferiores às exigidas pelos processos alternativos não eletroquímicos (por exemplo, a incineração térmica e processos catalíticos). Os potenciais podem ser controlados e os eletrodos e células podem ser projetados de modo a minimizar as perdas de energia devidas à distribuição não uniforme de corrente, quedas de voltagem e reações laterais; (iii) facilidade de automação - as variáveis elétricas usadas nos processos eletroquímicos (corrente, voltagem) são particularmente adaptadas para facilitar aquisição de dados, automação e controle do processo; (iv) compatibilidade ambiental - o principal reagente em um processo eletroquímico é o elétron, considerado um “reagente limpo”. Frequentemente, não é necessária a adição de qualquer outro reagente extra. Além disso, a alta seletividade de muitos destes processos pode ser usada para prevenir a produção de subprodutos indesejáveis.

Um processo eletroquímico ocorre em um reator eletroquímico, que pode ser definido, de uma maneira global, como um aparato no qual 5 reações químicas ocorrem diretamente devido à aplicação de energia elétrica ao mesmo.

Um reator eletroquímico é constituído, em essência, de dois condutores eletrônicos, chamados eletrodos, imersos em um líquido condutor denominado eletrólito. Os eletrodos são conectados, 10 externamente ao banho eletrolítico, a dois terminais de uma fonte de eletricidade. Quando uma diferença de potencial de magnitude suficiente é aplicada aos eletrodos ocorre uma transferência de elétrons entre cada eletrodo e o líquido, resultando em um fluxo de eletricidade no circuito externo e em reações químicas em cada eletrodo.

Dentre os reatores eletroquímicos existentes destacam-se aqueles que utilizam eletrodos particulados devido à grande área superficial específica e às altas taxas de transferência de massa. Essas vantagens tornam os eletrodos particulados ideais para diversos campos de aplicação. Nos chamados eletrodos particulados o movimento das 20 partículas, resultante da passagem do eletrólito no interior da matriz porosa, define o tipo do reator como sendo eletrodo de leito fixo, fluidizado, jorro ou pulsante, sendo este último parte do sistema de eletrorrecuperação de metais objeto do presente pedido.

O leito pulsante consiste de um reator com geometria retangular ou 25 cilíndrica no interior do qual são inseridas partículas eletroativas sobre cuja superfície a reação eletroquímica irá ocorrer.

O principal diferencial do reator de leito pulsante consiste no modo de operação em que a vazão de eletrólito é admitida ao reator eletroquímico, a qual varia em regime de pulsos com o objetivo de alternar a condição do leito entre os estados de fixo e fluidizado. Através desta abordagem obtém-se um reator cujo desempenho é o somatório das qualidades dos leitos fixo e fluidizado.

A literatura mostra uma série de documentos a respeito do assunto.

Assim, a patente U.S. 3.966.571 trata de um reator eletroquímico de leito pulsante, no entanto a forma de geração de pulsos, os aspectos construtivos do reator, as partículas e a aplicação são diferentes do que é solicitado no presente pedido.

Na publicação FR 2.745.823, correspondente à publicação 10 internacional WO9733014, a forma de geração dos pulsos e as aplicações a que se destina o reator são completamente diferentes do que é proposto no presente pedido.

A publicação internacional WO8707653 trata de outra aplicação de um reator eletroquímico com configuração diferente daquela proposta no 15 presente pedido. É interessante citar ainda os artigos a seguir, embora todos apresentem reatores com aspectos construtivos diferentes daqueles aqui propostos, bem como outros tipos de pulsos e aplicações diversas. Behaviour, modeling and simulation of a pulsed three-dimensional 20 radial electrode with continuous solid flow (J. Appl. Electrochem. 34, 417- 426, 2005); Mass-transfer study in a pulsed bed electrode - application to the electrodeposition of a poly(dibenzo-18-crown-6) film (Can. J. Chem. Eng. 72, 153-159, 1994).Electrochemical synthesis and characterization of polypyrrole deposited on porous electrode (Synth. Met. 55, 1495-1500, 25 1993); Polymerization of pyrrole in a pulsed bed electrode: Mass transfer study (Electrochim. Acta 38,217-220, 1993); Pulsed bed reactor for the preparation of polypyrrole deposited on graphite particles (Electrochim. Acta 36, 1953-1957, 1991); Experiments on copper recovery in a pulsed granular fixed bed electrode (J. Appl. Electrochem. 18,162-165, 1988)

Seria tecnicamente interessante obter um sistema incluindo um reator eletroquímico, no qual reações eletroquímicas ocorram de maneira otimizada, isto é, com elevada eficiência de corrente, baixo consumo energético e elevada taxa de reação, de maneira a viabilizar a produção 5 econômica de metais que são passíveis de serem obtidos pela técnica de eletrodeposição em processos hidrometalúrgicos como os de produção de cobre, zinco, níquel, ouro, prata, platina, paládio e cobalto, sem estar limitados a estes.

O sistema também pode ser aplicado para o tratamento dos efluentes 10 destes processos e de outras indústrias que geram águas residuárias contendo metais pesados.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O sistema de produção e recuperação de metais por eletrodeposição conforme a invenção compreende: a) um reservatório para o eletrólito; b) um reator eletroquímico e respectiva fonte de corrente; c) um inversor de frequência, um controlador lógico e bomba; d) multímetro e microcomputador para coleta de dados; e e) medidor de vazão, válvula diafragma, válvula de by-pass e válvula para 20 esgotamento da solução eletrolítica, de modo que em funcionamento, a partir do reservatório onde está inicialmente contido o eletrólito é bombeado por uma bomba centrífuga e circula pelo dito reator eletroquímico em circuito fechado, retornando ao reservatório, a vazão utilizada para a fluidização do leito do reator eletroquímico sendo ajustada 25 através da válvula diafragma, do medidor de vazão e da frequência do dito inversor, criando pulsos de vazão e obtendo expansão do leito fluidizado e uma vez ajustados os tempos de leito fixo e leito fluidizado com auxílio do controlador lógico e a corrente a ser aplicada, são acionadas a bomba e em sequência a fonte de corrente e a partir deste momento é iniciada a medida de potencial de célula e retirada de amostras para posterior análise de metal.

Para o estabelecimento dos pulsos de vazão é utilizado um inversor de frequência, este equipamento atuando sobre a frequência de trabalho 5 de um motor elétrico, no caso em tela uma bomba centrífuga e, por conseguinte, sobre a vazão de fluido impelido pela bomba, permitindo assim um controle simples do regime de vazão do fluído. Este sistema dispensa o uso de circuitos hidráulicos complexos e de válvulas reguladoras do tipo abre/fecha, permitindo uma operação contínua e 10 automatizada, atributos estes essenciais quando na ampliação de escala do eletrodo pulsante.

E o método de produção e eletrorrecuperação de metais por eletrodeposiçáo utilizando o sistema da invenção compreende: a) introduzir o eletrólito do qual se deseja efetuar a eletrorrecuperação no 15 reservatório do sistema; b) bombear o eletrólito com auxílio de bomba centrífuga de modo a circular pelo reator eletroquímico em circuito fechado, retornando ao reservatório; c) ajustar a vazão requerida para a fluidização do leito através de válvula 20 diafragma, medidor de vazão e da frequência do inversor, de maneira a obter expansão do leito fluidizado e pulsos de vazão; d) uma vez ajustados os tempos de leito fixo, leito fluidizado e a corrente elétrica a ser aplicada, acionar a bomba, em sequência a fonte de corrente; e e) a partir deste momento iniciar a medida de potencial de célula e retirada de amostras para posterior análise de metal.

E o reator eletroquímico de leito pulsante incluído no presente sistema compreende: a) alimentador de corrente; b) contra-eletrodo constituído por ânodo dimensionalmente estável; c) separador; d) distribuidor de fluxo; e) cátodo particulado; 5 e) entrada do eletrólito; e f) saída do eletrólito, de modo que o eletrólito entra no reator pela parte inferior do mesmo, passando pelo distribuidor de fluxo, em seguida permeia o cátodo particulado no qual ocorre a reação de interesse que envolve redução do 10 metal presente na solução e deposição do mesmo na forma metálica na superfície das partículas condutoras; na superfície do ânodo ocorre a reação de oxidação da água com a liberação de oxigênio na forma gasosa e o eletrólito sai do reator pela parte superior, retornando ao reservatório.

De maneira geral, no reator de leito pulsante o leito de partículas 15 oscila entre os estados fixo e fluidizado através de pulsos periódicos de vazão gerados pelo controle da rotação de uma bomba utilizando um inversor de frequência.

Portanto, a presente invenção provê um sistema e método de produção e eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição que utiliza 20 um reator eletroquímico de leito pulsante e um inversor de frequência.

A presente invenção provê um sistema aperfeiçoado para a recuperação de metais em relação aos processos industriais do estado da técnica.

A presente invenção provê um sistema incluindo um reator 25 eletroquímico onde reações eletroquímicas ocorrem com elevada eficiência de corrente, baixo consumo energético e elevada taxa de reação, de maneira a viabilizar a produção econômica de metais incluindo cobre, zinco, níquel, ouro, prata, platina, paládio e cobalto e qualquer outro metal passível de ser eletrodepositado.

A presente invenção provê ainda um sistema e método que encontra aplicação no tratamento dos efluentes de processos hidrometalúrgicos e de outras indústrias que geram águas residuárias contendo metais pesados.

A presente invenção provê ainda um sistema e método que encontra aplicação na eletrorrecuperação de valores de qualquer metal passível de ser eletrodepositado a partir de uma solução aquosa, em qualquer valor de concentração (soluções diluídas ou concentradas), os metais estando puros ou combinados entre si em qualquer proporção.

A presente invenção provê ainda um sistema e método que encontra aplicação na eletrorrecuperação de valores de qualquer metal capaz de ser eletrodepositado.

A presente invenção provê ainda um sistema e método que encontra aplicação na eletrorrecuperação de valores de metais presentes na sucata 15 da indústria eletroeletrônica, como por exemplo, de computadores e dispositivos de comunicação móvel, porém não restrito a estes.

A presente invenção provê ainda um sistema e método que encontra aplicação na eletrorrecuperação de valores de metais utilizados em catalisadores de Craqueamento Catalítico Fluido (FCC) ou quaisquer 20 outros catalisadores gastos contendo metais suportados.

A presente invenção provê ainda um sistema e método auxiliar na proteção ao meio ambiente, através da aplicação da mesma para a limpeza de efluentes industriais contendo metais pesados, além de propiciar a recuperação destes metais com valor agregado.

A presente invenção provê igualmente um método de operação do dito sistema.

A presente invenção provê também um reator eletroquímico de leito pulsante útil para o sistema proposto.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A FIGURA 1 anexa mostra esquematicamente o sistema de eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição objeto do presente pedido.

A FIGURA 2 anexa mostra esquematicamente o reator eletroquímico incluído no sistema de eletrorrecuperação da invenção.

A FIGURA 3 anexa é um gráfico que mostra a concentração de cobre em função do tempo para os experimentos do planejamento fatorial fracionário.

A FIGURA 4 anexa é um gráfico que mostra o perfil de sobrepotencial de eletrodo em função da profundidade do leito, a partir do alimentador de corrente, para as diferentes condições de leito fixo estudadas.

A FIGURA 5 anexa é um gráfico que mostra o potencial de célula 15 em função do tempo para o experimento 4.

A FIGURA 6 anexa é um gráfico que mostra os valores de temperatura em função do tempo para todos os experimentos realizados na etapa do planejamento fracionário.

A FIGURA 7 anexa é um gráfico que mostra a varredura de 20 potencial para diferentes temperaturas.

A FIGURA 8 anexa é um gráfico que mostra o Diagrama de Pareto para as variáveis: densidade de corrente, tempo de leito fixo e tempo de leito fluidizado para a eficiência de corrente.

A FIGURA 9 anexa é um gráfico que mostra a concentração 25 normalizada de cobre em função do tempo para os três experimentos realizados na otimização do processo. As linhas tracejadas representam as regressões lineares.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Conforme a invenção, os seguintes termos têm o significado tal como detalhado. “Eletrólito” é a solução concentrada do metal proveniente de uma etapa anterior do processo ou o efluente industrial fonte do metal que se 5 deseja recuperar ou extrair por eletrodeposição.

Alternativamente o eletrólito é preparado a partir de soluções do metal.

No decorrer dos estudos que levaram a Requerente aos resultados do presente pedido foi utilizado o metal cobre. No entanto, como afirmado 10 acima, os experimentos aqui descritos se aplicam igualmente, com adaptações ao alcance de um técnico no assunto, a uma série de outros metais que sejam passíveis de ser eletrodepositados a partir de soluções aquosas, em qualquer concentração, os metais estando puros ou combinados em qualquer proporção.

A presente invenção será descrita a seguir em relação às Figuras anexas.

Um primeiro aspecto da invenção é um sistema de produção e eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição que utiliza um reator eletroquímico de leito pulsante.

A Figura 1 ilustra o sistema de produção e eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição conforme a invenção.

À guisa de informação, na Figura 1 as linhas cheias representam tubulações percorridas pelo eletrólito enquanto as linhas pontilhadas se referem às conexões elétricas entre os diversos equipamentos.

Como pode ser constatado a partir da Figura 1, o presente sistema, geralmente designado pelo numeral (100), tem concepção moderna e de baixo custo de implementação e dispensa o uso de circuitos hidráulicos complexos e de válvulas reguladoras do tipo abre/fecha, permitindo uma operação contínua e automatizada, atributos essenciais quando da ampliação de escala do eletrodo pulsante.

O eletrólito é preparado em laboratório a partir de água deionizadae 40 g L’1 de íons cobre. 150 g L'1 de ácido sulfúrico é usado como eletrólito suporte, em 15 L de solução. As concentrações de cobre e ácido sulfúrico utilizadas são estabelecidas a partir daquelas tipicamente usadas na produção industrial de cobre.

O sistema (100) de produção e recuperação de metais por eletrodeposição de acordo com a invenção compreende: a) reservatório (10) para o eletrólito; b) reator eletroquímico (20) e respectiva fonte de corrente (30); c) inversor de frequência (40), controlador lógico (41) e bomba (B); d) multímetro (31) e computador (C) para coleta de dados; e e)medidor de vazão (11), válvula diafragma (V), válvula (12) do bypass e válvula (13) para esgotamento da solução eletrolítica.

O eletrólito contido no reservatório (10) deixa o mesmo via a linha L1, dito eletrólito sendo succionado pela bomba centrífuga (B) e bombeado para as linhas L2 e L3. Em L2 o eletrólito circula pelo reator (20) em circuito fechado, retornando ao reservatório (10) pela linha L5, e em L3 o eletrólito retorna ao reservatório (10), pela linha L6, sem passar pelo reator (20).

A remoção do eletrólito do sistema (100) é realizada através da válvula (13) de esgotamento.

Os valores de vazão utilizados nos leitos fixo e fluidizado do reator (20) são ajustados através da válvula diafragma (V), de um medidor de vazão (11) e do inversor de frequência (40), de maneira a obter uma expansão de 60% no leito fluidizado.

Uma vez ajustados os tempos de leito fixo e leito fluidizado com auxílio do controlador lógico (41) e a corrente a ser aplicada a partir da font© (30), a bombs (B) é acionada, em sequência a fonte de corrente (30), que aplica uma corrente elétrica constante no reator (20) através da conexão elétrica (L9).

A partir deste momento é iniciada a medida de potencial de célula com auxílio do multímetro (31). O multímetro (31) é acoplado ao reator (20) via linha L10 e ao computador (C) via linha L11.

No computador (C) são arquivados os dados. São retiradas amostras do reservatório (10) para posterior análise de cobre ou outro metal. As linhas L7 e L8 são conexões elétricas entre os equipamentos: controlador lógico (41) e inversor (40) e entre o inversor (40) e a bomba (B), respectivamente.

O sistema (100) da invenção compreende ainda a válvula (12) do by-pass e a válvula (13) para esgotamento da solução eletrolítica.

Um segundo aspecto da invenção é o método para eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição utilizando o sistema (100) da invenção.

O método para eletrorrecuperação de metais por eletrodeposição utilizando o sistema (100) da invenção compreende as etapas de: a) introduzir o eletrólito contendo o metal ou os metais que se deseja efetuar a eletrorrecuperação no reservatório (10); b) ajustar na fonte de corrente (30) o valor da corrente elétrica a ser aplicada; c) ajustar no inversor de frequência (40) as frequências de rotação da bomba (B) para o leito fixo e o leito fluidizado; d) ajustar os tempos de leito fixo e leito fluidizado no controlador lógico (41); e) acionar a bomba centrífuga (B), que bombeia o eletrólito do reservatório (10) para o reator (20) via linha L2 e para a linha (L3) do by-pass, o eletrólito retornando ao reservatório (10) pelas linhas L5 e L6, respectivamente; f) ajustar a vazão de eletrólito na linha (L2) do reator (20) pela válvula diafragma (V) e pelo medidor de vazão (11); e) a eletrodeposição é iniciada ao acionar a fonte de corrente (30); e f) retirar periodicamente no decorrer da eletrodeposição amostras de eletrólito no reservatório (10) para a determinação da concentração de metal.

Na etapa a), o eletrólito a ser introduzido no reservatório (10) é um 10 efluente industrial ou água residuária rica no metal que se deseja recuperar.

Conforme a invenção, uma água residuária rica em metal é uma água residuária que contém entre 100 e 2000 mg/l de metal.

O eletrólito é introduzido no reservatório (10) por métodos 15 convencionais de deslocamento de fluidos, podendo ser por gravidade ou por bombeamento.

Alternativamente o eletrólito é oriundo da recuperação de metais da indústria eletroeletrônica, de catalisadores gastos, ou de qualquer metal que forme uma solução aquosa, em qualquer concentração.

Alternativamente, como em testes de laboratório, o eletrólito é preparado como uma solução de teste de concentração conhecida.

A Figura 2 ilustra esquematicamente o reator (20) da invenção.

O reator (20) apresenta três regiões distintas: a primeira (denominada pleno), por onde se dá a admissão do eletrólito, uma 25 segunda região (distribuidor de fluxo, (24)) em formato retangular, preenchida com esferas de material inerte (selecionados dentre polietileno e polipropileno, não estando limitado a estes materiais), suportadas acima e abaixo por telas ou separadores (23) de material inerte. As duas regiões supracitadas visam melhorar o perfil de velocidade do fluido, contribuindo para uma melhor fluidização.

A terceira região do reator (20) contém o alimentador (21) e o coletor de corrente (22) e as partículas eletroativas que compõem o cátodo 5 particulado poroso ou leito (25), cujo material dependerá da aplicação desejada.

Úteis para a confecção do alimentador (21) de corrente são diversos materiais, como cobre ou aço, ou então outro material que possa ser mais adequado considerando a aplicação específica.

O coletor de corrente ou contra-eletrodo (22) deve ser confeccionado em material que não sofra corrosão, sendo indicados os eletrodos dimensionalmente estáveis (ADE ou, na nomenclatura inglesa, DSA®), como por exemplo, o Ti/TiojRuo.aC^ e o titânio platínizado, entre outros.

Uma característica distintiva do reator (20) é a não existência de 15 dois compartimentos separando o catolito do anolito, ou seja, o reator (20) dispensa o uso de membrana.

Neste caso, apenas um separador (23), composto por uma tela de polietileno revestida por um tecido de poliamida, é inserido entre o cátodo particulado poroso ou leito (25) e o contra-eletrodo (22), com o intuito de 20 evitar o curto-circuito do sistema.

O eletrólito é introduzido no reator (20) via a entrada (26) e retirado via a saída (27).

A configuração do reator (20) apresenta algumas vantagens quando comparada com a de reatores do estado da técnica com 25 membranas, tais como menor potencial de célula e, consequentemente, menor consumo energético, maior facilidade na manutenção, além da diminuição de custos de capital, uma vez que a membrana é cara.

Sistema de circulação do eletrólito

O eletrólito ou efluente industrial é em geral armazenado em um reservatório (10) de material inerte, Figura 1, e a circulação do mesmo pelo reator eletroquímico (20) se dá em circuito fechado com o auxílio de uma bomba centrífuga (B).

O eletrólito deve circular pelo reator (20) até que determinada 5 concentração de metal tenha sido atingida. Uma vez que há a formação concomitante de ácido, a concentração do mesmo também deve ser estipulada. Assim que a concentração de metal ou de ácido tenha sido alcançada o eletrólito poderá ser então reutilizado na etapa de lixiviação do metal do minério.

No caso da eletrodeposição de metais de soluções diluídas, como no caso de efluentes industriais, o eletrólito deve circular pelo reator até que a concentração de metal seja menor que aquela estipulada pela legislação ambiental para o descarte em rede de esgoto.

O controle de vazão para o reator (20) é efetuado por meio da válvula 15 (V) e do inversor de frequência (40).

O controle de vazão de recirculação (via L3 e L6) é realizado pela válvula (12) do by-pass e tem a função de homogeneizar o eletrólito contido no reservatório (10).

Se necessário, o reator (20) pode também conter um filtro (não 20 representado) para que eventuais impurezas possam ser retidas.

Sistema sólido-fluido

O tipo das partículas a serem utilizadas no leito pulsante do reator eletroquímico (20) dependerá do metal a ser eletrodepositado, porém em todos os casos estas partículas devem ter dimensões reduzidas, até cerca 25 de 1 mm, de maneira a permitir uma elevada área superficial específica e também possuir uma densidade adequada de maneira a permitir fácil fluidização e evitar elutriação.

As partículas que compõem o leito particulado poroso (25) ou leito pulsante são do mesmo metal que está sendo eletrodepositado ou alternativamente de qualquer material condutor elétrico como outros metais, carbono, grafite.

Particularmente úteis para as finalidades da invenção são partículas de hexaboreto de cálcio (CaB6) e de diboreto de titânio (TiB2), isoladas ou 5 combinadas em qualquer proporção. Estes materiais CaB6 e TiB2 possuem valores de densidade de respectivamente 2,45 e 4,52 g/cm3 que promovem uma melhor fluidização do leito. Adicionalmente, para alguns metais, como por exemplo, o cobre, o CaB6 e o TiB2 têm a capacidade de formar espontaneamente um filme de metal sobre a partícula, facilitando a 10 eletrodeposição.

Diâmetros úteis de partículas dos materiais que compõem o leito pulsante (25) se situam na faixa de 0,05 a 1 mm, embora não limitados a estes.

A escolha do material que constitui as partículas do leito pulsante do 15 reator (20) está ao alcance dos técnicos no assunto.

Sistema fornecedor de eletricidade e dos pulsos de vazão

Para o fornecimento de eletricidade recomenda-se utilizar um retificador de corrente contínua (30), equipamento de uso corrente na indústria de galvanoplastia.

O sistema fornecedor dos pulsos de vazão é um aspecto distintivo do presente pedido. Para tal, propõe-se a utilização de: i) um controlador lógico (41) e ii) um inversor de frequência (40) compatível com o motor da bomba centrífuga (B) a ser utilizada, onde: o controlador (41) atua sobre o tempo 25 em que cada frequência é mantida e o inversor (40) atua sobre a freqüência de rotação da bomba (B), o que faz com que a vazão possa ser aumentada e diminuída com amplitudes estabelecidas pelo operador. Vantajosamente, esta metodologia envolve facilidade de controle e custos reduzidos com a operação de bombeamento.

Sistema de aquecimento do eletrólito

O aquecimento do eletrólito devido ao efeito Joule e à dissipação viscosa no rotor da bomba (B) é benéfico ao processo de eletrodeposição. No sistema e método da presente invenção a energia térmica é 5 autogerada, não necessitando, portanto, de trocadores de calor como nos processos hidrometalúrgicos atuais de produção de metais por eletrodeposição.

Procedimento de operação do reator (20) a) Montagem do reator (20) com os materiais e partículas 10 recomendadas para o metal a ser eletrodepositado; b) Ajuste da corrente elétrica a ser aplicada no retificador de corrente (30); c) Ajuste da rotação da bomba centrífuga (B) através do inversor de frequência (40) de maneira a obter as vazões máxima e mínima 15 desejadas; d) Ajuste da frequência de pulsos através do controlador lógico (41); e) Acionamento da bomba centrífuga (B); e f) Acionamento da fonte de corrente (30).

A coleta de dados experimentais para o presente sistema é feita 20 através da técnica de planejamento fatorial fracionário para a identificação das variáveis mais importantes.

O detalhamento da técnica empregada está descrito a seguir.

Utilizou-se um planejamento fatorial fracionário 23'1 com duas repetições para avaliar o efeito das variáveis operacionais densidade de 25 corrente elétrica (i), tempo de leito fixo (t|fix) e tempo de leito fluidizado (t|f|U) sobre a eficiência de corrente (EC), consumo energético (CE) e rendimento espaço-tempo (Y).

A partir dos resultados destes experimentos preliminares foram realizados experimentos visando otimizar o processo de eletrorrecuperação de cobre.

Os valores das variáveis codificadas e o planejamento fracionário sao apresentados na A e B.

As Equações 1, 2 e 3 são utilizadas para obter os valores de EC, CE e Y, respectivamente. Nestas equações, z é o número de elétrons envolvidos na reação (2 no caso do Cu2+), F a constante de Faraday (96485 C mol'1), M o peso molecular (g mol'1), I a corrente elétrica aplicada (A), V o volume de solução (m3), c a concentração do íon na solução (g m‘3), t o tempo de eletrorrecuperação (s), VR o volume do reator (m3) e ΔU o potencial de célula (V). A constante 0,0278 é um fator de conversão de tempo (h s'1).

As taxas de reação (dC/dt) são determinadas pela regressão linear das curvas experimentais de concentração de cobre em função do tempo, 20 com exceção dos experimentos em que é aplicada uma baixa densidade de corrente, pois estes experimentos não apresentam um comportamento linear de decaimento de concentração.

Cinética de eletrodeposição do cobre

A Figura 3 mostra o decréscimo da concentração de cobre em função do tempo para o planejamento fatorial fracionário.

Nesta Figura, a concentração de ácido sulfúrico é CH2so4 = 150 g L' 1 e as vazões durante o estado fixo e fluidizado são q = 136 L h’1 e Q = 625 L h'1, respectivamente. As linhas tracejadas representam as regressões lineares. Verifica-se, com base nos dados da Figura 3, que os experimentos 10 2, 4 e 5 apresentam um decaimento da concentração de cobre enquanto que os experimentos 1 e 6 apresentam uma dissolução da matriz porosa (25), ocasionando um aumento da concentração de cobre ao longo do experimento. Esta diferença se deve, principalmente, ao fato de a corrente elétrica aplicada de 1500 A m-2 não ter sido suficiente para proteger 15 catodicamente todo o meio poroso durante todo o processo, favorecendo assim a existência de zonas anódicas de dissolução do metal, o que seria intensificado pelo fato de o eletrólito ser muito ácido. Nota-se, então, que a densidade de corrente elétrica é uma variável bastante importante no processo de eletrorrecuperação de metais 20 em meios ácidos.

No experimento 3, com i = 1500 A m'2, a concentração de cobre na solução diminuiu apenas nas primeiras 4 horas de eletrodeposição, mantendo-se constante nas 6 horas seguintes. Verifica-se, neste experimento, que não apenas a corrente elétrica, mas também a 25 frequência dos pulsos é uma variável importante na eletrorrecuperação em leitos pulsantes.

No leito fixo, o meio poroso apresenta boa continuidade da fase sólida, reduzindo ou até mesmo, dependendo da corrente elétrica aplicada, evitando a existência de zonas anódicas. No leito fluidizado estas zonas sâo mais propícias a ocorrer, sendo que quanto maior a expansão do leito fluidizado, mais favorável é a reação de dissolução das partículas, particularmente quando o meio é bastante ácido.

Por outro lado, menores expansões de leito fluidizado representam 5 pouca movimentação das partículas, podendo favorecer o surgimento de aglomerações.

Por este motivo, a expansão do leito fluidizado foi mantida constante (~ 60%).

Com o intuito de entender a influência da situação do leito na 10 dissolução das partículas de cobre, o sobrepotencial de eletrodo foi determinado experimentalmente para o leito fixo.

A Figura 4 mostra o perfil de potencial de eletrodo em função da profundidade do mesmo, no leito fixo para os dois valores de densidade de corrente elétrica estudados, 3000 e 1500 A m’2. Nesta Figura, CCü2+ = 15 35,95 g L'1; CH2so4 = 150 g L'1; q = 136 L h'1. Primeiramente, verifica-se na Figura 4 que mesmo a densidade de corrente de 1500 A m'2 foi suficiente para proteger catodicamente todo o eletrodo durante o leito fixo, visto que nenhum valor de sobrepotencial anódico foi obtido. Comparando-se as duas curvas, uma diferença de 20 aproximadamente 40 mV as separam, de forma que maiores densidades de corrente ocasionam maiores taxas de reação.

Verifica-se ainda que ambas as curvas apresentam o mesmo comportamento, ou seja, nos primeiros 25 mm, tomando-se como referência o alimentador de corrente (AC), a taxa de reação manteve-se 25 praticamente constante, aumentando muito na região próxima ao contra- eletrodo (22), tal como esperado para leitos fixos.

Efeito das variáveis estudadas sobre o potencial de célula

A Figura 5 mostra o potencial de célula monitorado ao longo do tempo para o experimento 4, que apresentou os melhores resultados, sendo que a partir desses dados de potencial, foram calculados os valores de consumo energético dos experimentos.

Na inserção desta Figura é mostrada uma ampliação de uma região do gráfico em que é possível verificar os valores dos potenciais de 5 célula na situação de leitos fixo e fluidizado. O potencial de célula médio é calculado a partir da área sob o gráfico, dividido pelo tempo de experimento, o que leva em consideração nos cálculos os altos valores de potencial de célula na situação do leito fluidizado. No início do experimento altos valores de potencial tanto para o leito fixo quanto para o 10 fluidizado são observados, entretanto estes valores são reduzidos em aproximadamente 0,2 V no leito fixo e 0,9 V no fluidizado ao final do experimento. Para um melhor entendimento deste fenômeno, a temperatura do eletrólito é monitorada ao longo do tempo e também varreduras de potencial para diferentes temperaturas são realizadas em 15 um eletrodo plano de cobre.

Efeito das variáveis estudadas sobre a temperatura do eletrólito

A Figura 6 mostra os valores de temperatura em função do tempo para todos os experimentos realizados na etapa do planejamento fracionário.

Verifica-se na Figura 6 que a temperatura da solução no experimento 4 aumentou significativamente durante todo o experimento, o que poderia explicar a diminuição contínua do potencial de célula mostrado na Figura 5, uma vez que o aumento da temperatura diminui a viscosidade cinemática e aumenta a condutividade do eletrólito.

Ainda na Figura 6, nota-se que o principal fator de aumento de temperatura pode ser atribuído à vazão de eletrólito, ou seja, os experimentos que permanecem um maior tempo na condição de leito fluidizado são os que sofrem um maior aumento de temperatura, evidenciando que a geração de calor é principalmente devida à dissipação viscosa no rotor da bomba e ao efeito Joule. Nota-se também que para os experimentos em que há a eletrodeposição contínua de cobre (experimentos 2, 4 e 5 da Figura 4) o 5 decaimento linear da concentração em função do tempo indica que a taxa de reação não está sendo alterada pelo aumento concomitante da temperatura. Este mesmo resultado é obtido em outras condições experimentais mostradas mais adiante, na Figura 9.

Com o objetivo de determinar como a temperatura influencia na 10 redução do potencial de célula, são efetuadas voltametrias lineares de varredura catódica (Figura 8) utilizando uma solução concentrada de cobre.

A partir das curvas da Figura 7 observa-se que um aumento da temperatura do eletrólito ocasiona um aumento da corrente elétrica 15 medida.

O aumento da temperatura da solução atua na taxa de reação de dois modos: reduzindo o sobrepotencial de ativação e na condutividade da solução. Apesar de o aumento da temperatura proporcionar um aumento na condutividade da solução decorrente do aumento da mobilidade iônica, 20 como comentado anteriormente, acredita-se, no entanto, que o grande aumento da corrente em função do aumento da temperatura pode ter uma influência maior no sentido de reduzir o potencial de célula do que simplesmente o aumento da condutividade, uma vez que a transferência de elétrons é bastante facilitada pelo aumento da temperatura.

Efeito das variáveis sobre a eficiência de corrente e consumo energético

A TABELA 2 mostra as respostas do planejamento experimental determinadas a partir das curvas mostradas na Figura 3. Os dados compilados na Tabela 3 são Eficiência de corrente, consumo energético, rendimento espaço-tempo e massa de cobre depositado no alimentador de corrente (mAc)-

Constata-se nesta Tabela a grande influência da variável densidade de corrente na eficiência de corrente, em que os valores mais 5 altos são obtidos nos níveis de corrente +1, ou seja, 3000 A m’2.

O consumo energético não foi analisado estatisticamente por ter apresentado valores negativos que não permitem uma análise estatística rigorosa.

Comparando-se os experimentos 1 e 3, verifica-se que a situação 10 em que o leito se encontra também tem efeito significativo na eletrorrecuperação de metais utilizando eletrodo de leito pulsante, sendo que quanto maior o tempo em que o leito permanece na condição de fixo, melhores são os resultados, uma vez que as partículas estão em contato direto entre si e com o alimentador de corrente e não dependem do 15 choque probabilístico entre as partículas, como ocorre no leito fluidizado. TABELA 2

Outro fator analisado na TABELA 22 é a deposição de cobre no alimentador de corrente (21), que é indesejada uma vez que se pretende 20 eliminar a etapa de remoção do depósito, etapa esta crítica na indústria por ser muitas vezes responsável por uma diminuição da produção da fábrica.

Além disto, a qualidade do depósito no alimentador de corrente (21) foi inferior ao do recobrimento das partículas por apresentar aspectos dendríticos. Nota-se que esta ocorrência é principalmente dependente da condição do leito, em que baixas frequências de pulsos causam menores 5 quantidades de cobre depositado no alimentador de corrente (21), ou seja, no leito fixo, esta ocorrência é minimizada.

O melhor experimento realizado nesta etapa é o de número 4, em que 60% de EC, 3,2 kWh kg’1 de CE e 47,4 kg m'3 h’1 de Y foram obtidos.

A partir dos dados da TABELA 2, são calculados os efeitos que as 10 três variáveis estudadas, densidade de corrente e tempo de leito fixo causam na eficiência de corrente e estes efeitos estão mostrados no gráfico de contrastes na Figura 8.

Verifica-se a partir da Figura 8 que a variável mais importante é a densidade de corrente, seguida pelo tempo de leito fixo, sendo ambas 15 positivas. O tempo de leito fluidizado apresenta um efeito negativo na eficiência de corrente, como previamente analisado, em termos da frequência de pulsos, na TABELA 2.

Em um primeiro momento, verifica-se que a condição ótima (i = +1; tifix = +1; tifiu = -1) deste planejamento fracionário não foi realizada nesta 20 etapa, sendo este o primeiro experimento realizado na etapa de otimização do processo de eletrorrecuperação de cobre em leito pulsante, abordado a seguir.

Para a otimização deste processo deve-se, de acordo com a Figura 8, aumentar prioritariamente a densidade de corrente elétrica, 25 seguida do tempo de leito fixo e, como medida menos importante, diminuir o tempo de leito fluidizado.

Entretanto, esta análise estatística não aborda os fenômenos físicos e eletroquímicos inerentes ao processo. Verifica-se que um aumento na densidade de corrente elétrica ocasiona uma deposição dendrítica de cobre nas telas de separação (23), acarretando um curto- circuito no reator (20), fato que inviabiliza a operação. Isto se deve a um aumento do potencial de eletrodo nas regiões mais próximas do contra- eletrodo (22), como verificado na 4. Desta forma, para a etapa de 5 otimização do processo, apenas as variáveis i e t|fix são consideradas.

Otimização do processo de eletrorrecuperação de cobre

A Figura 9 mostra os três experimentos realizados na etapa de otimização do processo. O primeiro (exp. 7) corresponde à condição ótima obtida do planejamento fatorial fracionário.

A variável t|flu apresenta um efeito negativo na eficiência de corrente e, como ela tem apenas as funções de evitar a aglomeração e promover a homogeneização das partículas para que haja um depósito mais uniforme, decidiu-se então por reduzi-la no experimento 8, ao valor mínimo de 2 s. Por fim, aumentou-se o t|fix ao máximo valor possível de 60 15 s, uma vez que esta variável apresentou, do mesmo modo que a densidade de corrente, um efeito significativo positivo. Maiores valores de tifa também ocasionam um depósito dendrítico nas telas de separação, da mesma forma que ocorre quando são aplicados maiores valores de densidade de corrente.

A TABELA mostra os resultados dos experimentos 7 a 9 e também uma comparação com valores encontrados na indústria hidrometalúrgica para as variáveis eficiência de corrente, consumo energético, rendimento espaço-tempo e massa de cobre depositada no alimentador de corrente (21).

Verifica-se na TABELA que à medida que a condição do leito (25) se aproxima do fixo, melhores resultados são obtidos. No experimento 9 são obtidos valores de eficiência de corrente e consumo energético muito próximos dos valores encontrados na indústria hidrometalúrgica, que utiliza uma densidade de corrente 10 vezes menor e obtém um rendimento cerca de 7 vezes menor.

Isto implica dizer que um volume de reator de leito pulsante produz a mesma quantidade de metal que 7 reatores convencionais de mesmo 5 volume são capazes de produzir.

Verifica-se também que quanto mais o leito permanece na condição de fixo, menor é a quantidade de cobre depositada no alimentador de corrente (21), sendo que no experimento 9, o depósito foi desprezível. TABELA 3

Os resultados obtidos durante a pesquisa que levou ao presente pedido demonstram que o leito pulsante desenvolvido pela Requerente é bastante promissor, apresentando boa eficiência e sendo de fácil • 15 operação.

O sistema gerador dos pulsos de vazão desenvolvido mostrou ser eficiente, barato e de baixo custo de implementação, além de permitir um fácil aumento de escala.

A utilização de planejamento fatorial estatístico permite uma análise 20 sistemática do processo, onde é possível avaliar qualitativa e quantitativamente os vários fatores que contribuem para o seu rendimento.

Constata-se que a dissolução das partículas ocorre apenas durante a condição de leito fluidizado e, dessa forma, deve-se minimizar ao máximo 25 o tempo em que o leito (25) permanece nesta condição.

O aumento natural da temperatura favorece o processo por diminuir o potencial de célula e, consequentemente, reduzir o consumo energético do processo.

As variáveis mais importantes são a densidade de corrente elétrica e 5 o tempo de leito fixo, ambos com efeito positivo na eficiência de corrente, entretanto valores muito altos de qualquer destas duas variáveis pode ocasionar um depósito dendrítico e, consequentemente, um curto-circuito no reator (20).

Verifica-se ainda que, se bem operado, o reator de leito pulsante (20) 10 pode apresentar eficiências próximas de 80% e consumo de 2,5 kWh kg'1, valores bastante próximos aos obtidos no processo hidrometalúrgico de produção de cobre e ainda oferecer um rendimento cerca de 12 vezes maior que os eletrodos planos, sugerindo então que o ELP pode ser utilizado com sucesso para processos hidrometalúrgicos.

Cabe ainda ressaltar as vantagens do reator eletroquímico de leito pulsante da invenção sobre outros tipos de reatores eletroquímicos.

Assim, o presente reator eletroquímico com sistema de geração de pulsos de vazão encontra aplicação na eletrodeposição de metais presentes em soluções aquosas concentradas, como é o caso das 20 indústrias hidrometalúrgicas de produção eletrolítica de diversos metais não ferrosos, como por exemplo, cobre, zinco e níquel. Atualmente, esses processos são realizados em batelada utilizando eletrodos planos e áreas imensas para se obter a produtividade desejada.

O sistema e reator podem também ser utilizados para a 25 eletrodeposição de metais presentes em soluções aquosas diluídas, como no caso efluentes de indústrias de galvanoplastia, metalurgia, eletrônica, entre outras.

A utilização de um reator de leito pulsante tal como o reator (20) da invenção traz as seguintes vantagens: a) elevada taxa de reação por volume de reator; b) elevada área superficial específica, permitindo a aplicação de correntes elevadas sem a perda de eficiência de corrente e diminuindo o tempo operacional do processo. c) evita a aglomeração das partículas que compõem o leito, evitando seu entupimento e permitindo uma operação por longos períodos de tempo; d) permite a operação contínua do processo, uma vez que as partículas contendo o metal eletrodepositado podem ser facilmente 10 retiradas do reator por transporte hidráulico, sem necessidade de desmontá-lo, proporcionando também facilidade de operação, manutenção e, consequentemente, uma diminuição da mão-de-obra; e)alia os efeitos benéficos do leito fluidizado (evitando a aglomeração das partículas) e do leito fixo (elevadas eficiências de 15 corrente e rápida cinética de reação), proporcionando um baixo consumo energético específico (energia elétrica por quilograma de metal eletrodepositado); f) possibilita a utilização de ânodos dimensionalmente estáveis (ADEs) como contra-eletrodos uma vez que a demanda de área 20 deste eletrodo seria drasticamente diminuída, reduzindo então o custo relativo à sua aquisição, viabilizando economicamente sua utilização. Além disto, o uso de ADE teria impacto sobre o custo do eletrólito, uma vez que não seriam mais utilizados aditivos nos banhos eletrolíticos e a substituição dos eletrodos de Pb/PbO2 atualmente utilizados no processo 25 levariam à obtenção de depósitos mais puros. Também não seria mais necessária a substituição periódica dos contra-eletrodos, como no caso do Pb/PbO2; g) facilita o direcionamento dos vapores ácidos gerados no processo, que ocasionam um aumento do consumo energético por oxidação dos contatos elétricos das células convencionais. Estes vapores também são nocivos à saúde humana; h) possibilita a eletro-extração de metais na ausência de aditivos químicos. Estes aditivos representam custos na produção 5 convencional de metais além de provocar um aumento no potencial de célula e, consequentemente, no consumo energético do processo; i) diminuição da mão-de-obra direta uma vez que a remoção das partículas contendo o metal eletrodepositado pode ser realizado automaticamente; diminuição da mão-de-obra direta, uma vez que as 10 partículas são do mesmo metal a ser depositado, eliminando a laboriosa etapa de remoção do eletrodepósito. Além disto, este fato também elimina a necessidade de placas para se depositar o metal (“starter sheets"), que necessitam ser periodicamente renovadas, representando um custo considerável no processo, tendo em vista o número excessivo de placas.

De maneira geral, a principal característica distintiva do reator de leito pulsante da invenção em relação aos demais tipos de reatores eletroquímicos do estado da técnica e que o torna bastante adequado para utilização em processos hidrometalúrgicos e de tratamento de efluentes consiste no fato de fazer o leito de partículas oscilar entre os 20 estados fixo e fluidizado através de pulsos periódicos de vazão gerados pelo controle da rotação de uma bomba utilizando um inversor de frequência.

Claims (20)

1. Sistema de produção e recuperação de metais por eletrodeposição, caracterizado por compreender: a) um reservatório (10) para o eletrólito do metal que se deseja recuperar; b) um reator eletroquímico (20) e respectiva fonte de corrente (30); c) um inversor de frequência (40), um controlador lógico (41) e bomba centrífuga (B); d) multímetro (31) e computador (C) para coleta de dados; e e)medidor de vazão (11), válvula diafragma (V), válvula (12) de by-pass e válvula (13) para esgotamento da solução eletrolítica, de modo que em funcionamento, o eletrólito contido no dito reservatório (10) é bombeado pela dita bomba centrífuga (B) e circula pelo dito reator eletroquímico (20) em circuito fechado, retornando ao reservatório (10), a vazão utilizada para fluidização do leito do reator (20) sendo ajustada através da válvula diafragma (V), do medidor de vazão (11) e da frequência do dito inversor (40), obtendo expansão do leito fluidizado e uma vez ajustados os tempos de leito fixo e leito fluidizado com auxílio do controlador lógico (41) e a corrente a ser aplicada no processo pela fonte de corrente (30), são acionadas a bomba (B) e em sequência a fonte de corrente (30) e a partir deste momento é iniciada a medida de potencial de célula e retirada de amostras para posterior análise de metal.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eletrólito de metal contido no reservatório (10) ser originário de indústrias hidrometalúrgicas ou de águas residuárias e efluentes industriais.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eletrólito contido no reservatório (10) ser selecionado dentre qualquer metal que forme uma solução aquosa em qualquer concentração e que seja passível de ser eletrodepositado.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eletrólito ser constituído por uma única espécie de metal, alternativamente por uma combinação de metais em qualquer proporção.

5. Sistema de acordo com as reivindicações 3 e 4, caracterizado por o eletrólito do metal contido no reservatório (10) ser selecionado dentre cobre, zinco, níquel, ouro, prata, platina, paládio e cobalto.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os metais que constituem o eletrólito contido no reservatório (10) serem oriundos da reciclagem de dispositivos eletroeletrônicos, incluindo dispositivos móveis e sucata de computadores.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eletrólito contido no reservatório (10) ser selecionado dentre metais a serem recuperados de processos catalíticos que empregam catalisadores com metais suportados, incluindo catalisadores gastos de FCC.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eletrólito contido no reservatório (10) deixar o mesmo via a linha L1, dito eletrólito sendo succionado pela bomba centrífuga (B) e bombeado para as linhas L2 e L3.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por em L2 o eletrólito circular pelo reator (20) em circuito fechado, retornando ao reservatório (10) pela linha L5, e em L3 o eletrólito retornar ao reservatório (10) via linha L6, sem passar pelo reator (20).

10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ajustar os valores de vazão utilizados nos leitos fixo e fluidizado do reator (20) através da válvula diafragma (V), do medidor de vazão (11) e do inversor de frequência (40), de maneira a obter expansão de 60% no leito fluidizado.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sistema fornecedor dos pulsos de vazão compreender: i) um controlador lógico (41) e ii) um inversor de frequência (40) compatível com o motor da bomba centrífuga (B), onde: o controlador (41) atua sobre o tempo em que cada frequência é mantida e o inversor (40) atua sobre a freqüência de rotação da bomba (B), de modo que a vazão é aumentada e diminuída com amplitudes estabelecidas pelo operador permitindo ao leito (25) osc ilar entre os estados fixo e fluidizado.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a energia térmica ser autogerada.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o reator eletroquímico (20) compreender: a) uma primeira região ou pleno, dotada de entrada (26) por onde é admitido o eletrólito; b) uma segunda região ou distribuidor de fluxo (24) em formato retangular, preenchida com esferas de material inerte suportadas acima e abaixo por telas de material inerte; c) uma terceira região contendo o alimentador de corrente (21), o coletor de corrente (22) e o cá todo particulado poroso ou leito (25) formado por partículas eletroativas; d) separador (23) inserido entre o cátodo particulado poroso ou leito (25) e o contra-eletrodo (22); e e) saída (27) para retorno do eletrólito para o reservatório (10).

14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por as partículas que compõem o leito pulsante (25) serem do mesmo metal que está sendo eletrodepositado.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por as partículas que compõem o leito pulsante (25) serem de qualquer material condutor elétrico como metais diferentes daquele que se deseja recuperar, e materiais selecionados dentre carbono e grafite.

16. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por as partículas que compõem o leito pulsante (25) serem de hexaboreto de cálcio (CaB6) e de diboreto de titânio (TiB2), isoladas ou combinadas em qualquer proporção.

17. Método de operação do sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o reator (20) ser operado conforme a sequência: a) Montagem do reator (20) com os materiais e partículas recomendadas para o metal a ser eletrodepositado; b) Ajuste da corrente elétrica a ser aplicada no retificador de corrente (30); c) Ajuste da rotação da bomba centrífuga (B) através do inversor de freqüência (40) de maneira a obter as vazões máxima e mínima desejadas; d) Ajuste da freqüência de pulsos através do controlador lógico (41); e) Acionamento da bomba centrífuga (B); e f) Acionamento da fonte de corrente (30) e início do processo de eletrorrecuperação do metal sobre as partículas que compõem o leito pulsante (25).

18. Método de produção e recuperação de metais por eletrodeposição com auxílio do sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender as etapas de: a) introduzir o eletrólito contendo o metal(is) do(s) qual (quais) se deseja efetuar a eletrorrecuperação no reservatório (10); b) ajustar na fonte de corrente (30) o valor da corrente elétrica a ser aplicada; c) ajustar no inversor de frequência (40) as frequências de rotação da bomba (B) para os modos de leito fixo e leito fluidizado; d) ajustar os tempos de leito fixo e leito fluidizado no controlador lógico (41); e) acionar a bomba centrífuga (B), que bombeia o eletrólito do reservatório (10) para o reator (20) via linha L2 e para a linha (L3) do by-pass, o eletrólito retornando ao reservatório (10) pelas linhas L5 e L6, respectivamente; f) ajustar a vazão de eletrólito na linha (L2) do reator (20) pela válvula diafragma (V) e pelo medidor de vazão (11); g) iniciar a eletrodeposição pelo acionamento da fonte de corrente (30); e h) retirar periodicamente no decorrer da eletrodeposição amostras de eletrólito do reservatório (10) para a determinação de metais.

19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o eletrólito ser proveniente do processo de lixiviação do metal em processos hidrometalúrgicos.

20. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o eletrólito ser constituído pelo efluente de um processo de produção industrial.

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