Lixiviação ácida em reator irradiado por micro-ondas para a purificação de silício obtido por redução magnesiotérmica

Abstract

O silício é um material empregado industrialmente na fabricação de ligas de ferrossilício (95% de toda produção mundial de silício é utilizada nessas ligas). Além disso, o silício é utilizado na manufatura de produtos de alta tecnologia, como componentes microeletrônicos e dispositivos fotoelétricos, onde é esse material com alto grau de pureza. O mercado de silício, em 2014, movimentou cerca de 7680 mil toneladas, oriundas dos maiores produtores mundiais: China (65,14%), Rússia (9,11%), Noruega (4.81%), EUA (4,68%), Brasil (3%) e França (1,71%). O silício grau metalúrgico, produzido por meio da redução carbotérmica em escala industrial, possui cerca de 98-99,5% de pureza. Porém, há o inconveniente de consumir uma grande quantidade de energia e gerar grande quantidade de efluentes gasosos. Muitas técnicas têm sido estudas como uma alternativa à rota carbotérmica, como é o caso da redução magnesiotérmica da sílica (2Mg + SiO2 - 2MgO + Si), pelo fato de consumir pouca energia e não emitir poluentes gasosos. Entretanto, esse processo necessita ser acoplado a uma operação unitária de separação de sólidos-líquidos, denominada lixiviação. Essa operação geralmente necessita de longos tempos, múltiplas etapas, diferentes tipos de ácidos e diferentes temperaturas. Nesse contexto, verificou-se uma nova técnica de lixiviação assistida por micro-ondas, apresentada por diversos autores e que se mostrou eficiente na recuperação de espécies químicas de valor, com a diminuição significativa no tempo de processamento. Dessa forma, decidiu-se analisar a lixiviação ácida assistida por micro-ondas para a purificação do silício obtido por redução magnesiotérmica da sílica, utilizando um reator de escala laboratorial, construído especialmente para essa aplicação. Como resultado deste estudo, verificou-se que o efeito das micro-ondas na lixiviação apresentou índices de extração superiores aos encontrados na literatura, isto é, promoveu alta remoção de óxido de magnésio, de 50% para 0,3%, e de forsterita, de 29% para índices indetectáveis (pela técnica utilizada), além de purificar o silício contido no pó original, que possuía cerca 19,9% antes da lixiviação e foi para 99,7% após a lixiviação em uma única etapa. O reator construído apresentou um bom desempenho e segurança em sua operação, considerando que o nível de vazamento de radiação ficou dentro do limite estabelecido pela norma, assim como o sistema de refluxo (condensador/coluna) evitou de forma eficiente a emissão de vapores tóxicos para o ambiente. Em relação à malha de controle de temperatura, obteve-se função de transferência do processo e os parâmetros de ajuste do controlador PID, a partir do que confirmou-se uma boa estabilidade e precisão no controle de temperatura do processo.<br>

Abstract: Silicon is a material industrially employed in the manufacturing of ferrosilicon alloys (95% of all of the world production of silicon is used in theses alloys). Besides this, silicon with levels of purity is used in the manufacturing of high technology products such as microelectronic components and photoelectric devices. The silicon market put into movement about 7680 tons of the product, which came from the world's greatest producers: China (65,14%), Russia (9,11%), Norway (4.81%), USA (4,68%), Brazil (3%) e France (1,71%). Silicon in a metallurgical level, produced by means of carbon-thermic reduction in industrial scale has about 98-99,5% of purity. However, there is the inconvenience of consuming a great quantity of gaseous effluents. Many techniques have been studied as an alternative to the carbon-thermic route, such as the case of magnesium-thermic reduction of silicon (2Mg + SiO2 - 2MgO + Si), due to the fact that its consumes little energy and does not emit gaseous pollutants. However, this process needs to be linked to a unitarian operation of separation of solids-liquids, called leaching. This operation usually needs long periods of time, multiple phases, different types of acid and different temperatures. Within this context, a new technique of leaching assisted by microwaves was verified, presented by several diverse authors and that proved to be efficient in the recovery of valued chemical species, with a significant decrease in the processing time. In this manner, it was decided to analyze the acid leaching assisted by microwaves for the purification of the silicon obtained through magnesium-thermic reduction of silica, using a reactor of laboratory scale, built especially for this application. As a result of this study, it was verified that the effect of the microwaves in the leaching presented levels of extraction higher than the ones found in the literature, that is, it promoted a high removal of magnesium oxide, from 50% to 0,3%, and of forsterite, from 29% to undetectable levels (through the technique used), besides purifying the silicon contained in the original powder, that presented about 19,9% before the leaching and went to 99,7% after the leaching in a single step. The reactor constructed presented a good performance and security in its operation, considering that the level of leakage of radiation remained within the limit established by the norms, as well as the system of reflux (condenser/column) avoided in efficient manner the emission of toxic vapor for the environment. As to the temperature control loop, the function of transference of the process and the parameters of adjustment of the PID controller were obtained, based on the confirmation of a good stability and precision in the control of the temperature of the process.