Redução de óxido de cobre por plasma de hidrogênio

Abstract

RESUMO: O plasma de hidrogênio apresenta características físicas propícias para a produção de novas espécies redutoras que, do ponto de vista termodinâmico e cinético, são vantajosos quando comparado à redução de óxido de cobre pelo hidrogênio gasoso. Neste trabalho foi avaliado um novo processo para obtenção de cobre metálico através da redução de pó de óxido de cobre (Cu₂O₍s₎) por plasma de hidrogênio fora do equilíbrio térmico. Os experimentos foram realizados em um reator de plasma pulsado de corrente contínua nas isotermas de 250, 300, 350 e 400°C, no intervalo de tempo de 5 a 120 minutos e sob pressão de 533 Pa. Para fins comparativos, a redução por H₂₍g₎ também foi realizada. A formação de fases nas amostras foi caracterizada por difratometria de Raios-X (DRX) e, utilizando a técnica de refinamento Rietveld, determinou-se a eficiência do processo. A evolução microestrutural das fases formadas foi acompanhada por microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia por energia dispersiva (EDS). A análise quantitativa das espécies do plasma foi realizada através do modelamento da descarga luminescente. Os resultados mostram que o plasma de hidrogênio é mais eficiente para reduzir o Cu₂O₍s₎, viabilizando a redução do óxido sob temperaturas menores com aceleração do processo cinético se comparado com a redução usando-se exclusivamente o H₂₍g₎. Para a temperatura de 250ºC, os dados experimentais ajustaram-se bem a equação cinética para controle por difusão. Para as demais temperaturas, o melhor ajuste foi realizado pelo modelo de controle químico. Os resultados desta pesquisa mostram que existe a possibilidade do desenvolvimento de uma alternativa para obtenção de cobre metálico a partir dos seus óxidos.

ABSTRACT: Hydrogen plasma presents proper physical characteristics for production of new reduction species, which have thermodynamic and kinetics advantages when compared to copper oxide reduction by gaseous hydrogen. This work evaluated a new process to yield metallic copper from its powder oxide (Cu₂O₍s₎) by non-thermal hydrogen plasma reduction. Experiments were conducted in a dc pulsed plasma reactor at temperatures of 250, 300, 350 and 400ºC, varying reduction time intervals between 5 to 120 minutes, keeping pressure at 533 Pa. For comparison purposes, gaseous reduction was also performed. Sample phase evolution and process efficiency was stated by X-ray diffraction using Rietveld refinement technique. Phase microstructure changes were registered by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Quantitative analysis of plasma species was studied by modelling of glow discharge. The results show that hydrogen plasma is more efficient to reduce Cu₂O₍s₎ than H₂₍g₎ based process, enabling the reduction at lower temperatures with kinetics acceleration. At temperature of 250ºC, experimental data was well fitted to a diffusion controlled kinetic equation. At others temperatures, best fit were acquired according to chemical controls. This work shows the possibility of developing alternatives routes for obtaining metallic copper from its oxides.