Análise cinética da redução de finos de hematita por plasma frio e por hidrogênio em baixas temperaturas

Abstract

RESUMO: Neste estudo foi realizado uma abordagem cinética dos processos de redução de finos de hematita por plasma frio de hidrogênio e hidrogênio em baixas temperaturas. Os processos de redução de hematita por plasma frio de hidrogênio e hidrogênio foram isotérmicos realizados nas temperaturas de 360, 380, 400, 425 e 450ºC, em intervalos de tempos de 15 a 120 minutos, sob pressão do sistema de 533 Pa e fluxo de hidrogênio de 400 cm³/min. Ambos os experimentos de redução de hematita foram realizados em um reator a plasma pulsado de corrente contínua. A caracterização das fases após os experimentos de redução foi realizada por difractometria de raios-x, a qual permitiu acompanhar a evolução das fases. Curvas de fração reagida foram obtidas por gravimetria. Da análise de tais curvas com o auxílio do método de Hancock e Sharp foi possível determinar qual o mecanismo cinético é a etapa controladora dos processos de redução de hematita por plasma e a gás. Os resultados demonstraram que a etapa controladora do processo de redução de hematita por plasma frio de hidrogênio foi a nucleação e crescimento do ferro sobre o substrato magnetítico, cujo modelo de melhor ajuste foi o da equação de JMAEK. E para o processo de redução de hematita por hidrogênio a etapa controladora do processo foi a reação química na interface magnetita/gás, em que o modelo da reação interna uniforme foi o de melhor ajuste. A energia de ativação encontrada para os processos de redução de hematita por plasma frio de hidrogênio e hidrogênio foi respectivamente de 68,5 e 87,2 kJ/mol. Em ambos os processos a redução da hematita até ferro seguiu por meio de duas etapas: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → Fe. A redução da hematita por plasma frio de hidrogênio foi equivalente a redução pelo hidrogênio.

ABSTRACT: In this study a kinetic approach of fine hematite particles reduction processes by cold hydrogen plasma and hydrogen at low temperature was carried out. The hematite reduction by cold hydrogen plasma and by hydrogen were performed at 360, 380, 400, 425 and 450°C, at intervals of 15 to 120 minutes, under 533 Pa of pressure and a hydrogen flux of 400cm³/min. Both hematite reduction experiments were carried out in a pulsed D.C. plasma reactor. X-rays diffraction technique was used to scan the evolution of phases during the reduction processes. Unreacted fraction curves were obtained by gravimetry technique. These curves were analysed with aid of the Hancock and Sharp method, which allowed to determine the controlling kinetic steps for the reduction of hematite by hydrogen plasma and by gas. For the case of reduction of hematite by hydrogen cold plasma, results showed nucleation and growth of iron on the magnetite substrate as the controlling kinetic step, with best fitting model being the equation of JMAEK. For the case of reduction of hematite by hydrogen, results showed chemical reaction on the magnetite/gas interface as the controlling kinetic step, with the uniform internal reaction model being the best fitting model. The activation energy calculated for hematite reduction by hydrogen cold plasma and hydrogen were 68,5 and 87,2 kJ/mol respectively. In all studied conditions, it has been found that the reduction process occurs in two steps: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → Fe. The reduction of hematite by hydrogen cold plasma was equivalent to reduction by hydrogen gas.