Processamento de magnésio, preparação de minério de magnésio para uso em vários produtos.
O magnésio (Mg) é um metal branco prateado com aparência semelhante ao alumínio, mas pesa um terço a menos. Com uma densidade de apenas 1.738 gramas por centímetro cúbico, é o metal estrutural mais leve conhecido. Possui uma estrutura cristalina hexagonal compactada (hcp), de modo que, como a maioria dos metais dessa estrutura, não possui ductilidade quando trabalhada em temperaturas mais baixas. Além disso, em sua forma pura, não possui resistência suficiente para a maioria das aplicações estruturais. No entanto, a adição de elementos de liga melhora suas propriedades a tal ponto que as ligas de magnésio fundidas e forjadas são amplamente utilizadas, particularmente onde peso leve e alta resistência são importantes.
O magnésio é fortemente reativo ao oxigênio em altas temperaturas; acima de 645 ° C (1.190 ° F) em ar seco, queima com uma luz branca brilhante e calor intenso. Por esse motivo, os pós de magnésio são utilizados em pirotecnia. À temperatura ambiente, um filme estável de hidróxido de magnésio insolúvel em água se forma na superfície do metal, protegendo-o da corrosão na maioria das atmosferas. Sendo um forte reagente que forma compostos estáveis com cloro, oxigênio e enxofre, o magnésio tem várias aplicações metalúrgicas, como na produção de titânio a partir de tetracloreto de titânio e na dessulfuração do ferro de alto-forno. Sua reatividade química também é evidente nos compostos de magnésio com ampla aplicação na indústria, medicina e agricultura.
História
O magnésio deriva seu nome da magnesita, um mineral de carbonato de magnésio, e esse mineral, por sua vez, deve seu nome aos depósitos de magnesita encontrados em Magnesia, um distrito na antiga região grega da Tessália. Diz-se que o químico britânico Humphry Davy produziu uma amálgama de magnésio em 1808 eletrolisando o sulfato de magnésio úmido, usando mercúrio como cátodo. O primeiro magnésio metálico, no entanto, foi produzido em 1828 pelo cientista francês A.-A.-B. Bussy. Seu trabalho envolveu a redução do cloreto de magnésio fundido pelo potássio metálico. Em 1833, o cientista inglês Michael Faraday foi o primeiro a produzir magnésio pela eletrólise do cloreto de magnésio fundido. Suas experiências foram repetidas pelo químico alemão Robert Bunsen.
A primeira produção industrial de sucesso foi iniciada na Alemanha em 1886 por Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, com base na eletrólise da carnalita fundida. Hemelingen mais tarde tornou-se parte do complexo industrial IG Farbenindustrie, que, durante as décadas de 1920 e 1930, desenvolveu um processo para produzir grandes quantidades de cloreto de magnésio fundido e essencialmente sem água (agora conhecido como processo IG Farben), bem como a tecnologia para eletrolisar este produto em metal magnésio e cloro. Outras contribuições da IG Farben foram o desenvolvimento de inúmeras ligas fundidas e maleáveis, fluxos de refino e proteção, produtos de magnésio forjado e um grande número de aplicações em aeronaves e automóveis. Durante a Segunda Guerra Mundial, a Dow Chemical Company dos Estados Unidos e a Magnesium Elektron Limited do Reino Unido começaram a redução eletrolítica de magnésio da água do mar bombeada de Galveston Bay, Texas, e do Mar do Norte em Hartlepool, Inglaterra. Ao mesmo tempo, em Ontário, Canadá, foi introduzido o processo de redução térmica do óxido de magnésio com silício em retortas externas.
Após a guerra, as aplicações militares perderam destaque. A Dow Chemical ampliou os mercados civis, desenvolvendo produtos forjados, tecnologia de fotogravura e sistemas de tratamento de superfície. A extração permaneceu baseada na eletrólise e redução térmica. A esses processos foram feitos refinamentos como o aquecimento interno de retortas (o processo Magnetherm, introduzido na França em 1961), a extração de prills desidratados de cloreto de magnésio (introduzidos pela empresa norueguesa Norsk Hydro em 1974) e as melhorias na tecnologia de células eletrolíticas da por volta de 1970.
A partir de 2019, a China produziu cerca de 85% do magnésio do mundo, e Rússia, Cazaquistão, Israel e Brasil produziram grande parte do restante.
Minérios e matérias-primas
O oitavo elemento mais abundante da natureza, o magnésio constitui 2,4% da crosta terrestre. Devido à sua forte reatividade, ela não ocorre no estado nativo, mas é encontrada em uma ampla variedade de compostos na água do mar, salmoura e rochas.
Entre os minerais de minério, as mais comuns são os carbonatos de dolomite (um composto de carbonatos de magnésio e cálcio, MgCO 3 · CaCO 3) e magnesite (carbonato de magnésio, MgCO 3). Menos comum é a brucite hidróxido mineral, Mg (OH) 2, e o halogeneto de carnalite mineral (um composto de cloretos de magnésio e de potássio e água, MgCl 2 · · KCl 6H 2 O).
O cloreto de magnésio é recuperável de salmouras naturais, como o Great Salt Lake (normalmente contendo 1,1% em peso de magnésio) e o Mar Morto (3,4%), mas de longe a maior fonte são os oceanos do mundo. Embora a água do mar tenha apenas aproximadamente 0,13% de magnésio, ela representa uma fonte quase inesgotável.
Mineração e concentração
Tanto a dolomita quanto a magnesita são extraídas e concentradas por métodos convencionais. A carnalita é escavada como minério ou separada de outros compostos de sal que são trazidos à superfície por mineração em solução. Salmouras contendo magnésio de ocorrência natural são concentradas em grandes lagoas por evaporação solar.
Extração e refino
Um reagente químico forte, o magnésio forma compostos estáveis e reage com oxigênio e cloro nos estados líquido e gasoso. Isso significa que a extração do metal a partir de matérias-primas é um processo intensivo em energia que requer tecnologias bem ajustadas. A produção comercial segue dois métodos completamente diferentes: eletrólise do cloreto de magnésio ou redução térmica do óxido de magnésio pelo processo de Pidgeon. A eletrólise já foi responsável por aproximadamente 75% da produção mundial de magnésio. No início do século XXI, no entanto, quando a China emergiu como o principal produtor mundial de magnésio, o baixo custo de mão-de-obra e energia permitia que o processo de Pidgeon fosse economicamente viável, apesar de menos eficiente que a eletrólise.
Eletrólise
Os processos eletrolíticos consistem em duas etapas: a preparação de uma matéria-prima contendo cloreto de magnésio e a dissociação desse composto em metal magnésio e gás cloro nas células eletrolíticas.
Nos processos industriais, as alimentações celulares consistem em vários sais fundidos contendo cloreto de magnésio anidro (essencialmente sem água), cloreto de magnésio parcialmente desidratado ou carnalita anidra. Para evitar impurezas presentes nos minérios de carnalita, a carnalita artificial desidratada é produzida por cristalização controlada a partir de soluções aquecidas contendo magnésio e potássio. O cloreto de magnésio parcialmente desidratado pode ser obtido pelo processo Dow, no qual a água do mar é misturada em um floculador com dolomita reativa levemente queimada. Um hidróxido de magnésio insolúvel precipita para o fundo de um tanque de decantação, de onde é bombeado como uma pasta, filtrado, convertido em cloreto de magnésio por reação com ácido clorídrico e seco em uma série de etapas de evaporação para 25% de conteúdo de água. A desidratação final ocorre durante a fundição.
O cloreto de magnésio anidro é produzido por dois métodos principais: desidratação de salmoura de cloreto de magnésio ou cloração do óxido de magnésio. No último método, exemplificado pelo processo IG Farben, dolomita levemente queimada é misturada com água do mar em um floculador, onde o hidróxido de magnésio é precipitado, filtrado e calcinado em óxido de magnésio. Este é misturado com carvão, formado em glóbulos com a adição de solução de cloreto de magnésio e seco. Os glóbulos são carregados em um clorador, um forno de eixo revestido de tijolos, onde são aquecidos por eletrodos de carbono a aproximadamente 1.000–1.200 ° C (1.800–2.200 ° F). O gás cloro introduzido através das vigias no forno reage com o óxido de magnésio para produzir cloreto de magnésio fundido, que é batido a intervalos e enviado às células eletrolíticas.
A desidratação de salmoura de magnésio é realizada em estágios. No processo Norsk Hydro, as impurezas são primeiro removidas por precipitação e filtragem. A salmoura purificada, que contém aproximadamente 8,5% de magnésio, é concentrada por evaporação a 14% e convertida em partículas em uma torre de prenchimento. Este produto é ainda seco para partículas livres de água e transportado para as células eletrolíticas.
As células eletrolíticas são essencialmente vasos revestidos de tijolos equipados com vários cátodos de aço e ânodos de grafite. Estes são montados verticalmente através da cobertura celular e parcialmente submersos em um eletrólito de sal fundido composto por cloretos alcalinos aos quais o cloreto de magnésio produzido nos processos descritos acima é adicionado em concentrações de 6 a 18 por cento. A reação básica é:
As temperaturas operacionais variam de 680 a 750 ° C (1.260 a 1.380 ° F). O consumo de energia é de 12 a 18 quilowatts-hora por quilograma de magnésio produzido. Cloro e outros gases são gerados nos ânodos de grafite e o metal fundido de magnésio flutua até o topo do banho de sal, onde é coletado. O cloro pode ser reutilizado no processo de desidratação.
Redução térmica
Na produção térmica, a dolomita é calcinada em óxido de magnésio (MgO) e cal (CaO), e estas são reduzidas pelo silício (Si), produzindo gás de magnésio e uma escória de silicato bicálcico. A reação básica, é endotérmico - ou seja, o calor deve ser aplicado para iniciá-lo e sustentá-lo. Com o magnésio atingindo uma pressão de vapor de 100 quilopascal (1 atmosfera) a 1.800 ° C (3.270 ° F), os requisitos de calor podem ser bastante altos. Para diminuir as temperaturas de reação, os processos industriais operam sob vácuo. Existem três métodos principais, diferindo por seus meios de fornecer calor. No processo de Pidgeon, dolomita moída e calcinada é misturada com ferrosilício finamente moído, briquetada e carregada em retortas cilíndricas de níquel-cromo-aço. Várias réplicas são instaladas horizontalmente em um forno a óleo ou a gás, com suas tampas e sistemas de condensador conectados que se estendem para fora do forno. Após um ciclo de reação a uma temperatura de 1.200 ° C (2.200 ° F) e sob uma pressão reduzida de 13 pascal, os cristais de magnésio (chamados de coroas) são removidos dos condensadores, a escória é evacuada como um sólido e a retorta é recarregada. No processo de Bolzano, os briquetes de dolomita-ferrosilício são empilhados em um sistema especial de suporte de carga, através do qual o aquecimento elétrico interno é conduzido para a carga. Uma reação completa leva 20 a 24 horas a 1.200 ° C abaixo de 400 pascal.
A escória de silicato bicálcico produzida pelos processos acima tem um ponto de fusão de cerca de 2.000 ° C (3.600 ° F) e, portanto, está presente como um sólido, mas, adicionando alumina (óxido de alumínio, Al 2 O 3) à carga, a o ponto de fusão pode ser reduzido para 1.550–1.600 ° C (2.825–2.900 ° F). Essa técnica, utilizada no processo Magnetherm, tem a vantagem de que a escória líquida pode ser aquecida diretamente pela corrente elétrica através de um eletrodo de cobre resfriado a água. A reação de redução ocorre a uma pressão de 1.600 ° C e 400–670 pascal. O magnésio vaporizado é condensado em um sistema separado conectado ao reator, e a escória derretida e o ferrosilício são batidos a intervalos.
