Sulfation and selective roasting of rare earth elements in complex, iron-rich ores

Abstract

Os elementos de terras raras (ETR) são insumos essenciais utilizados em várias tecnologias contemporâneas, principalmente de equipamentos relacionados à tecnologia verde. O mineral monazita é a principal fonte de ETR no Brasil, mas geralmente contêm impurezas que consomem grandes quantidades de ácidos, como o ferro e fosfatos, podendo também conter níveis proibitivos de elementos radioativos (e. g. tório). Este trabalho discute os fundamentos de uma rota de processo seletivo para extração de terras raras de minérios monazíticos com alto teor de ferro. O processo consiste na sulfatação por meio de ácido sulfúrico concentrado e a ustulação à elevadas temperaturas. Foram obtidas extrações de terras raras de até 80%, enquanto extrações de ferro e tório permaneceram inferiores a 1%, sendo o consumo de ácido abaixo de 0,34 kg de ácido sulfúrico por kg de minério. Houve ótima concordância entre a simulação termodinâmica e os resultados de TGA obtidos para sulfatos de ferro e lantânio, que indicam a decomposição de sulfato. Os resultados também mostram que o sulfato de lantânio se decompõe em duas etapas sob atmosfera oxidante, havendo a formação de La2O2SO4 como um composto intermediário, fato que não pode ser previsto por avaliação termodinâmica. Observou-se uma queda de extração de ETR a 800°C, apesar da previsão baseada nos resultados de TGA e avaliação termodinâmica indicarem que essa queda devesse ocorrer a 1100°C. Esse comportamento foi atribuído a conversão de sulfatos de ETR em fosfatos. Foi demonstrado que essa conversão depende do excesso de fósforo presente no sistema em compostos menos estáveis que a monazita. Propõe-se que a presença de altas pressões parciais de P2O5 no sistema promova a conversão dos sulfatos de ETR em polifosfatos insolúveis - ETR(PO3)3. O ácido fosfórico, por sua vez, levou à formação de compostos do tipo monazita. A reação por meio gás-sólido é o modelo mais adequado devido ao fácil acesso da fase gasosa às partículas de sulfato de ETR, causando assim a queda drástica na extração de ETR observada a 800°C. Observou-se que o emprego de atmosfera redutora durante a ustulação apresenta grande efeito na temperatura ótima de extração, sendo reduzida de 700°C (ar) para 400°C, sob atmosfera redutora. As condições redutoras não alteraram a extração de ETR (80%), favoreceu a seletividade frente ao tório, mas não houve mudança com relação ao ferro. Outra opção do pré-tratamento com monazita é o processo de cloração, no qual o ETRPO4 é transformado em ETRCl3 solúvel. Não foi confirmada a reação de dupla troca entre sulfato (Fe, Mg e Ca) e fosfato (Nd, Ce) e entre MgCl2 e os fosfatos de Ce e Nd em atmosfera inerte. Entretanto, foi confirmada a reação entre os fosfatos e MgCl2 sob atmosfera oxidante (ar). Os produtos foram CeO2 e NdOCl.