Reações promissoras

Com o auxílio de modelos físicos e matemáticos, pesquisa da Química busca processos mais eficientes para a extração do cobre e produção do etanol

Luana Macieira

Arquivo pessoal

Guilherme: uso da química computacional para comprender limitações do método hidrometalúrgico

Compreender a estrutura e a reatividade química de um mineral é essencial para que a sua produção seja otimizada, o que reduz custos e danos ambientais do processo. Esse foi o objetivo da tese Reatividade química da superfície da calcopirita e mecanismo de separação da mistura etanol-água em metal-organic frameworks, vencedora do Grande Prêmio UFMG de Teses na categoria Ciências Exatas e da Terra e Engenharias.

A calcopirita (CuFeS2), minério usado para extração de cobre (Cu), foi o objeto de estudo da primeira etapa do doutorado do pesquisador Guilherme Ferreira de Lima, desenvolvida no Programa de Pós-graduação em Química do ICEx. Segundo ele, o alto potencial do metal definiu a escolha da matéria-prima da qual se extrai o cobre. Só neste ano, o Brasil já produziu 475 mil toneladas de cobre. Segundo dados do Instituto Brasileiro de Mineração (Ibram), derivados da calcopirita geraram, em 2011, cerca de US$ 8,7 bilhões para a economia do país.

“Existe um problema de ordem econômica e ambiental para se obter o cobre. Dois processos principais são usados para extraí-lo da calcopirita: o pirometalúrgico e o hidrometalúrgico. Como ambos são pouco eficientes, o entendimento de como ocorrem as reações químicas na superfície do mineral durante o processo viabilizará a criação de métodos para que sua extração se torne mais rentável e menos poluente”, explica Lima.

Pelo processo pirometalúrgico são obtidos 80% do cobre produzido no mundo, porém essa técnica só é viável para minerais com alta concentração de cobre. Seu principal inconveniente é a geração abundante de resíduos sólidos. O processo hidrometalúrgico, por sua vez, que funciona por meio da aplicação de ácido e de uma solução de ferro na superfície do minério, é alternativa mais viável para os minerais de baixa concentração de cobre.

“O método mais usado no Brasil é o hidrometalúrgico, mas não entendíamos por que, depois de algumas horas, o processo de produção se encerrava. A ideia de analisar a superfície da calcopirita por meio de química computacional pretendia entender esse processo em nível molecular. Assim, conseguiríamos criar uma solução para o fato de a reação química se encerrar de forma inesperada”, diz o pesquisador.

A química computacional é uma área cujos experimentos não ocorrem em laboratórios. A metodologia da pesquisa baseou-se na aplicação de modelos físicos e matemáticos que simulam os processos químicos. “A primeira parte do trabalho consistiu em encontrar um modelo capaz de representar a calcopirita (CuFeS2). Constatamos que os átomos de enxofre que ficam na superfície do mineral não existem sozinhos, ou seja, estão sempre ligados um ao outro, formando pares. Antes se pensava que o enxofre (S) seria encontrado sob a forma de polímeros (S3 ou S4, por exemplo). Essa foi a primeira descoberta do estudo”, explicita Guilherme de Lima.

O pesquisador ressalta que o trabalho foi direcionado para compreender a produção de cobre via processo hidrometalúrgico, daí o interesse em observar como água e ácido também reagiam na superfície da calcopirita. “Conseguimos provar, ainda, que a água (H2O) se liga preferencialmente ao átomo de ferro (Fe) do material. Essas duas descobertas nos aproximaram do entendimento de como se dão, de fato, os primeiros passos da extração do cobre da calcopirita por meio de um processo hidrometalúrgico. Agora podemos caminhar para o desenvolvimento de técnicas mais eficientes para essa extração”, diz.

Separação álcool-água

Como parte do doutorado-sanduíche realizado na Jacobs University Bremen, na Alemanha, Guilherme Ferreira de Lima usou a mesma metodologia de aplicação de fórmulas químicas computacionais para estudar a separação de água e etanol em metal-organic frameworks, compostos sólidos porosos tridimensionais com grande potencial de aplicação.

“Para produzir o etanol, a cana-de-açúcar é fermentada. Depois disso, o etanol é concentrado, processo que exige que a água seja separada do álcool. É um método que gasta muita energia, o que o torna menos eficiente. Por isso, usei a mesma metodologia aplicada na calcopirita para entender como os metal-organic frameworks conseguem separar a água do etanol”, explica o pesquisador.

Segundo Guilherme de Lima, esse método de separação ainda não existe no mercado, apesar de perseguido por pesquisadores ao redor do mundo. “Esse estudo nos fornecerá as condições para o desenvolvimento de materiais capazes de separar esses tipos de elementos. Os metal-organic frameworks podem fazer isso, mas como eles funcionam? Como o material consegue distinguir a molécula de água e a de etanol? Esse entendimento é essencial para a criação de produtos para o mercado”, conclui o doutor.