UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
LIXIVIACIÓN YCEMENTACION DEL COBRE
I.
OBJETIVOS
II.
Conocer y manejar el proceso de lixiviación ácida por agitación de un mineral de cobre. Conocer los diferentes diferentes factores que intervienen intervienen en el proceso de de extracción extracción de un elemento metálico mediante la lixiviación en nuestro caso, el cobre. Analizar y obtener obtener cobre por medios medios electrolíticos electrolíticos a nivel nivel laboratorio laboratorio y proyectar proyectar los parámetros a escala industrial. Conocer y manejar el proceso de obtención de cemento de cobre a nivel de laboratorio
FUNDAMENTO TEORICO
COBRE
El cobre cuyo símbolo es Cu, es el elemento químico de número atómico 29. Se trata de un metal un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, oro, forma parte de la llamada familia llamada familia del cobre, se cobre, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos. El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones. Por latones. Por otra parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades propiedades mecánicas. La metalurgia La metalurgia del cobre depende de que el mineral se presente en forma de sulfuros o de óxidos (cuproso u cúprico). cúprico). Para los sulfuros se utiliza para producir cátodos la vía llamada pirometalurgia, que consiste en el siguiente proceso: Conminución del mineral Concentración Concentración (flotación) Fundición en horno Paso a convertidores afino moldeo de ánodos electrorefinación cátodo. cátodo. El proceso de refinado produce unos cátodos con un contenido del 99,9% de cobre. Los cátodos son unas planchas de un metro cuadrado y un peso de 55 kg. Otros componentes que se obtienen de este proceso son son hierro (Fe) y azufre (S), además de muy pequeñas cantidades de plata (Ag) y oro y oro (Au). Como impurezas del proceso se extraen también plomo también plomo (Pb), arsénico (Pb), arsénico (As) y mercurio y mercurio (Hg). Como regla general una instalación metalúrgica de cobre que produzca 300.000 t/ 300.000 t/año año de ánodos, consume 1.000.000 t/año de concentrado de cobre y como subproductos produce 900.000 t/año de ácido sulfúrico y 300.000 t/año de escorias.
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Cuando se trata de aprovechar los residuos minerales, la pequeña concentración de cobre que hay en ellos se encuentra en forma de óxidos y sulfuros, y para recuperar ese cobre se emplea la tecnología llamada hidrometalurgia, más conocida por su nomenclatura anglosajona Sx-Ew. El proceso que sigue esta técnica es el siguiente: Mineral de cobre lixiviación extracción electrólisis cátodo.
Esta tecnología se utiliza muy poco porque la casi totalidad de concentrados de cobre se encuentra formando sulfuros, siendo la producción mundial estimada de recuperación de residuos en torno al 15% de la totalidad de cobre producido. MATERIA PRIMAS
Las materias primas que pueden ser tratadas por procesos de lixiviación son minerales primarios y metales secundarios, el primero es directamente obtenida de depósitos de minerales y el ultimo es obtenido de desechos y desperdicios reciclados. En el caso particular del cobre las especies minerales comerciales en la siguiente tabla . SULFURADOS
Calcosita Novelita Calcopirita Bornita Enargita Tetraedrita
Cu 2S CuS CuFeS 2 Cu3FeS3 Cu3FeS4 Cu2FeS3
OXIDADOS
Malaquita Azurita Crisolcola Cuprita Tenorita Calcantita
Cu2(OH)2CO3 Cu3(OH)2(CO3)2 CuSiO 3.2H2O Cu2O CuO CuSO4.5H2O
NATIVO
Cu
LA LIXIVIACIÓN La palabra lixiviación procede del latín “Lixivia” que significa lejía. En Roma esta
palabra se usaba para describir los jugos que destilaban las uvas o las aceitunas antes de ser machacadas. Hoy la palabra lixiviación se usa para describir el proceso mediante el cual se lava una sustancia pulverizada con el objetivo de extraer de ella las partes que resulten solubles. Es así, que en minería el término lixiviación se define como un proceso hidrometalúrgico en el cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la utilización de un disolvente líquido. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el sólido a la fase líquida, lo que produce una separación de los componentes originales del sólido. En los yacimientos de cobre de minerales oxidados, el proceso de obtención de cobre se realiza en tres etapas que trabajan como una cadena productiva, totalmente sincronizadas:
Lixiviación en pilas. Extracción por solvente. Electro obtención
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LIXIVIACIÓN EN PILAS (Primera Etapa)
Las pilas deben ser regadas con una solución de ácido sulfúrico, la que circula por cañerías distribuidas homogéneamente esto permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas.
¿Cómo se realiza el proceso? a) CHANCADO .- El material extraído de la mina (generalmente a tajo abierto), que contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario (eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamaño máximo de 1,5 a ¾ pulgadas. Este tamaño es suficiente para dejar expuestos los minerales oxidados de cobre a la infiltración de la solución ácida. b) FORMACIÓN DE LA PILA .- El material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia el lugar donde se formará la pila. En este trayecto el material es sometido a una primera irrigación con una solución de agua y ácido sulfúrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya en el camino el proceso de sulfatación del cobre contenido en los minerales oxidados. En su destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo va depositando ordenadamente formando un terraplén continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de lixiviación. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y aspersores que van cubriendo toda el área expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberías ranuradas) que permiten recoger las soluciones que se infiltran a través del material. C) SISTEMA DE RIEGO .- A través del sistema de riego por goteo y de los aspersores,
se vierte lentamente una solución ácida de agua con ácido sulfúrico en la superficie de las pilas. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base, actuando rápidamente. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, la que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas. El riego de las pilas, es decir, la lixiviación se mantiene por 45 a 60 días, después de lo cual se supone que se ha agotado casi completamente la cantidad de cobre lixiviable. El material restante o ripio es transportado mediante correas a botaderos donde se podría reiniciar un segundo proceso de lixiviación para extraer el resto de cobre. ¿Qué se obtiene del proceso de lixiviación? De la lixiviación se obtienen soluciones de sulfato de cobre (CUSO4) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS que son llevadas a diversos estanques donde se limpian eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas. Estas soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a planta de extracción por solvente.
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D) ALMACENAJE Y RECUPERACIÓN.- Como se dijo líneas arriba, la sustancia obtenida
del proceso de riego es transportada hacia pozas construidas y acondicionadas para almacenarlas en tanto se programe su ingreso a la siguiente etapa del proceso (recuperación y concentración). Cabe indicar que al igual que se recupera mineral valioso de la sustancia obtenida, se recupera también el agua involucrada en ella, la misma que se reutiliza en los siguientes procesos de lixiviación, buscando hacer un uso más eficiente de este recursos. De igual forma, el área donde se realiza la lixiviación, es recuperada luego de unos años de uso. Así se procede a restituir la vegetación propia de la zona, cuidando y monitoreando su desempeño.
PROCESO DE CEMENTACION
La cementación es la precipitación de un metal desde una solución acuosa, que se produce por efecto de la presencia de otro metal. En este proceso el metal precipitado usualmente se deposita o "cementa" sobre el metal añadido. El proceso se basa en el potencial de electrodo que tengan los metales involucrados. El metal con potencial de electrodo más alto, tiene mayor tendencia a la oxidación, y pasará a la solución desplazando al metal que tenga un menor potencial positivo. Lo anterior ocurrirá de este modo siempre y cuando las soluciones sean diluidas y el ión del metal no se encuentre formando complejo. Cuando hay complejos involucrados, los datos de potencial de electrodo pueden cambiar drásticamente. En general, mientras mayor sea el potencial de celda de la reacción de cementación, mayor será la tendencia a precipitar impurezas, ya que éstas se encontrarán comprendidas con mayor probabilidad, en cierto rango de potenciales, por lo que se verán favorecidas para precipitar en conjunto. Por ejemplo, en el caso de la cementación de cobre mediante fierro, junto al cobre coprecipitan el plomo, estaño, níquel y cobalto que se encuentran presentes en solución, contaminando el producto. De igual modo, cualquier impureza insoluble presente en el fierro, como los carburos, también contaminará el producto. En la cementación de platino y paladio con zinc, es mayor la amenaza de coprecipitaciones y de posterior contaminación del precipitado. En estos casos, la selectividad del proceso es más baja y la contaminación puede resultar inaceptable. La cementación en fase líquida presenta las siguientes ventajas:
La reacción se produce con gran rapidez. El precipitado puede separarse con facilidad sin contaminación.
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Se puede reciclar la solución gastada final y proceder a devolverla a su estado reducido anterior con algún otro proceso sencillo. Presenta una gran economía de espacio y de costos de operación.
Como precaución, debe mantenerse siempre alejado el ingreso de oxígeno al reactor de cementación, para evitar reacciones competitivas que reduzcan la efectividad del agente precipitante. CEMENTACIÓN DE COBRE CON CHATARRA DE FIERRO
La cementación del cobre con chatarra es una técnica muy utilizada en la industria minera de mediana y pequeña escala para recuperar el metal que se encuentra en las soluciones acuosas ricas provenientes de la lixiviación. La implementación de procesos de sedimentación requiere una inversión menor a la requerida para las plantas tradicionales de SX (extracción por solvente)-EW (electro obtención). No obstante, el uso de SX-EW es en la actualidad una operación muy utilizada, fundamentalmente porque no requiere de un proceso de fundición de cementos. Una vez obtenidas las soluciones de lixiviación ricas en cobre, éstas son sometidas al proceso de cementación con hierro haciendo uso de las técnicas y alternativas que se indican a continuación:
Precipitación con bateas o canaletas gravitacionales Este es el sistema más antiguo para la cementación de cobre y se basa en el uso de recipientes o bateas hechas de hormigón con fondo de madera. La base de estas bateas tiene una pendiente de 2%, lo que permite el escurrimiento de las soluciones desde una punta hacia la otra. En cada una de las bateas se adiciona permanentemente chatarra de hierro, y desde el extremo de mayor altura, se alimentan en forma continua las soluciones ricas en cobre. De esta forma y por efecto de la pendiente de la batea, las soluciones escurren hacia el extremo de menor altura, manteniendo un contacto permanente con la chatarra, logrando que se produzca la cementación. Cabe recordar que por efectos de eficiencia del sistema, se requiere un flujo continuo y una velocidad de escurrimiento suficiente para que el consumo de chatarra no aumente, ya que a mayor tiempo de cementación, aumenta considerablemente los requerimientos de chatarra. La recuperación de cobre mediante este sistema alcanza alrededor de un 80 – 85%, obteniéndose un producto bastante sucio, debido a la contaminación con chatarra.
Precipitación con equipos rotatorios discontinuos Estos equipos fueron desarrollados en Alemania en la década del 60, y se les conoce como "fall-trommels". En Chile, fueron utilizados en la Mina La Cascada entre los años 1972 y 2000, y en Mantos Blancos desde 1991 a 1996. Cada reactor de estos equipos está formado por una botella de acero cilíndrica, cerrada y con un extremo semiesférico. Su capacidad alcanza a los 33 metros cúbicos
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y tiene un eje inclinado a unos 25 grados por encima de la horizontal. A su vez, el reactor cuenta con los mecanismos necesarios para rotar lentamente sobre el eje a unas 0,3 rpm, similar a la rotación que mantienen los camiones que transportan cemento. La gran ventaja de estos reactores en relación al uso de las bateas, es que logran mantener la chatarra en movimiento permanente, con lo que el cobre depositado se despega continuamente, generando nuevas superficies de precipitación y pudiendo así alcanzar grandes rendimientos.
Precipitación con equipos rotatorios continuos A partir de los diseños originales de lo alemanes, en los años 60 se desarrolló en Chile una serie de reactores cilíndricos, pero horizontales, de diversas dimensiones, inicialmente hechos de madera y con sistemas de movimiento similares a los de un molino de bolas, que giran sobre su eje a una frecuencia muy baja, correspondiente a una vuelta por cada 3 a 5 minutos. En su interior, los cilindros presentan un sistema de protección basado en tacos de madera de fibra larga, similar a la del eucaliptus, colocados uno al lado del otro, con el sentido de la fibra orientada hacia el interior del reactor. Al humedecerse, la madera se hincha, generando un sello perfecto para el líquido contenido. En el manto del cilindro se ubica una compuerta para efectuar el relleno de chatarra cada vez que se inicia un nuevo turno.
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III.
MATERIALES Y EQUIPOS
Muestra de mineral de óxido de cobre
H2SO4, polvo de Fe, Na2CO3, naranja de metilo
Papel filtro
Comba
Bureta
Vaso de precipitado
Embudo
Matraz
Balanza
Tamiz
Cuba de agitación
Equipo Denver de lixiviación.
IV.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
LIXIVIACION ACIDA DE COBRE POR AGITACION
A. Reducción de tamaño del mineral de Cobre: (Preparación de la muestra)
Pesamos la muestra de mineral (óxido de cobre) obteniendo como resultado
Luego se procede a reducir de tamaño el mineral, empleando para ello una comba. .
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Luego tamizamos lo molido en una malla 400, seguidamente volvemos a moler lo retenido para después tamizarlo nuevamente.
Pesamos la muestra tamizada, obteniendo como resultado
B. Para la lixiviación preparamos una solución de ácido sulfúrico al 5%
Se prepara una solución de 1000ml de ácido sulfúrico al 5% (5g /100ml), para lo cual se hacen los cálculos de cuanto acido al 98% pureza y ρ=1.84g/ml) se necesita para la preparación de dicho ácido :
() () Ósea agregamos 27.728483 ml
H 2 SO4 y
aforamos con agua el recipiente hasta 1000 ml.
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C. Lixiviación acida por agitación
Colocamos la muestra tamizada en una celda y le agregamos la solución de H2SO4 al 5% en peso.
Luego procedemos a agitarlo en el equipo Denver por espacio de 30 minutos a 1200rpm. (aquí se realiza la transferencia de masa de solido-liquido). Ocurre la siguiente reacción.
() () () ()
Después de los 30 minutos de agitación, dejamos reposar y se observó una coloración azul-verdosa (el color verde se debe a la presencia del hierro que conforme se vaya oxidando se ira precipitando y la solución se ira tornando de color turquesa).
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D. Determinación de la cantidad de ácido sulfúrico remanente en la solución
Tomamos una parte de la solución azul- verdosa con la ayuda de un vaso precipitado, seguidamente procedemos a su filtración obteniéndose una solución turquesa (solución rica) que luego será titulada con .
Para determinar la cantidad de ácido en la solución rica se requiere una solución de 0.2 N (patrón secundario), utilizando como indicador naranja de metilo. Se extrae una alícuota de 2 ml de la solución rica y se diluye con agua, como indicador le agregamos 2 gotas de naranja de metilo (viraje: de rojo a naranja). Titulamos con el 0.2N (Fc =0.9538).
Repetimos la titulación por triplicado para medir la cantidad de ácido presente en la solución, los resultados obtenidos y la concentración de ácido es:
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Titulación
(ml) Gasto de (ml) Concentración de () Solución rica
1
2
3
2.0
2.0
2.0
2.7
2.6
2.5
0.123994
0.119225
Después de una semana tomamos nuevamente una porción de la solución azul- verdosa, filtramos, titulamos por triplicado la solución obtenida (color turquesa) obteniendo los siguientes resultados:
Titulación
(ml) Gasto de (ml) Concentración de () Solución rica
1
2
3
2.0
2.0
2.0
1.6
1.7
1.6
0.081073
0.076304
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Se observa que la cantidad de ácido sulfúrico ha disminuido a y esto se debe a que parte del ácido se ha sulfatado, formándose cristales en la pared de la cuba.
Agitamos nuevamente el contenido de la cuba por un espacio de 30minutos, pasado este tiempo, esperamos que sedimente la parte sólida, tomamos nuevamente una alícuota de la fase liquida (solución turquesa), filtramos y titulamos por triplicado para determinar la cantidad de ácido sulfúrico aun presente en la solución. Obteniendo los siguientes datos:
Titulación
(ml) Gasto de (ml) Concentración de () Solución rica
1
2
3
2.0
2.0
2.0
1.1
1.1
1.1
0.052459
0.052459
Se observa que la cantidad de ácido sulfúrico ha disminuido aún más a
debido a que parte del ácido remanente a reaccionado con el cobre del mineral, esto es por el tiempo adicional de agitación.
E. Separación de la solución rica de los residuos
Separamos la fase liquida de la fase solida por decantación y filtración, a la fase liquida azulada obtenida se le llama “solución rica” el cual se obtiene 1000ml y a la fase solida verdosa, residuo (Se seca y se pesa para analizar la cantidad de cobre que contiene). A este residuo se lava con agua y luego se filtra, a este líquido obtenido se le llama “solución pobre” el cual es 1430ml.
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F. Obtención del cemento de cobre
A los 1000ml de solución rica, le agregamos poco a poco 16.4g de polvo de Fe (para reducir el cobre) y lo agitamos en el equipo Denver por un periodo de 10 minutos. Después de la agitación dejamos reposar y se observa la formación de un precipitado rojizo (cemento de cobre) en el fondo de la cuba. La presencia del hierro oxidado hace que el precipitado presente un color rojo oscuro. La reacción que ocurre es la siguiente:
()
Retiramos el precipitado por decantación y lo colocamos en un vaso precipitado. Luego lo dejamos secar para su posterior pesado.
A la solución obtenida de la decantación procedemos nuevamente a agitarla y agregarla polvo de hierro para obtener nuevamente cemento de cobre. Este procedimiento se realizara hasta que la solución no presente casi cobre y esto se aprecia por la decoloración que ira presentando (perdida del color turquesa).En nuestro caso se realizó 4 veces.
Una vez secado las 4 muestras obtenidas del cemento de cobre, procedemos a retirarla del vaso precipitado con la ayuda de una espátula, colocándolas en un papel, luego pesamos cada una de ellas.
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Las muestras de cemento de cobre presentan diferentes porcentajes, y aproximadamente estos son:
Una vez pesada cada una de ellas, obtenemos el siguiente cuadro:
Cemento de cobre (muestra) % Cu (aproximadamente) Peso (g)
1 95 4.9
2 90 2.6
3 85 0.7
4 70 3.4
[]
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Pesamos también el residuo (relave), el cual es:
Ítems
Cantidad
% Ley de Cu
Cantidad de Cu
Cabeza
300 g
6.5 %
19.5g
Solución Rica
1000ml
9.97
9.97g
Solución Lavada
1430ml
4.07623 aprox.
5.83g
Residuo
265.7g
1.3925% aprox.
3.70g
V.
VI.
CONCLUSIONES Mediante el proceso de lixiviación se extrae uno o varios solutos de un sólido, en este caso extrajimos el Cu. El proceso de lixiviación nos permite observar las diferentes variables que nos permite optimizar el proceso tanto como la granulometría (tamizado), la concentración del acido a emplea, tiempo de reposo y la agitación.
RECOMENDACIONES El hierro usado debe estar limpio para evitar la producción de productos indeseados que puedan perturbar nuestro análisis. Tener en cuenta la concentración de reactivos que se van a utilizar.
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