CEMENTACION CON CHATARA DE HIERRO A NIVEL LABORATORIO Generalmente se le conoce como como el desplazamiento de iones metálicos metálicos nobles, por aquellos de un metal mas reactivo a partir de soluciones acuosas y en el caso especifico del cobre y hierro el primero queda adherido en la superficie del segundo a manera de un ³cemento´, el cual se desprende a manera debido a la agitación existente. Desde el punto de vista mas restringido, se puede considerar como una reacción electroquímica, en donde los electrones no son intercambiados en un mismo mismo sitio de la superficie, ocurriendo consiguientemente las semireacciones con puntos separados por una distancia finita, lo cual tiene necesariamente que ser una fase solida conductora o semiconductora, la siguiente figura muestra objetivamente el modelo anteriormente mencionado. La reacción total es la siguiente:
La que puede ser escrita también de la siguiente manera:
QUÍMICA DE LA CEMENTACIÓN Cuando
un pedazo de hierro metálico es sumergido en e n una solución acuosa
conteniendo, iones
Cu++
tiende a precipitarse. La fuerza electromotriz para el
proceso es el potencial electroquímico para la reacción.
Este potencial es la diferencia entre los potenciales potenciales de media celda del cobre y hierro es decir:
Estos potenciales están relacionados a sus potenciales electroquímicos estándar y en las actividades de los iones en solución por la ecuación de NERNST.
DONDE: T= Temperatura, K; F= constante de de faraday 96500 culombios por peso equivalente gramo; R= constante de gas 8.314 joules, a partir del cual.
Los potenciales de reducción estándar para el cobre y hierro con +0.34 y 0.41 voltios respectivamente, de modo que en términos numéricos la ecuación llega a ser:
La reacción (4), procederá hasta que el potencial electroquímico a aproxime a ³O´ voltios, la condición al cual los metales y los iones se aproximan al equilibrio o el radio iónico de equilibrio a , puede ser calculado por introducción de esta condición ³0´ voltios en la ecuación (9) a 25°C el radio es de 1025. Este radio es extremadamente grande indica que la reacción (4) puede proceder hasta que virtualmente todos los iones de cobre sean precipitados a partir de la cementación industrial donde más del 90% del cobre es removido de la solución impregnada antes que ellos sean recirculados al circuito de lixiviación. De acuerdo a la ecuación (4) 1 mol de hierro (55,85g) deberá precipitar 1 mol de cobre (63.54g) deberá precipitar
1mol de cobre (63,54g), el cual es
equivalente a 0.88 Kg de hierro por 1 Kg de cobre.
En la práctica industrial
1,5 - 2,5 Kg de hierro son requerido s como
consecuencia de las dos reacciones siguientes:
El oxigeno atmosférico contribuye al exceso de consumo
de fierro
por
oxidación directa del hierro o puede producir iones Fe+3 , el cual cuyo consumo
de hierro metálico
para la reacción, algo
de cobre también puede
oxidarse y redisolverse, requiriendo precipitación.
CINETICA DE CEMENTACIÓN La reacción de cementación requiere una transferencia de electrones entre el hierro
que se está disolviendo
y el cobre que se está precipitando. Este
requerimiento causa l a cementación del cobre sobre la superficie del hierro. El flujo de fluido y las condiciones de la superficie del hierro, deben por consiguiente
estar previstos
de manera
que el
precipitado se desprenda
fácilmente de la superficie del hierro, de una velocidad alta de flujo
de
solución a través del hierro parece que el mejor tipo de precipitado para la colección y transporte. La cinética de cementación
de cobre ha sido estudiada en forma amplia.
Generalmente se concuerda en que el paso que controla la velocidad es la difusión de los iones de cobre a la superficie de hierro, en tal caso al velocidad de cambio de concentración de cobre en la solución de lixiviación está dada por:
Donde: = concentración de cobre (Kg m-3) en la solución a tiempo t.
K = constante de velocidad específica para los procesos de los procesos que depende del flujo de fluido y condiciones de temperatura (m.seg -1) A = área expuesta (m2) hierro por m3 de solución. Así la velocidad de precipitación de cobre es proporcional a la concentración de cobre de la solución, al área de hierro
expuesto a la constante de la
velocidad especifica, K. L a constante de velocidad especifica u por lo tanto
al velocidad de
cementación puede ser aumentado por un incremento en la temperatura y el grado de agitación. Además minimizando la presenc3Zia de iones Fe+3 y menores cantidades de oxigeno atmosférico se disminuye el efecto sobre las reacciones (10) y asi conduce a velocidades atas de cementación y utilización eficientemente de hierro, BISWAS y REID (1972), demostraron experimentalmente que bajo una atmosfera de nitrógeno el hierro consumido durante la cementación de cobre es muy aproximado al requerido estequiometricamente.
CEMENTACION A NIVEL LABORATORIO Las pruebas de cementación en ³batch´ se llevo a cabo empleando un vaso de 250 ml; un calentador eléctrico y la agitación se realizo manualmente, los licores lixiviados
provenientes
de pruebas de lixiviación
en columna
son
utilizados para este propósito; para eliminar la arena o partículas de salidos presentes, los licores deben ser filtrados, se adicionan cristales de sulfato de cobre y agua para obtener diferentes concentraciones de cobre en solución. En todas las pruebas, la solución se ajusta con sulfato de cobre, para obtener el pH deseado, se utilizo planchas cortadas de fierro , como
elemento
precipitante. Entre los parámetros que deben ser evaluados para optimizar, el proceso figura las siguientes:
Efecto de agitación sobre la precipitación.
Efecto de la concentración de cobre sobre la precipitación
Efecto del tiempo de residencia sobre la precipitación
Efecto de la concentración del ion ferroso sobre la precipitación
Efecto de la temperatura sobre la precipitación.
Efecto de la concentración de cobre y la temperatura sobre el consumo de hierro.
MATERIALES Y EQUIPOS
4 vasos de precipitación.
1 calentador eléctrico.
1 varilla de vidrio.
1 termómetro.
4 planchas de hierro.
1 balanza analítica.
200 ml de solución por cada vaso de solución lixiviada.
PROCIDIMIENTO Primera Prueba con Agitación y sin Agitación Se utiliza 2 vasos de 250 ml con 200ml de solución lixiviada cada uno. Se reviso el pH de la solución. Luego se calentó la solución hasta una temperatura de 60°C, manteniendo constante la temperatura. A 60°C, se introdujo una placa de Fe en cada vaso, para luego agitar a uno de los vasos, al otro vaso, no se agitó. -
La agitación se mantuvo constante hasta que desaparezca el color azul de la solución lixiviada.
-
Se tomó el tiempo adecuado. ti = 10:54 am
tf = 11:19 am t = 25 min. -
Luego se retiró las placas conteniendo el cemento de cobre de cada vaso, luego se lavó todo el cemento de cobre; para llevar a sequedad y determinar su peso.
Cálculos Con agitación Condiciones
de operación:
T = 60ºC
t = 25 min.
pH = 2
W placa de Fe = 29,550 g.
Área de la placa:
Área = (15,4) (5,6) (2)
Área = 60,48 cm2
Área = 0,006048 m2
Wvaso + cemento de Cu = 88,2404 g.
Wvaso = 81,4310 g. Entonces: W cemento de Cu = 88,2404 ± 81,4310 g. W cemento de Cu = 6,8094 g. de cemento de Cu.
Sin Agitación Condiciones
de operación:
T = 60ºC
t = 25 min.
pH = 2
W placa de Fe = 29,852 g.
60,48 cm2 ó 0,006048 m2
Área de la placa de Fe:
W cemento de Cu + vaso = 86,0524 g.
Wvaso = 81,4310 g.
W cemento de Cu = 86,0524 ± 81,4310
W cemento = 4,6214 g.
Segunda Prueba con Agitación y Sin Agitación El procedimiento es el mismo que el anterior, pero a condiciones diferentes de operación. T = ambiente t = 25 min. pH = 2
Cálculos Con agitación Condiciones
de operación:
T = ambiente
t = 25 min.
pH = 2
W placa de Fe = 25,8100 g.
Área de la placa de Fe: 60,48 cm2 ó 0,006048 m2 W cemento de Cu + Vaso = 86,9912 g. Wvaso = 81,4310 g. W cemento de Cu = 86,9912 ± 81,4310 W cemento = 5,5602 g.
Sin Agitación Condiciones
de operación:
T = ambiente
t = 25 min.
pH = 2
W placa de Fe = 25,8843 g.
Área de la placa de Fe:
60,48 cm2 ó 0,006048 m2
W cemento de Cu + vaso = 86,8664 g. Wvaso = 81,4310 g. W cemento de Cu = 86,8664 ± 81,4310 W cemento = 5,4354 g.
CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE Cu EN EL CEMENTO DE COBRE PRIMERA PRUEBA CON AGITACIÓN Para
determinar el % de
Cu
en el cemento de cobre, se tomó una muestra
representativa de la primera prueba con agitación, en vista de que bajo estas condiciones de operación existe una cantidad, superable en gramos de cemento de cobre que en las demás pruebas. El método empleado para este análisis químico fue la titilación mediante TIOSULFATO (2.7.2). Se realizó por duplicado:
Vaso Nº 1 Gasto = 13,8 ml de Tiosulfato de Na. %Cu
!
13,80,9412011570,006354 0,1002
x100
% Cu = 82,36468233
Vaso Nº 2 Gasto = 14 ml de Tiosulfato de Na.
u
!
140,9412011570,006354
x100
0,1001
% Cu = 82,89652847 Entonces el promedio será: %Cu = 82,6306036
CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN DE COBRE De igual modo para determinar el porcentaje de recuperación, nos basamos en la primera prueba. 200 ml sol. Lixiviada 200 ml x 0,0291843 g
Peor
deCu !
ml
5,83686 g de Cu
en el cemento de Cobre: (6,8094 g de cem Cu) (0,826306036) = 5,62665 g Cu
Entonces g. de cobre ret = 5,83686 ± 5,62665 g de cobre ret. = 0,21021 de
.-.
5,83686
-------------
100%
5,62665
-------------
X
Rec = 96,39 %
Cu
BALANCE DE MATERIA CEMENTO DE COBRE ccm. Cu = 6,8094 g. Cu = 5,62685 g. Impurezas = 1,18275 g
SOLUCIÓN LIXIVIADA 200 ml Cu = 5,83686 g.
CEMENTACIÓN
COLAS Cu = 0,21021 g.
g de Cu en la solución lixiviada 200 ml x 0,0291843 g
Cu
ml
!
5,83686 g de Cu
en el cemento de cobre
5,83686 96,39 100 Cu
gCu
!
5,62665 g .
en las colas
5,83686 ± 5,62665 = 0,21021 g.
