UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN S AN LUIS POTOSÍ FACULT ACULTAD DE INGENI INGENIERÍ ERÍA A ÁREA DE METALURGIA Y MATERIALES
PRÁCTICA 3: CINETICA DE LIXIVIACION DE OXIDO DE COBRE. Laboraor!o "# E$ra%!&a II
ALUMNO: GUTIERRE' RUBIO ANGEL DE (ESUS PROFESOR: ING. IVONNE )ADO M. ELIAS *ORARIO: Mar#+, -:-- / 00:--
012-32-04 1. OBJETIVO.
Estimar la velocidad de desplazamiento de la interfase de reacción. Aplicar la ecuación de Arrehenius para calcular la energía de activación efectuando pruebas a temperatura ambiente, 30 °C, 0°C, !0 °C " #0 °C $o temperaturas establecidas por el instructor%.
2. INTRODUCCIÓN. 2.1 CINÉTICA DE LIXIVIACIÓN. &a termodin'mica predice las condiciones de e(uilibrio a (ue debe llegar una reacción (uímica en ciertas condiciones dadas, es decir, mide la tendencia de una reacción a ocurrir. )in embargo, la termodin'mica no nos dice nada acerca de la velocidad con (ue el sistema proceder' hacia el e(uilibrio ni tampoco nada respecto, al mecanismo de las reacciones. &a cin*tica por lo tanto nos dar' información mu" valiosa, tanto para la ingeniería de un proceso, como para predecir velocidades en una gran variedad de condiciones. Esto es importante por(ue el metalurgista necesita lograr un rendimiento óptimo en el menor tiempo posible. En general, un estudio cin*tico puede aportar dos tipos de información importantes para+ • •
ise-o de (uipos " proceso. eterminación de mecanismos.
Conocer cu'les son los factores (ue determinan la velocidad de un proceso " como puede ser *ste maneable en la pr'ctica, es mu" importante en todo proceso metal/rgico, pero en hidrometalurgia es un apo"o fundamental por varias causas+ •
• •
&os procesos hidrometal/rgicos operan a temperatura ambiente o algo superior. &as reacciones son de car'cter heterog*neo. En general, los proceso hidrometal/rgicos aplicados son lentos.
El mecanismo de reacción entre un sólido " una solución involucra las siguientes etapas consecutivas+ .
isolución de reactantes gaseosos en la solución acuosa $si los hubiera%.
1.
2ransporte de los reactantes disueltos hacia la interface sólido lí(uido.
3.
2ransporte de los reactantes a trav*s de una capa producto o ganga de mineral hacia la superficie de reacción $difusión+ poros4 sólido%.
.
5eacción (uímica de los reactantes con el mineral $reacciones4 adsorción4 (uímicas4 electro(uímicas%.
!.
2ransporte de los productos solubles a trav*s de la capa producto hacia la superficie sólidolí(uido.
#.
2ransporte de los productos solubles hacia el seno de la solución.
Algunas etapas en ciertos casos no se presentan, como sucede cuando no se forma capa sólida producto o el mineral no est' blo(ueado por la ganga. &a velocidad de todas estas etapas es proporcional al 'rea de interface sólido lí(uido " del 'rea de reacción, (ue en algunos casos puede coincidir. 2ambi*n la etapa m's lenta es la (ue controla la velocidad del proceso, lo (ue puede implicar un control, (uímico o por transporte. &os factores (ue afectan la cin*tica de las reacciones heterog*neas de li6iviación son numerosos, destac'ndose+ • • • • • • •
2emperatura. 7eometría, tama-o, porosidad del sólido. 8ormación producto sólido o no. 2ipo de control. 9aturaleza reacción (uímica. Concentraciones de los reactantes " productos solubles. 5eacciones laterales ocurrentes.
2.2 LIXIVIACIÓN ÓXIDOS DE COBRE &os minerales o6idados son el producto de la degradación de un depósito o zona originalmente sulfurado, la cual se alteró por acción del o6ígeno, aguas fre'ticas, bioo6idación, etc. En general la cin*tica de li6iviación de los ó6idos de cobre es dependiente de la actividad de los iones hidrógeno en el sistema acuoso. El 'rea de la superficie de reacción, geometría, tama-o, formación producto de reacción insoluble, tambi*n afectan la cin*tica. &a disolución de ó6idos de cobre normalmente no re(uiere la presencia de un agente o6idante para (ue se de una reacción de o6idaciónreducción. :na e6cepción, es la disolución de cuprita $ó6ido cuproso% en soluciones 'cidas. En ausencia de o6ígeno o u otro o6idante la reacción es+ ;
;
;
En presencia de o6ígeno, la cuprita reacciona para formar iones c/pricos en solución+
;
;
;
En presencia de un ión f*rrico+
En el caso de la crisocola,
&a capa de sílice es una barrera para la difusión del e6tractante, la otra es la reacción (uímica en el frente móvil. &os sulfatos b'sicos de cobre, los cloruros " carbonatos presentan alta velocidad de disolución comparada con la crisocola " la cuprita, al li6iviarlas con 'cido. Considerando los ó6idos incluidos en la roca matriz formando un fragmento de mena, para la cin*tica es fundamental las siguientes características+ • • • • • • • •
2ama-o fragmentos. >odo ocurrencia de los minerales /tiles.
&a porosidad de los fragmentos es mu" importante para la cin*tica de li6iviación con trozos gruesos, la presencia de grietas, capilares, poros abiertos en la roca afectan la velocidad de penetración de la solución acuosa. )ullivan, determinó, (ue la acción capilar de penetración unto a la solubilidad del gas (ue llena los poros en el li6iviante, son los dos factores m's importantes para el transporte de la solución acuosa a trav*s del volumen del fragmento.
ata(ue sólo se realiza por difusión en el medio lí(uido lo (ue es un proceso lento. &as reacciones de los ó6idos de cobre m's comunes al li6iviarlos con 'cido son+
Azurita+
>ala(uita+
Atacamita+
Crisocola+
?rocantita+
2enorita+
Cuprita+
3. MATERIAL Y EQUIPO. @asos de precipitado de !0 " 1!0 m&. >atraces itasato. agneticas.
?omba de vacío. 6ido c/prico Dcido sulf/rico 2ermómetro de mercurio.
4. PROCEDIMIENTO. . edir con probeta el volumen de la solución " registrarlo.
5. CALCULOS Y BALANCES. A continuación, se registran los balances metal/rgicos " los respectivos c'lculos (ue se realizaron para las pruebas a la temperatura de 0°C mostradas en las tablas , 1, 3 " , las cuales corresponden a nuestro e(uipo del día martes.
5.1 CÁLCULOS EFECTUADOS PARA LOS BALANCES. •
Contenido en gramos de la solución.
ContenidoSol. ( g )=Vol.Sol. ( L ) ∗ Ley Sol. ( g / L )
•
Contenido en gramos del residuo.
Contenido Residuo ( g )=ContenidoCuO ( g )−Contenido Sol. ( g ) •
Ley en porciento del residuo.
Ley ( )=
•
[ Conteni d o Residuo ( g )∗ Ley CuO ( ) ] ContenidoCuO ( g )
Distribución del residuo.
Distribución Residuo ( )=
•
Contenido Residuo ( g ) ContenidoCuO ( g )
∗100
Distribución de la solución.
Distribución Solucion ( )=
Contenido Solucion ( g ) ContenidoCuO ( g )
∗100
5.2 BALANCES METALURICOS. Tabla 1. Prueba 1, Temperatura 40 °C, 5 minutos.
P!"#$%& " R'(#$" S"*$%0 C$O
P'(" " )"*. go& 0.1 0.3#
L'+, - " /L Cu .FG 11.H H.FFG
C"0&'0#", Cu 0.01F 3.13H1 3.H!1
D(&!$%0, Cu 1.13G H.G 00G
Tabla . Prueba , Temperatura 40 °C, 10 minutos.
P!"#$%& " R'(#$" S"*$%0 C$O
P'(" " )"*. go& 0.0F 0.!
L'+, - " /L Cu 0.00G 11.F H.FFG
C"0&'0#", Cu 0 3.H!1 3.H!1
D(&!$%0, Cu 0.00G 00.00G 00G
Tabla !. Prueba !, Temperatura 40 °C, 15 minutos.
P!"#$%& " R'(#$" S"*$%0 C$O
P'(" " )"*. go& 0.0 0.3#
L'+, - " /L C"0&'0#", Cu Cu .G 0.!H0F H.! 1.#0 H.FFG 3.H!1
D(&!$%0, Cu F.HG F.!G 00G
Tabla 4. Prueba 4, Temperatura 40 °C, 0 minutos.
P!"#$%& " R'(#$" S"*$%0 C$O
P'(" " )"*. go& 0.01 0.#
L'+, - " /L Cu .!FG 10.#3 H.FFG
C"0&'0#", D(&!$%0, Cu Cu 0.F311 !.3G 3.0HF H.1G 3.H!1 00G
5.3 CONSTANTE ESPECFICA DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. :na vez realizados los balances metal/rgicos como los mostrados en las tablas anteriores, pero para todas las temperaturas, es posible realizar las tablas !, #, " F con los tiempos estimados " su G de e6tracción de la solución. )abiendo (ue la cin*tica de reacción (uímica para una partícula esf*rica se rige por la forma $I%J3 , es posible obtenerla de la siguiente manera. Tabla 5. Porciento de e"tracción con respecto al tiempo a !0 °C. t (min) % 1-(1extracción α)1/3 (α) -.---0 5.467 -.8504 20 0.87 -.581 30 Tabla #. Porciento de e"tracción con respecto al tiempo a 40 °C. t % 1-(1(min) extracción α)1/3 (α) 0 4.447 -.4061 5 0--.--7 0 10 15 60.507 -.13- 1.47 -.8013 20 Tabla $. Porciento de e"tracción con respecto al tiempo a 50 °C. t (min) % 1-(1extracción α)1/3 (α) 0 1 83.147 -.650 6.3-7 -.55 4 Tabla %. Porciento de e"tracción con respecto al tiempo a #0 °C. t (min) % 1-(1extracción α)1/3 (α) 0 54.67 -.5-1 0.5 44.407 -.338 1 1.5 66.157 -.5032 60.807 -.1303 N"&6 S"*" (' %"0(#'!!"0 *"( 7$0&"( 8$' 9$'!"0 !'(&!#"( '0 * &:%"! #' *"!&"!".
Con a"uda de la hoa de c'lculo, se obtiene la pendiente a cada temperatura. En la tabla H, se muestran las constantes específicas de velocidad de reacción para las respectivas temperaturas $mKL%, haciendo (ue la línea pase por el origen. Tabla &. 'alores de la constante espec()ica de *elocidad de reacción. Tiempo Total T (°C) T (°K) K (min-1) ece!ario (min) 3-3.05 -.--4 16.50 30 303.05 -.-066 53.05 40 33.05 -.005 6.3450 "0 333.05 -.50 1.113
5.4 RAFICAS. !:9%" #' 7!$'( !'*;#( 3<=C.
T#>?#ra@ra 3-C -.4 9$; < -.-$ R= < -.3
-.8 -.5 -.1
0/0/;023 -.3 -. -.0 -
5
0-
05
-
5
3-
>!; +r)ico 1. Prueba de li"i*iación a temperatura de !0°C, con cin-tica de reacción u(mica 1/1/213! 's tiempo min2.
!:9%" #' 7!$'( !'*;#( 4<=C.
35
T#>?#ra@ra 1-C 0. 0 -.6
0/0/;023
9$; < -.-1$ R= < -.84
-.8 -.1 -. -
5
0-
05
-
5
>!;
+r)ico . Prueba de li"i*iación a temperatura de 40°C, con cin-tica de reacción u(mica 1/1/213! 's tiempo min2.
!:9%" #' 7!$'( !'*;#( 5<=C.
T#>?#ra@ra 5-C -.8 9$; < -.01$ R= < -.1
-.5 -.1
0/0/;023
-.3 -. -.0 -
-.5
0
0.5
.5
3
3.5
1
1.5
>!;
+r)ico !. Prueba de li"i*iación a temperatura de 50°C, con cin-tica de reacción u(mica 1/1/213! 's tiempo min2.
!:9%" #' 7!$'( !'*;#( ><=C.
T#>?#ra@ra 8-C -.8 9$; < -.$ R= < -.3
-.5 -.1
0/0/;023
-.3 -. -.0 -
-.5
0
0.5
.5
>!;
+r)ico 4. Prueba de li"i*iación a temperatura de #0°C, con cin-tica de reacción u(mica 1/1/213! 's tiempo min2.
>. VELOCIDAD DE DESPLA?AMIENTO DE LA INTERFASE DE REACCIÓN. Considera (ue el tama-o de partícula del =6ido C/prico $Cu=%, usado durante la realización de la pr'ctica es de M oK1#.H Nm " r oK 3.! Nm.
$elocia (#m/min)
-.3-1 -.544 0.6643.6545
@. ENERA DE ACTIVACIÓN. Tabla 11. Calculo de la energ(a de acti*ación. T (°C) 30 40
T (°K)
K 1/T (K enie (*/K.mol 1 (1/min) &o' K ) nte )
3-3. 05 -.--4 /0.861 -.--3 303. 05 -.-066 /0.48 -.--3
-
+a (*/mol)
/ 35.60 0481.44 8 1.548-80 35
50 "0
33. 05 -.005 /-.3 -.--3 333. 05 -.50 /-.816 -.--3
Lo VS 02T -.--3 -.--3 -.--3 -.--3 -.--3 -.--3 -.--3 -.--3 -.--3 -.--/-.-/-.1-/-.8-9$; < / 363.6$ 0-.8 /-.6-Lo ) R= < -.6 /0.--/0.-/0.1-/0.8-/0.6--
02T )/0;
+r)ico 5. Log *s 13T
. OBSERVACIONES. •
•
E6isten mucho margen de error en el c'lculo de las constantes específicas de velocidad de reacción, las 5 1, la velocidad de desplazamiento de la interfase de reacción " sobre todo la energía de activación, al no tener un control e6acto de los porcientos de e6tracción en los diferentes tiempos, los cuales no fueron graficados, " por lo tanto no se consideraron desde el principio para el c'lculo de la constante, por lo cual el grado de error va en incremento para obtener la energía de activación. urante la prueba fue necesario elevar la temperatura de la parrilla de agitación. )in embargo, pudimos observar (ue tiene muchas deficiencias en cuanto al control de esta, " a consecuencia nos generó mucho conflicto para establecer la temperatura (ue nos correspondía. Cuando subíamos lentamente la temperatura en la parrilla esta no se veía refleada en la solución, " si la subíamos m's alto, se descontrolaba " ascendía a temperaturas ma"ores (ue no nos favorecían, el problema
era (ue no podíamos baar la temperatura f'cilmente una ves (ue se elevaba.
. CONCLUSIONES. 8inalmente, los balances metal/rgicos arroan información relativamente deficiente, "a (ue a ma"or tiempo uno esperaría una ma"or recuperación de Cu en la solución, sin embargo, de acuerdo a la 2abla #, la recuperación pasa de un H.G en ! minutos a un 00G en 0 minutos supuestamente, " para los ! minutos baa a un F.!G, algo (ue nos reflea (ue se realizó mal, en cierta forma, alg/n paso. e acuerdo a la cin*tica de li6iviación con los datos obtenidos, es posible calcular el tiempo en (ue tardarían en consumirse totalmente toda la partícula a las diferentes temperaturas, las cuales son mostradas en la tabla H. En este caso se pude apreciar como el tiempo va disminu"endo, a e6cepción de la temperatura de 0 °C, pero es evidente la tendencia a disminuir el tiempo necesario cuando la temperatura es ma"or " esto a su vez beneficia a la li6iviación de la partícula.
