I.
TÍTULO: “CEMENTACIÓN HIERRO”
DE
COBRE
EN SOLUCIÓN ACUOSA UTILIZANDO LAMINAS DE
II. OBJETIVOS: 2.1. Determinar la constante de la velocidad específica para la cementación de cobre en una solución acuosa usando láminas de hierro. III. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. 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.
La cementación siguiente reacción:
del
cobre
de
una
solución
es
descrita
por
la
Feo + CU2+ = Cuo + Fe2+ No solo el Hierro puede ser usado para este fin, es posible también utilizar otros metales, como el aluminio o zinc, pero éstos a diferencia del Hierro tienen un costo mayor. Por consiguiente, el hierro (como desperdicio de acero) es el medio de cementación mas rentable. En la industria del Cobre, la solución de lixiviación original se hace fluir a través de una pila de desperdicio de acero y el precipitado de Cobre se desprende en forma de hojuelas o polvo bajo la influencia del movimiento de la solución, y este es inevitablemente contaminado de 85 – 90% de Cu, 0.2 – 2% de Fe y otras impurezas. Una Ventaja de este proceso – Quizás la mayor – es la simplicidad del mismo. Virtualmente todo el cobre puede ser removido de la solución; pero como desventaja tenemos que el luego del proceso el Cobre debe ser purificado; el siguiente paso es llevar el Cobre cementado a un proceso de fusión en convertidores. 3.2. PROCESOS QUIMICOS DE LA CEMENTACION Cuando un pedazo de hierro metálico es inmerso en una solución acuosa rica en iones de cobre, el hierro tiende a entrar a la solución mientras que el cobre metálico tiende a precipitar. La fuerza impulsora del proceso es el potencial electroquímico . Este potencial es la diferencia entre el potencial de media celda del cobre y del hierro.
Ecelda = E(Cu2+ +2e -->CuO)
-
E(Fe2+ +2e-->Fe0)
3.3. CINETICA DE LA CEMENTACION En la reacción de la cementación se transfieren electrones entre el Hierro - que se disuelve - y el Cobre - que precipita -. Esto hace que el Cobre se deposite en la superficie del Hierro en vez de permanecer en la solución. Por consiguiente es necesario que las condiciones en el flujo
de fluido y en la superficie del Hierro sean las adecuadas para que el precipitado sea fácil de separar de la superficie de éste. No hay una norma absoluta para la obtención de un deposito granular denso, pero parece que las altas velocidades del flujo de la solución a través del acero y los bordes pronunciados (aristas vivas) dan el mejor tipo de precitación para su colección y transporte. La cinética de la cementación del Cobre ha sido muy estudiada. Hay un consenso en el tema de la etapa determinante de la rapidez es la difusión de los iones Cobre hacia la superficie del Hierro, en cuyo caso la rapidez de cambio de la concentración de Cobre en la solución de lixiviación es: d C A dt
Donde:
KA V
xC A
[C A ] = Concentración de Cu (mol/L) en solución en el instante t. K = Constante de rapidez especifica para el proceso, la cual depende de las condiciones de flujo de fluido y de la temperatura. A = Área de hierro expuesta (cm 2) t = Tiempo de reacción, seg. V =Volumen de la solución, cm 3 =Volumen
Por integración tenemos:
ln
C A C AO
KA V
x t
Así, la rapidez de precitación del cobre es proporcional a la concentración de cobre en solución, el área de Hierro expuesta y la constante de rapidez especifica. La constante de rapidez especifica y por lo tanto, la rapidez de cementación pueden aumentar al hacerlo la temperatura y el grado de agitación. Además, al disminuir la presencia de iones Fe3+ y del oxigeno atmosférico baja el efecto de las reacciones secundarias y trae como consecuencia una rapidez de cementación alta y utilización efectiva del hierro. 3.4. PUREZA DEL PRECIPITADO El cobre obtenido de la cementación sobre hierro aún presenta impurezas, esto hace necesaria su posterior refinación, por lo general en Refinación normal. un proceso de Fundición – Refinación
El cobre cementado depende en buen grado de la limpieza de la chatarra de hierro, ya que si ésta está sucia y oxidada terminara contaminando al cobre cementado. Es la pureza del cobre la que determina el momento en donde ha de agregarse la chatarra durante el proceso; si el material esta muy contaminado se regresa al horno de reverbero de la fundición o al convertidor, y si el precitado es de alta pureza se funde en el horno de ánodos con la finalidad de producir ánodos electrolíticos. La mejor chatarra de hierro es agregada durante las operaciones finales de la planta de cementación, esto para separar el cobre que aún esté presente en la solución y disminuir su concentración lo mas posible, quedando en solución unos 60mg por litro. Esta solución es enviada al
circuito de lixiviación para volverse a usar como solución lixiviante con alto contenido de ácido. 3.5. EQUIPOSPARA LA CEMENTACION: Este proceso emplea varios tipos de equipos, algunos ya antiguos y otros de desarrollo reciente; todos operan bajo el mismo principio, y solo difieren en su forma; los de uso mas común tenemos: Conos, Canalones planos, Canalones en V, Tanques y Celdas, a. Precipitadores de Tanque y Cono: Desarrollados por la Kennecott Copper, son unos de los precipitadores mas recientes y eficientes; dan de 90 a 95% de cobre en el producto, utilizan menos chatarra por libra de cobre precipitado y recuperan el 99% del cobre contenido en las soluciones, el cual es de orden de 0.4 a 4.0 gpl, en un sistema de alta capacidad provisto de controles automáticos y manejo de materiales mecanizados. b. Cel Celdas das Utilizadas en series, por lo general de 6 a 10 situadas en desnivel con la finalidad de lograr un flujo de solución por gravedad y que este pase de una celda a otra.
Fabricadas de madera o concreto, protegidas contra ácido, sus dimensiones son de 2,44m de ancho; 1,52 de profundidad y 3,66 de largo, con una rejilla de tela que detiene la chatarra de hierro para que no se vaya al fondo y permita a la vez una buena circulación de la solución; el Cobre precipitado se recupera desconectando una celda del circuito y separando por lavado el cobre adherido a la chatarra de hierro con mangueras de alta presión, este pasa luego por una criba hacia un tanque de sedimentación o filtro de vacío. Las primeras dos celdas del circuito reciben siempre la solución mas rica y precipitando en ellas hasta un 60% del total de cobre. En el siguiente par de celdas se separa hasta un 20% del total y en las últimas el resto. Las celdas más activadas deben lavarse con mayor frecuencia y también agregarles chatarra de hierro a intervalos más cortos. c. Canalones Constituyen uno de los medios más antiguos empleados en la precipitación, consistente en canales de hechos de forma artesanal, con fondo plano, de concreto o madera y con una protección contra ácido; aproximadamente son de 0,8m altura x 0,8m de ancho y hasta de 4800 m de longitud.
En los modernos precipitadotes de canalones en “V” se utiliza hierro esponja para precipitar la porción principal del cobre que lleva la solución, y posteriormente se usa chatarra de hierro para cementar el cobre restante. Con este diseño en “V”, se reducen al mínimo los problemas de formación de torta y taponamiento que se presentaban anteriormente.
3.6. PROCESO DE CEMENTACIÓN 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 siempre y cuando las soluciones sean diluidas y el ión del metal no se encuentre formando complejos. 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. Para el caso de la cementación de cobre mediante Hierro, 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 Hierro, como los Carburos, también contaminará el producto.
Cementación de cobre con chatarra de Hierro 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.
a.
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. b.
Precipitación Precipitació n con equipo equipos s rotatorios rotatorios discon discontinuos tinuos Estos equipos fueron desarrollados en Alemania en la década del 60, y se les conoce como "Fall-Trommels".
Cada reactor de estos equipos está formado por una botella de acero cilíndrica, cerrada y con un extremo semi-esférico. Su capacidad alcanza a los 33 metros cúbicos 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. c.
Precipitación con equipos rotatorios continuos A partir de los diseños originales de lo alemanes, en los años 60 se desarrolló 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 eucalipto, 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.
IV.- EQUIPOS Y MATERIALES Equipo de electrólisis 1 Vaso de precipitado Láminas de chatarra de hierro 1L de sulfato de cobre con una concentración de 6.298 g/lt. Cu 2+ 20 gr. ácido Sulfúrico 25 gr. de Sulfato de cobre pentahidratado(CuSo 4.5H2O) Ph metro digital Pipeta Termómetro Vaso de precipitación Agitador magnético Placa de hierro -
V.- PROCE PRO CEDIM DIMIE IENTO NTO Preparar una solución con 6.298 g/lt de Cu 2+ , a partir de 25g de sulfato de cobre pentahidratado grado reactivo, y 20 g/L de ácido sulfúrico en un vaso de precipitado de 1 litro. -
Aplicar la magnética.
agitación
al
sistema
por
medio
de
-
Finalmente colocar las láminas de hierro cuprosa y tomar muestras cada 15 minutos.
-
Retirar las laminas de hierro, lavar el cobre precipitado, secar y pesar ambos, el cobre cementado y las laminas de hierro.
-
Filtrar la solución para recuperar cualquier precipitado, secar y pesar este cobre adicionándolo al cobre previamente lavado de las laminas de hierro.
en
una la
barra
solución
VI. VI. - CAL C ALCU CULOS LOS Y RESU R ESULTA LTADO DOS S
lamina de Fe WF lamina de Fe Acido Sulfúrico W0
(ρ = 1,8364)
: 52,853g : 46,287g : 11ml
VII.- RESULT RESULTADOS: ADOS: 1. Calcular el porcentaje de Cu cementado por el Fe en una hora. Datos PM CuSO4.5H2O WCu2+ cementado WCuSO4.5H2O al 99%
: 249,683g : 7,236g : 79,068g para 1L de solución.
Calculo el peso de Cu en la solución
Se uso 0.5/1L de solución, por lo tanto, la cantidad de WCuSO 4.5H2O fue de 39.534g
PM CuSO 5 H O 4 2
Wcu 39.534 g CuSO4 .5 H 2 O
PM Cu
1mol Cu 2SO 4 .5H 2 O 63.546 g Cu * 249 . 683 CuSO 5 1 mol CuSO 5 g H O H O 4 2 4 2
Wcu 39.534 g CuSO 4 5 H 2 O
Wcu 10.062 * 0.99 9.961g Cu 2
%Cu Cementado %Cu Cementado
WCuRe cuperado WCuSolucion inicial 7.236 9.961
*100
*100 72.643%
2. Calcular el consumo de Fe por g de Cu precipitado. Comparar con el consumo teórico. Consumo real:
WF - W0 = 46.287 Consumo Re al
Fe Cu
– 52.853
6.566 gFe 7.236 236 gCu
= 6.566g.
0.907 gFe / gCu
Consumo teórico:
Feo + Cu2+ = Cuo + Fe2+
1* PM Fe 1* 55.84 Fe 236 gCu 2 7.236 6.359 g . Fe 1 * PM C u 1 * 63.54 C u
W Fe 7.236 236 gCu 2 Consumo Teorico
Fe Cu
6.359 gFe 7.236 gCu
0,879 gFe / gCu
El consumo real es mayor al consumo teórico por las reacciones del hierro dentro del proceso de Cementación, esta es la razón por la que se usa una cantidad mayor de Hierro en Cementación 3. Calcular la constante de velocidad específica K, en cm/seg. Datos Area total Volumen
: 64cm 2 : 0.5L
Muestr Mue stra a T (min) V
Cu
+
V
gpl gp l
(glp)
1 2 3 4 5
00 15 30 45 60
500 490 480 470 460
18.963 12.981 7.777 5.803 3.051
500 490 480 470 460
CA KA(CA) CA KAt ln dt
V
CA0
V
18.963 13.246 8.101 6.173 3.316
Luego tenemos que la concentración de Cu2+ en cada uno de los casos será: t 0 t 15 t 30 t 45
t 60
18.963g/L * 13.246 g/L *
63,54 g Cu 2 1mol Cu 2 63,54 g Cu 2 1mol Cu 2
8.101g/L * 6.173 g/L *
1mol Cu 2
63,54 g Cu 2 1mol Cu 2 63,54 g Cu 2
3.316 g/L *
1mol Cu 2 63,54 g Cu 2
0,298mol / L 0,208mol / L 0,127mol / L 0,097mol / L 0,052mol / L
Muest Mu estra ra
T (min)
V
(glp)
Mol/L Mol /L
18.963 13.246 8.101 6.173 3.316
0,298 0,208 0,127 0,097 0.052
(ml)
1 2 3 4 5
00 15 30 45 60
500 490 480 470 460
T (seg) 00 900 1800 2700 3600
Mol/L 0,298 0,208 0,127 0,097 0,052
C A /C A0 -ln(C A /C A0 ) 1 0,00 1,433 -0,360 1,638 -0,493 1,309 -0,269 1,865 -0,623
Grafica Ln(CA/CA0) vs Tiempo
-ln(CA/CA0) -0.6 -0.4 -0.2 0 00
900
1800
2700
Tiempo (s) VIII.- CONCLU CONCLUSIONES SIONES Y RECOMENDAC RECOMENDACIONES: IONES: CONCLUSIÓN: - Se pudo conocer de manera practica y teórica el proceso de cementación RECOMENDACIONES: Para mayor exactitud en el valor de la m, pendiente , linealizar la curva mediante mínimos cuadrados.
se recomienda
IX.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS:
-
Enciclopedia Microsoft Encarta 2006, “Cementacion”
-
Codelco, Corporación del Cobre, “Cementación de cobre”
http://www.codelcoeduca.cl/tecnico_profesional/metalurgia_extractiv a/modulos/procesos/cementacion.html - Información suelta adicional.
