Electro obtención de cobre

Introducción

El proceso de electro-obtención de cobre constituye la etapa fnal del Proceso Hidrometalúrgico de benefcio de minerales oxidados y mixtos de cobre.

Objetivos Generales



Desc Descri ripc pció ión n gene genera rall de la Recup ecuper erac ació ión n de cobr cobre conte onteni nido do en una una sol solució ución n acuo acuos sa y obte obtene nerr cobr obre metálico en la orma de cátodos.



omponentes !ue ayudan a la recuperación de cobre" para ormar un cátodo de alta pure#a.



$ariables operacionales del proceso.

Descripción del proceso

%a electro-obtención de cobre" es un proceso de recuperación de este metal desde soluciones ácidas de sulato cúprico" se caracteri#a por la aplicación de un campo el&ctrico entre un ánodo !u'micamente inerte y un cátodo" ambos inmersos en el electrolito ácido de iones cúpricos. (e lle)a a cabo en celdas electrol'ticas las cuales se agrupan en secciones y circuitos.

Equipos y Circuitos Celdas de EW. %as celdas son las unidades básicas para la E* y debido a las caracter'sticas del proceso y sus limitaciones" se re!uiere disponer un alto número de ellas de acuerdo a la producción deseada +alrededor de ," celdas por una tonelada de cátodos por d'a. on)encionalmente" las celdas se /an construido de /ormigón armado moldeado y re)estidos interiormente con materiales plásticos. En los últimos a0os el empleo de las celdas polim&ricas se generali#a como e!uipo estándar en las nue)as instalaciones. Estas celdas son monol'ticas y para una capacidad de 12 cátodos miden 1"3 x ,",3 x ,"4 metros.

5na celda electrol'tica para  electro cuenta con cuatro omponentes básicos6

obtener  cobre

Ánodos 5sualmente abricados de plomo aleado + Pb - (b" Pb - a (n  y en cuya superfcie se reali#a la reacción anódica u oxidación. 

Cátodos

Puede ser una lámina inicial de cobre o una placa madre de acero" en sus superfcies se reali#a la reacción catódica o reducción. %os cátodos reciben el cobre depositado aumentando de peso /asta su cosec/a.

Electrolito 7ctúa de medio conductor transporte de iones.

iónico de la corriente

de

Electrodo (on los conductores electrónicos" sobre los cuales se reali#an las reacciones electro!u'micas ambos tienen dierentes polaridades.

a. Electrodo Neativo (e denomina cátodo" y es el electrodo en el cual se obtienen los depósitos metálicos o depósitos catódicos" según una reducción catódica.

b. Electrodo positivo (e denomina ánodo" y es el electrodo sobre el cual se produce la disolución del metal +electro refnación o el desprendimiento de gas

+8" 8 l +electro obtención" según una reacción de oxidación anódica.

Conductores !etálicos onectan el ánodo con el cátodo externamente para la transerencia de electrones a la uente generadora de energ'a. %a corriente continua necesaria en el proceso se obtiene del rectifcador de corriente alterna. %a corriente rectifcada se conduce a las celdas con las barras conductoras y posteriormente a)an#a de celda en celda !ue está el&ctricamente conectado en serie en el circuito.

Contacto Ánodo" Cátodo

Electrodos Ánodos

%os ánodos de E8 deben presentar cualidades de estabilidad !u'mica y no incenti)ar la contaminación del cátodo con plomo. %a experiencia reunida en su comportamiento" está imponiendo el uso de ánodos laminados de plomo aleado con calcio +a y esta0o +(n. El espesor de un ánodo es de 1 mm. aprox. y sus dimensiones un poco menores !ue la de un cátodo. %a placa del cátodo se abrica de acero inoxidable 9,1 % +,: ; romo< ,9 ; ='!uel con un espesor de alrededor 9"3 mil'metros.

Electrodos Cátodos

%as dimensiones son de ,"2 x ," metros" siendo el área sumergida para depósito de alrededor de un metro cuadrado por cada lado. En cada cara se obtienen depósitos de alrededor de 92 - 43 >ilogramos por planc/a de cobre. 5na de las inno)aciones de mayor impacto introducidos recientemente en la E8" /a sido el uso de la placa catódica de acero inoxidable en lugar de las tradicionales láminas iniciales de cobre como base para el depósito.

El uso del cátodo de acero /a signifcado optimi#ar el proceso en sus respuestas" debido a !ue se dise0ó como un cátodo permanente +reusable r'gido y recto" sobre el cual se puede depositar cobre y posteriormente despegarlo.

Conductores !etálicos

onectan el ánodo con el cátodo externamente para la transerencia de electrones a la uente generadora de energ'a. El proceso consiste en reducir electro!u'micamente iones cúpricos presentes en el electrolito" por medio de una corriente impuesta !ue circula de ánodo a cátodo a tra)&s del electrolito. como resultado" el cobre se deposita sobre el cátodo y el agua se descompone sobre el ánodo con e)olución de burbu?as y 8xigeno. El proceso re!uiere energ'a para eectuar las reacciones" para )encer resistencias y compensar p&rdidas.

Esque#a General del Interca#bio Iónico

$eacciones de Electro Obtención $eacción %nódica El agua es oxidada o descompuesta en oxigeno y protones de /idrogeno liberando los electrones" lo !ue se presenta por la ecuación.

&'O

( O' ) '& ) e *

$eacción Catódica %oa iones de cobre con carga positi)a son atra'dos por el cátodo !ue esta cargado negati)amente y los electrones generados en el ánodo reaccionan en la superfcie del cátodo produciendo cobre metálico !ue enc/apan al cátodo.

Cu ) &'O

Cu ) ( O' ) '&

%a reacción neta de celda es la suma de las anteriores.

Cu ) &' O

Cu ) ( O' ) '&

(egún las reacciones anteriores los productos de electro obtención son6 cobre metálico en el cátodo" oxigeno gaseoso en el ánodo y regeneración de acido sulúrico el cual es reciclado de reextraccion de (@. El eecto neto del proceso electrol'tico sobre el electrolito consiste en disminuir la concentración de cobre y aumentar la concentración de acido.

Ecuaciones Electroqu+#icas y ,oltaje de Celda

•

Potencial de e!uilibrio del 8x'geno< en el ánodo se genera ox'geno6

H8

•



,A8 B HB B e

"

EC  ,"9 $

Potencial de e!uilibrio del obre< en el cátodo se reduce el obre6

uB B e



u2

"

EC  -2"94 $

•

Potencial de e!uilibrio de elda 6 Ee!  E8 B Eu

Ee!  ,"9  2"94  2"FG $" !ue corresponde a la reacción global6

uB B H8



u B ,A8 B HB

+Reacción lobal

El proceso consiste en reducir electro!u'micamente los iones cúpricos presentes en el electrolito" por medio de una corriente impuesta !ue circula de ánodo a cátodo a tra)&s del electrolito. omo resultado" el cobre se deposita sobre el cátodo y el agua se descompone sobre el ánodo con e)olución de burbu?as de ox'geno. El proceso re!uiere energ'a para eectuar las reacciones" para )encer resistencias y compensar p&rdidas.

E-ECO/ DE ,%$I%01E/

%as )ariables más importantes en el proceso de E* y !ue es necesario controlar para obtener buenas respuestas son6

Co#posición Electrolito El electrolito es el medio por el cual ingresa el cobre a la celda y su transporte como ion cúprico /acia el cátodo" sus caracter'sticas aectan al proceso. Para expresar el grado de empleo de la energ'a el&ctrica aplicada en el proceso de electro-obtención" se defne el concepto de efciencia de corriente6 Para lograr altas efciencias de corriente (uperiores a G4 ; durante la operación normal de una planta" se deben reducir en orma sistemática las uentes de origen de inefciencias de corriente" tales como la presencia de impure#as en el electrolito. %a calidad del electrolito incide en el uso efciente de la energ'a empleada en la producción de cobre.

El cloro" en concentraciones superiores a 32 mgA% puede iniciar la corrosión tipo picadura +IpittingJ del acero de los cátodos" bombas" placas de intercambiador de calor" etc. En presencia de un electrolito con múltiples impure#as y estados de oxidación" el cloro e)entualmente se reduce y orma gas cloro" el cual escapa /acia la atmósera. %os pitting o corrosión tipo picadura en las placas de acero ancla el depósito de cobre" difcultando enormemente su desprendimiento durante el despegue en la ma!uina automática de despegue. El or#amiento del cátodo de acero para lograr despegar el cobre ad/erido incide en una p&rdida de la )erticalidad.

%a p&rdida de )erticalidad aumenta los cortocircuitos en la celda electrol'tica durante el periodo de siembra del cobre" dado !ue el cátodo doblado toca al ánodo de plomo adyacente. %a presencia de cortocircuitos a)orece la perdida de corriente" lo !ue se reKe?a en una ba?a efciencia de corriente y sobreconsumo de energ'a. Lambi&n" aumenta la contaminación con plomo del cobre !ue toca al ánodo por la presencia de los cátodos de acero doblados. Por lo anterior" el cátodo de cobre pierde )alor comercial. Por otro lado" el cátodo doblado" en lo posible" debe ser recuperado" lo !ue re!uiere de personal e insumos adicionales para estas tareas. (in embargo" muc/os de los cátodos de acero no logran ser recuperados" con la consiguiente p&rdida económica.

Concentración de Cobre y Ácido.

5na alta concentración de cobre en el electrolito" aun!ue inerior al l'mite de solubilidad del sulato de cobre" es necesario para obtener cátodos de alta pure#a" opera a mayor densidad de corriente para lograr mayor producción" es por esta ra#ón" !ue tanto el electrolito alimentado como el saliente o pobre tenga altas contracciones en cobre y su dierencia no sea superior a ,2 gA% y comúnmente al alrededor de 3 gA%. %os electrolitos cargados !ue presentan una concentración de 43 - 33 gA% a los descargados !ue retornan (@ entre 93 - 43 gA%. %a concentración de ácido aecta principalmente al consumo de energ'a" ya !ue a)orece la conductibilidad del electrolito pero una acide# muy alta aecta la corrosión del ánodo y calidad del cátodo. =ormalmente concentración de ácido )ar'a de ,42 - ,:2 gA%.

Concentración de I#pure2as Dentro de las impure#as solubles en el electrolito !ue /an llegado a E* por arrastre de acuoso en el orgánico" disolución del ánodo o de las placas madre de acero" interesan 7s" (b" Mi" Ne. %as primeras por su contaminación !ue puede pro)ocar en el cátodo" el /ierro además pro)ocan disminución en la efciencia de corriente y el ión cloruro causa contaminación al depósito como tambi&n corrosión en las placas madre de acero.

%as impure#as insolubles como sólidos suspendidos y arrastres de orgánicos deben mantenerse en ba?as concentraciones ya !ue contaminan al cátodo.

e#peratura En general" la temperatura a)orece el proceso de E* en los aspectos d calidad catódicas" menor )olta?e de celda" cin&tica de transporte. (in embargo" la temperatura de operación está limitada al rango de 42 a 33 C" debido al costo de caleacción del electrolito" p&rdidas de agua por e)aporación" mayor eecto de la neblina ácida e incidencia de mayor corrosión en la planta. En algunos casos" /asta el calentamiento del Electrolito de la na)e produce resisti)idad al paso de la corriente y aumento en los cortocircuitos.

-lujos a Celdas de EW En las celdas de electrolitos se alimenta en orma continua para apro)ec/ar cobre y retirar de las de las celdas el electrolito empobrecido. El Ku?o de electrolito circulando por la celda debe tener un )alor adecuado para lograr una concentración /omog&nea de ión cúprico sobre la superfcie catódica y una /omogeneidad en el electrolito a lo largo y alto de la celda" actores !ue inKuyen en la calidad catódica" mayor )elocidad de depositación del cobre en el cátodo.

=ormalmente se opera con Ku?o de ,22-922 %Amin." siendo mayor donde las celdas depositan más cobre y tiene mayor número de cátodos.

Densidad de Corriente omo se /a descrito y anali#ado en los aspectos básicos del E*" la densidad de corriente es una )ariable de suma signifcancia en las respuestas más importantes del proceso como son la producción de la planta" el consumo de energ'a y la calidad catódica. En el aspectos de producción en E* es )enta?oso opera las celdas con la mayor densidad de corrientes posible y de esa manera incrementar la producti)idad de la capacidad instalada. Pero" por otra parte desde el punto )ista de la calidad catódica y del consumo de energ'a es ad)ersos eecto. %a calidad de los cátodos decrece para altas densidades de orriente debido a un aumento de rugosidad y porosidad del depósito" lo !ue a)orece la oclusión de electrolito y suspensiones sólidas y la codepositación de impure#as.

5na mayor densidad de corriente disminuye la efciencia de corriente por mayor probabilidad de cortocircuitos por crecimiento dendr'ticos y reacciones parasitarias. El consumo de energ'a se incrementa" ya !ue" el potencial de celda crece al aumentar la densidad. En las plantas de E* la densidad de corriente empleada )ar'a entre ,F2 - 92 +7Am. 

%a ley de Naraday indica !ue I5n Naray de electricidad +G1322 ampAseg o coulomb depositará el peso atomico di)idido por su )alencia" con el peso expresado en gramos. Esto se conoce como el Ie!ui)alente electro!u'micoJ.

Dosi3cación de %ditivos En el proceso de E* del cobre" se utili#an aditi)os con el propósito de me?orar algunas respuestas como es por e?emplo la calidad catódica y otros para in/ibir la degradación del ánodo de plomo y otros eectos ad)ersos en el proceso. %os aditi)os de me?oramiento de la calidad 'sica del depósito +ni)eladores sua)i#antes permiten obtener depósitos lisos" ad/erentes y compactos. 5n exceso de aditi)o regulador genera eectos ad)ersos en la calidad y consumo de energ'a. Para el aditi)o in/ibidor de la corrosión del ánodo" se emplea sulato de cobalto !ue además disminuye el sobre potencial anódico o por lo tanto el consumo de energ'a" se emplean concentraciones de 12  ,2 ppm.

Neblina Ácida Durante el proceso de electro obtención" la e)olución del ox'geno libre en los ánodos pro)oca dos problemas6 En primer t&rmino" las burbu?as de gas producidas son muy pe!ue0as y" al ele)arse a la superfcie y re)entar" la energ'a liberada expulsa gotas extremadamente fnas de electrolito a la atmósera" lo !ue produce una niebla altamente corrosi)a de electrolito conteniendo ácido sobre las celdas.

Esta niebla ácida es irritante para los operadores y personal de mantenimiento" es corrosi)a para los componentes y e!uipos de la instalación de electro obtención.

Para minimi#ar el problema de la neblina ácida" la solución de electrolito en las celdas es cubierta con dos capas de bolas supresoras de neblina ácida +bolitas de polipropileno de 2 mm de diámetro. %as bolas Kotan sobre el electrolito omentando la coalescencia de las diminutas gotas de electrolito.

ada celda es cubierta por una campana colectora y planc/as plásticas" de tal manera !ue se cubra la mayor parte de las celdas" a excepción de las barras de contacto. Esto se /ace con el fn de poder obser)ar los cortocircuitos o c/ispa#os posibles< en esta campana se inyecta agua en orma de spray !ue permite la condensación de la neblina.

%a neblina ácida es extra'da de la na)e de E* a tra)&s de los )entiladores aspiradores" luego en el depurador +(crubber" se agrega agua por medio de un aspersor" con lo cual se produce la condensación de la neblina.

Equipos de 4rotección 4ersonal %os e!uipos de Protección Personal deben ser los apropiados para el área y por el tipo de traba?o !ue en dic/o sector se realice" lo cuales !uedan determinados en los procedimientos de traba?o seguro.