UNIVERSIDAD ARTURO PRAT DEPARTAMENTO DE INGENIERIA AREA METALURGIA
ELECTROMETALURGIA
“ELECTRO-OBTENCION DE COBRE”
Integrantes: Alexander Del Canto. Julio Herrera. pokemon Flores. Profesor: Juan Aragón M.
IQUIQUE, 29 Junio del 2010
INDICE
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RESUMEN En esta sesión de laboratorio se practica la depositación de cobre metálico (Cu0 ), proveniente del electrolito en forma de Cu+2. Básicamente la factibilidad de proceso es mediante una electrolisis con la presencia de un ánodo de plomo y un cátodo de acero donde circula la corriente a través del electrolito (CuS04) pasando la corriente por el electrolito y gracias a la energía circulante el cu+2 cede sus cargas para quedar como un compuesto metálico En la experiencia se estudian factores que se obtienen como consecuencia de la electrolisis, factores tales como el rendimiento energético, el consumo especifico de energía, la producción horaria, entre otros. Dentro de los resultados más importantes están:……
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INTRODUCCIÓN La electrometalurgia es la rama de la metalurgia que trata la extracción y refinación de metales por el uso de corriente eléctrica, conocida como proceso electrolítico o electrólisis. La aplicación industrial masiva de la electricidad para la recuperación de metales no ferrosos por electroobtención se inició a comienzos del siglo XX. En 1912 se utilizó en la obtención de cobre, en Chuquicamata y desde esa fecha se aplica en procesos de minería extractiva. Para obtener cátodos de excelente calidad, la solución procedente de la etapa de lixiviación es purificada y concentrada en cobre en la planta de extracción por solventes, para luego ser conducido a las celdas de electrodepositación de cobre. Los procesos a los que se somete la solución antes de entrar al proceso de electroobtención, se deben a que esta tiene una composición compleja, con numerosas impurezas, cuyas concentraciones varían de acuerdo a la fuente mineral utilizada y a los procesos hidrometalúrgicos a que es sometida antes de transformarse en el electrolito de electroobtención. El proceso de Electroobtención de cobre constituye la etapa terminal del proceso de beneficio de “minerales oxidados y mixtos de cobre”. El cobre es depositado desde soluciones purificadas por medio de una electrólisis directa. El objetivo del proceso es producir cátodos de cobre de alta pureza. Para lograr este objetivo, la solución proveniente de la etapa de lixiviación es purificada y concentrada en cobre en la planta de extracción por solventes, para posteriormente ser conducida a una serie de celdas de electrodepositación donde se producen los cátodos de cobre con una pureza de 99,99%. Reacciones y electrodos en el proceso de electroobtención de cobre Reacción Catódica La reacción en el cátodo en la separación por electrolisis es la deposición de cobre en la lámina de acero inoxidable, ésta viene dada por: Cu
+2
+ 2e
Cu°
→
E° = 0.34 VENH
Reacción Anódica En electroobtención de cobre, el ánodo es una aleación inerte que no participa en la reacción, pero que actúa solamente como soporte electrónico; de tal modo que la reacción principal es la descomposición de solvente según: H O → ½ O + 2H + 2e +
2
Analizando el cambio global: Cu + H O → Cu + ½ O + 2H +2
0
2
E° = -1.23 VENH
2
+
2
Eº = -0,89 VENH
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ANTECEDENTES TEÓRICOS Eficiencia y densidad de corriente El concepto de eficiencia de corriente corresponde a la relación que se establece entre el metal efectivamente depositado y el que debiera depositarse, de acuerdo con la cantidad de corriente eléctrica aplicada. En la EW, hay muchas reacciones posibles “tanto catódicas como anódicas”, potencialmente competitivas a la reacción principal, de modo que la desviación del 100% de uso teórico de la corriente de ahí una explicación lógica el tener un porcentaje menor. Otra causa de aparente ineficiencia suele ser la pérdida de corriente por cortocircuitos “entre ánodo y cátodo, así como entre celda y celda” o por fugas de corriente a través de las estructuras de la nave electrolítica o de las propias celdas. Muchas plantas en operación tienen fugas de corriente sin percibirlo, y combaten la supuesta ineficiencia de corriente, pensando en una causa electroquímica, cuando en realidad se trata de una falla estructural, o de simple mantención y limpieza. Siempre hay que recordar que el metal sólo puede depositarse con la corriente que efectivamente pasa por el electrolito. Los rangos de densidades de corriente aplicadas en soluciones acuosas que se distinguen: Están entre 200 y 300 A/m2, particularmente en los casos de EW y ER de cobre y níquel. Densidad de corriente. A densidades de corriente muy bajas, los sobre-potenciales son pequeños y por ello, las probabilidades de nucleación escasas. Comúnmente, entonces, los metales se depositan con grano grueso. A medida que se aumenta la densidad de corriente y el sobre-potencial, aumenta la frecuencia de nucleación y los depósitos se hacen más finos. La inhibición de la nucleación se hace especialmente evidente en la depositación de metales sobre electrodos de otros metales. Aquí se manifiesta en la aparición inicial de una así llamada sobrepolarización, que se atribuye a la necesidad de un elevado sobre-potencial para la formación de los primeros núcleos tridimensionales sobre el metal extraño. Una vez que se ha formado el número suficiente de núcleos, se necesita sólo un pequeño sobre-potencial para que siga el crecimiento. Si la densidad de corriente y el sobrepotencial son tan grandes como para que se desprenda hidrógeno simultáneamente con la deposición del metal, el depósito será poroso o esponjoso, debido al desprendimiento de burbujas del gas.
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Parámetros operacionales de control Una operación electrolítica debe acompañarse por el control o conocimiento de cuatro parámetros operacionales que de alguna forma caracterizan al proceso a saber: • • • •
Producción horaria Rendimiento o eficiencia de corriente Consumo específico de energía Rendimiento energético
Los dos primeros parámetros tienen relación con el proceso catódico de electrodepositación de cobre, y los dos últimos tienen relación con el comportamiento del conjunto de la celda. En una electrolisis industrial de cobre, los datos de operación son los siguientes: I E t Mc
: corriente impuesta (A) : tensión de celda (V) : tiempo de operación (h, d) : masa depositada (Kg, Ton)
Producción Horaria Este parámetro relacionado a la producción y cuantifica la capacidad de la planta. Este concepto puede asociarse a un solo tipo de electrodo, para lo cual su unidad será en masa de producto formado por unidad de tiempo y superficie, o relacionada a todo el proceso para lo cual debe mencionarse la masa producida por unidad de tiempo. Por ejemplo: Kg / (H·m2), Ton / día, otros. Eficiencia de Corriente (Rc) Las leyes fundamentales que gobiernan las reacciones electroquímicas fueron formuladas por Michael Faraday en 1831 y han recibido su nombre: La cantidad de cambio químico producido por una corriente eléctrica, esto es, la cantidad disuelta o depositada de una sustancia es proporcional a la cantidad de electricidad pasada. Las cantidades de diferentes sustancias depositadas o disueltas por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus pesos químicos equivalentes.
A partir de estas leyes se presenta la siguiente relación fundamental de Faraday: 6
M= Donde F se conoce como constante de Faraday, cuyo valor numérico se aproxima en 96480 (coulombs/equivalente), I es la corriente en Amperes, t es el tiempo en segundos, PM es el peso molecular del cobre y n es el número de electrones intercambiados, en el caso del cobre es 2. La relación anterior supone una eficiencia en el uso de corriente. Sin embargo, de la práctica se sabe que esto es un caso hipotético e ideal, y que normalmente un cierto porcentaje de electrones se deriva, ya sea a la depositación de otra sustancia, o a la descomposición de agua y por ende en desprendimiento de gas hidrógeno, o bien que una fracción de metal depositado se disuelva químicamente o se pierda de alguna otra manera. En conclusión, el peso de material efectivamente depositado versus el que teóricamente debía haberse precipitado constituye la eficiencia de corriente, que se indica como Rc, expresado en tanto por ciento. Rc= Entonces, la cantidad de metal real depositado resulta: M real =
x Rc
Consumo especifica de energía eléctrica W (KWH / Ton) Es la cantidad de energía eléctrica transferida para obtener un Kg (Ton) de producto. W = ΔE * I * t
(KWH/Kg)
Mteo x 1000
donde: ΔE
I t Mteo
: Tensión a los electrodos (V) : Corriente aplicada (A) : tiempo (H) : masa depositada en teoría(Kg)
Rendimiento energético (Re)
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Este parámetro representa la razón entre la energía teóricamente requerida (Wteo), es decir, que las reacciones que se producen a los electrodos son rápidas y en ausencia total de términos resistivos en las celdas de electrólisis, y la energía realmente consumida (W), en las condiciones particulares de electrólisis.
Entonces:
Re = Wteo W
donde: Wteo W
: Energía teórica : Energía real
La energía teórica se puede calcular a través de la siguiente expresión: Wteo = Eteo * I * t *10 -3
(KWH/Kg)
Mteo Por lo tanto:
Re = Eteo * Rc ΔE
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RESULTADOS Tabla Nº1: Desgaste de los ánodos de plomo por celda Grupo 1 Peso Número Ánodo de (Inicial) Nº Ánodos Celda por celda gr. C1 3 561,74 C2 3 573,06 C3 3 801,51 C4 3 931,3 C5 3 930,6
Peso Ánodo (Final) gr. 560,47 571,87 800,66 930,5 929,4
Desgaste de Ánodos gr. 1,27 1,19 0,85 0,8 1,2
Grupo 2 Peso Número Ánodo de (Inicial) Nº Ánodos Celda por celda gr. C1 3 656,15 C2 3 922,71 C3 3 538,94 C4 3 936,22 C5 3 930,6
Peso Ánodo (Final) gr. 655,1 921,39 536,83 934,22 929,4
Desgaste de Ánodos gr. 1,05 1,32 2,11 2 1,2
Peso Lámina de Número de cobre gr. Celda gr. C1
5,1
C2
0
C3
3,2
C4
2,3
C5
4,9
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Peso Cátodos de Cu Grupo 2 Peso Lamina de Número de cobre gr. Celda gr. C1
5,12
C2
0
C3
4,91
C4
4,7
C5
4,9
Tabla Nº3: Mediciones operacionales por celda Grupo 1 Nº CELDA 1 2 3 4 5
TENSION DE CELDA (v) 2,28 2,93 3,88 2,64 2,18
POTENCIAL ANÓDICO (V/E.C.S) 2,22 2,09 3,44 2,19 1,95
POTENCIAL CATÓDICO V/E.C.S.) 0,5 0,87 0,53 0,43 0,29
T (ºC)
POTENCIAL CATÓDICO V/E.C.S.) 0,51 0,66 0,68 0,3 0,29
T (ºC)
ΔE
25 25 25 25 50
1,69 1,73 1,73 1,82 1,66
25 25 25 25 50
ΔE
1,72 1,22 2,91 1,76 1,66
Grupo 2 Nº CELDA 1 2 3 4 5
TENSION DE CELDA (v) 2,76 3,07 3,12 2,52 2,18
POTENCIAL ANÓDICO (V/E.C.S) 2,2 2,39 2,41 2,12 1,95
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Tabla Nº4: Parámetros de control de rendimiento y producción I= 3A
mteo.= 5,33g
Nº Celda
Deposito de Cobre (g)
1 2 3 4 5
5,1 0 3,2 2,3 4,9
I= 3A
Rc (%) 95,68 0 60,04 43,15 91,93
t= 5400s Ph (Kg/m2x H) 0,0034 0 0,0021 0,0015 0,0033
Acat.= 25cm2 W (real) Re (Kw-H/Kg) (%) 2,01 72,18 0 0 5,47 44,91 5,17 28,74 2,00 69,92
Rc (%) 96,06 0,00 92,12 88,18 91,93
t= 5400s Ph (g/cm2seg) 0,0034 0,0000 0,0033 0,0031 0,0033
Acat.= 25cm2 W (Real) Re (Kw-seg/g) (%) 2,43 58,82 0,00 0,00 2,86 51,08 2,41 63,69 2,00 70,00
mteo.= 5,33g
Nº Celda
Deposito de Cobre (g)
1 2 3 4 5
5,12 0 4,91 4,7 4,9
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Gráficos: En función de los valores de potencial y tensión de celda vs número de celdas
Figura 1.1: Perteneciente al grupo de trabajo 1
Figura 1.2: Perteneciente al grupo de trabajo 1
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Figura Nº1.3: Perteneciente al grupo de trabajo 2
Figura Nº1.4: Perteneciente al grupo de trabajo 2
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DISCUSIÓN La mayor cantidad de cobre depositado la obtuvo la celda Nº 1, después lo sigue la celda Nº 5, la cual era la que se esperaba como la mejor, debido a que la celda Nº5 tenía mejores condiciones (temperatura 50 º C). Esto pudo ser provocado por mal contacto de los electrodos de la celda 5 esto se atribuye a la mala limpieza de los contactos, tanto de la celda como de los electrodos, además, la distancia entre cátodo y ánodo pudo haber sido diferente a la celda Nº 1. Las peores obtenciones de Cu fueron en la celda Nº2 y Nº4 Las pérdidas de eficiencia de corriente se pueden deber a fugas de corriente, al tipo de disolución de cobre, cortocircuitos, reacciones parasitarias por dar algunos ejemplos, según la literatura se dice que las fugas de corriente por lo general no son importantes y no alcanzan al 1% de la corriente entregada. El cortocircuito declarado, además de generar problemas en la homogeneidad de la distribución de corriente por electrodo en las celdas, deja pasar prácticamente todo el flujo de corriente no produciendo ninguna transformación electroquímica degradándose en calor. En el ánodo el menor potencial se observa en la celda Nº3 que posee la menor [H2SO4] En el cátodo el menor potencial se observa en las celdas Nº1 y Nº2, en la celda Nº2 puede ser que al momento de disminuir la [Cu+2] disminuye también la transferencia de electricidad eficiente; y en la Nº1 con respecto a la Nº5 hay menos temperatura y ello disminuye el potencial.
Analizar celda 5
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CONCLUSIONES Al trabajar con concentraciones muy bajas como 10 g/l se obtiene un depósito de pésima calidad y un aumento en la tensión de celda y sobrepotenciales altos., según la experiencia realizada. En el cátodo el potencial es menor que en el ánodo. En condiciones estándar (25ºC) se obtiene el mejor rendimiento energético, pero en teoría seria a mayor temperatura (50ºC).
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Apunte de electrometalurgia Capítulo V: Electro-obtención de cobre, Autor Juan Alejandro Aragón M; Universidad Arturo Prat. Electrometalurgia, apunte para alumnos de Ingeniería Metalúrgica, Autor: Alejandro Morales, Facultad de Ingeniería y Ciencias geológicas, Universidad Católica del Norte; sub-capítulo 5.2: Depositación catódica de Metales y 5.3 Electroobtención de Cobre.
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ANEXO 1 Desgaste de ánodos Desgaste de Ánodos = Peso inicial – Peso Final Rendimiento energético Rc=
Calculo de Intensidad
Producción horaria Ph=
(Kg/m2 x H)
Consumo especifico W=
(kw-seg/g)
Rendimiento energético Re=
Re=
x 100
x Rc
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ANEXO 2
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