CEMENTACION DE COBRE DE UNA SOLUCION ACUOSA UTILIZANDO LAMINAS DE HIERRO
MARCO TEORICO
1.1 Cementación a) Definición : 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 proceso el metal precipitado precipitado usualmente usualmente se deposita o "cementa" sobre el metal añadido. b) Proceso de sedimentación : 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 de este modo siempre y cuando las soluciones sean diluidas y el ión del metal no se encuentre formando complejo. 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. Por ejemplo, en el caso de la cementación de cobre mediante fierro, 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 fierro, como los carburos, también contaminará el producto. En la cementación de platino y paladio con zinc, es mayor la amenaza de coprecipitaciones y de posterior contaminación del precipitado. En estos casos, la selectividad del proceso es más baja y la contaminación puede resultar inaceptable. La cementación en fase líquida presenta las siguientes ventajas: -
La reacción se produce con gran rapidez. El precipitado puede separarse con facilidad sin contaminación. Se puede reciclar la solución gastada final y proceder a devolverla a su estado reducido anterior con algún otro proceso sencillo. Presenta una gran economía de espacio y de costos de operación.
Como precaución, debe mantenerse siempre alejado el ingreso de oxígeno al reactor de cementación, para evitar reacciones competitivas que reduzcan la efectividad del agente precipitante.
1.2.Cementación 1.2.Cementación de cobre con chatarra de fierro 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 (electroobtención). (electroobtención). 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. 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. Precipitación con equipos rotatorios discontinuos Estos equipos fueron desarrollados en Alemania en la l a década del 60, y se les conoce como "fall-trommels". En Chile, fueron utilizados en la Mina La Cascada entre los años 1972 y 2000, y en Mantos Blancos desde 1991 a 1996. 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. Precipitación con equipos rotatorios continuos A partir de los diseños originales de lo alemanes, en los años 60 se desarrolló en Chile 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 eucaliptus, 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.
El fierro está por encima del cobre en la serie electromotriz y por lo tanto el fierro (metal más activo que el cobre) desplaza, reduce o precipita al cobre de soluciones acuosas de acuerdo con la siguiente reacción:
+ () ↓+ + ↓
Fe°: chatarra de hierro o retallas de fierro Cu2+: cobre en solución como sulfato Cu0: Precipitado de cobre metálico Fe2+: Fierro en solución como sulfato ferroso
Además del fierro, podrían utilizarse otros metales para la cementación, por ejemplo, el aluminio o el zinc pero a un costo considerablemente más alto. Por consiguiente, el fierro (como desperdicio de acero) es el único medio de cementación práctico. Como se hace en la industria del cobre, la solución de lixiviación original se hace fluir a través de una pila de desperdicio de acero y el cobre precipita sobre las superficies de hierro. El precipitado de cobre se desprende en escamas o en forma de polvo [Tilyard, 1973], bajo la influencia del flujo de la solución, pero invariablemente está contaminado con el fierro sobre el cual precipita (análisis típico: 85 a 90% de Cu, 0.2 a 2% de Fe, 0.5% de S iO2, oxígeno remanente).
La ventaja principal de la cementación es su sencillez. Virtualmente se puede remover todo el cobre de la solución en una serie corta de tanques o de canales de contacto. Contra esta sencillez se debe considerar el hecho de que el producto de cobre se purificará posteriormente. El método más común de tratamiento del cobre cementado es por fundición en hornos de fundición o convertidores a partir de los cuales sigue la ruta estándar de electro refinación de ánodos. Otro método poco usado, es disolver el cobre cementado en una solución acuosa básica y luego reducirla con hidrógeno. La impureza de hierro precipita de la solución básica como hidróxido férrico, mientras que el cobre es reducido por la reacción: H2° + Cu2+ →Cu0 + 2 H+
(2.10)
El producto de esta reacción es cobre en polvo (<150 µm) y de 99.9% de pureza Procesos químicos de la cementación
Cuando una pieza de fierro metálico es sumergida en una solución acuosa con iones cobre, el hierro tiende a entrar en solución mientras que el cobre metálico tiende a precipitar. La
fuerza motriz para el proceso es el potencial electroquímico de la reacción. Este potencial es la diferencia entre los potenciales de media celda del cobre y del fierro, es decir −
→
→
= 14.1(2.11)
Estos potenciales están relacionados con los potenciales electroquímicos estándar y las actividades de los iones en solución mediante la ecuación de Nernst:
− −
=
=
(2 .12 ) (2 .13 )
(T = temperatura, 0K; F = Constante de Faraday, 96 500 culombios por peso equivalente gramo, R = constante de los gases, 83.14Joules/gmol°K) de los cuales potenciales estándar de reducción [Gibbs-Stockholm,1923] para el cobre y el hierro son + 0.34 y 0.41 volts, respectivamente de manera que en términos numéricos, la ecuación es:
− −
=
(2 .14 )
=
(2 .15 )
−
=
(2.16 )
La reacción procederá hasta que el potencial se aproxime a cero volt, condición en la que los metales y iones han alcanzado el equilibrio. La relación de equilibrio iónico puede calcularse con la condición de 0 volt aplicada a la ecuación. A 25 0C la relación es 1025. Esta relación extremadamente grande indica que la reacción de precipitación puede proceder hasta que casi todos los iones cobre precipitan de la solución, lo cual está de acuerdo con la práctica de cementación industrial según la cual más del 90% del cobre es retirado de las soluciones saturadas antes de que sean recicladas al circuito de lixiviación.
La ecuación establece que 1 mol de fierro (55.85 kg) debe precipitar 1 mol de cobre (63.54 kg), que equivale a 0.88 kg de hierro por kg de cobre. En la operación industrial son necesarios 1.5 a 2.5 kg de hierro, en gran parte como consecuencia de las dos reacciones secundarias: Fe0+ 2Fe3+ → Fe0 + 2H+
2+
2
→ Fe
(2.17)
3Fe
+ H 2°
(2.18)
El oxígeno atmosférico contribuye a que se consuma fierro en exceso porque lo oxida directamente o puede producir iones Fe 3+ que consumen hierro metálico según la reacción. Alguna parte del cobre también se puede oxidar y disolver nuevamente, lo cual hace necesaria una nueva precipitación.[2] Cinética de la cementación
En la reacción de 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 fierro 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. Parece no haber una norma absoluta para la obtención de un depósito 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 precipitación para su colección y transporte.
d C A dt
Donde:
KA
V
x C A
[CA] = La concentración de cobre (moles/L) en la
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 t = Tiempo de
expuesta (cm 2)
reacción, seg.
V =Volumen de la solución, cm 3
Por integración:
ln
C A
KA
C A
O
V
x t
EQUIPOS PARA LA CEMENTACION:
MATERIALES Y EQUIPOS:
Agitador magnético
Láminas de chatarra de hierro.
500 ml de solución de sulfato de cobre (CuSO 4), con una concentración de 20 gr/lt de Cu2+.
Ácido sulfúrico concentrado (11 ml )
Sulfato de cobre pentahidratado (CuSO 4+5H2O)
Balanza analítica
Pipeta
Bombilla
Termómetro
Cronómetro
Vaso de precipitado
PROCEDIMIENTO :
Cementacion:
Preparar un litro de una solución con 20 g / lt de Cu 2+, a partir de sulfato de cobre pentahidratado grado reactivo, y 79.068 gramos por litro de ácido sulfúrico concentrado en un vaso de precipitado de 700 ml . Aplicar agitación al sistema por medio de una barra magnética. Finalmente colocar las láminas de hierro en la solución cuprosa y tomar muestras cada 15 minutos.
Retirar las láminas de hierro. Lavar el cobre precipitado. Secar y pesar ambos, el cobre cementado y las láminas de hierro.
Filtrar la solución para recuperar cualquier cobre precipitado. Secar y pesar este cobre, adicionándolo al cobre previamente lavado de las láminas de Fe.
Análisis de Cobre:
1.
Colocar 10 ml de la solución en un vaso de 250 ml y diluir con agua a 100 ml.
2.
Adicionar 10 ml de NH4OH para precipitar al hidróxido de Fe.
3.
Titular el filtrado con solución estándar de KCN. La solución primero será azul, luego rosada y cuando realcanza el punto final, todo el color desaparece quedando una solución clara. (cualquier hidróxido férrico no removido por filtración dejara un color marrón claro – naranja en el punto final).
4.
Calcular la cantidad de cobre en la solución después de 15, 30 y 45 y 60 minutos.
Datos obtenidos de la prueba: o
Peso de CuSO 4 .5H2O (98%) = 80 g/L
o
Peso inicial de lámina fe = 99.556 g
o
Peso final de lámina fe = 94.009 g
o
Volumen de solución tomada = 700 mL
o
Volumen de
o
concentrado = 11 mL
= 1.8364 g/cm
3
o
Peso de Cu cementado: 6.147 g
o
Superficie de Fe en contacto = 5x6+5x6 = 60 cm 2
o
1 ml KCN neutraliza 0.005 g Cu/mol KCN
o
Ph=1.5
Tiempo
Temp . 22 24 25 26 27
0 15 30 45 60
16.7 11.95 9.35 7.65 6.15
RESULTADOS:
1. Calcular el porcentaje de cobre cementado por el Fe en una hora:
20 g Cu+ x 700 mL 14 g Cu+ L Cu cementado x 100 % Cu Cementado Peso Peso inicial de Cu % Cu Cementado 6.114g47 g x100 % Cu Cementado43.9 2. Calcular el consumo de Fe por gramo de cobre precipitado. Comparar con el consumo teórico:
Peso de Fe consumido Peso inial de lamina Fe– Peso final de lamina Fe Peso de Fe consumido 99.556 g - 94.009 g 5.547 g 6.147 6.5.154747 Consumo de Fe0.9024g Fe/g Cu + +
De la reacción redox de cementación de Cu, se sabe que 1 mol de Fe consumido genera 1 mol de Cu precipitado.
1 55.85
1 63.546 63.55.58465 Consumo teorico de Fe0.8789 g Feg Cu
Tiempo 15 min 30 min 45 min 60 min
Gasto KCN 23.9 ml 18.7 ml 15.3 ml 12.3 ml
Muestra de 10 ml a un tiempo de 0 min el gasto es 33.4 ml de KCN
+ 0.005 33.4 0.167 + 0.167
X=
10 1000 16.7
16.7 700 700 16.7
Muestra de 10 ml a un tiempo de 15 min el gasto es 23.9 ml de KCN
+ 0.005 23.9 0.1195 + 0.1195
10
X=
1000 11.95
11.95 700 690 12.12318841
Muestra de 10 ml a un tiempo de 30 min el gasto es 18.7 ml de KCN
+ 0.005 18.7 0.0935 + 0.0935
10
1000
X=
9.35
9.35 700 680 9.625
Muestra de 10 ml a un tiempo de 45 min el gasto es 15.3 ml de KCN
+ 0.005 15.3 0.0765 +
0.0765
10
1000
X=
7.65
7.65 700 670 7.992537313
Muestra de 10 ml a un tiempo de 60 min el gasto es 12.3 ml de KCN
+ 0.005 12.3 0.0615 + 0.0615
10
1000
X=
6.15
6.15 700 660 6.522727273
Temp. 22 24 25 26 27
Tenemos la Ecuacion :
16.7 11.95 9.35 7.65 6.15
16.7 12.1231884 9.625 7.99253731 6.52272727
+] [ −[+]= 2... 303 [Cu+]:concentracion de Cu+ para un tiempo t [Cu+]=:Concentracion inicial de Cu+ K:Constante de velocidad (cm/seg) A:Area del catodo t:Tiempo (seg) V:Volumen de la solucion tomada (cm) +] [ −[+]= . 2.303 . Temp. 22 24 25 26 27
-
16.7 11.95 9.35 7.65 6.15
16.7 12.1231884 9.625 7.99253731 6.52272727
0.2609375 0.18671875 0.14609375 0.11953125 0.09609375
1 0.71556886 0.55988024 0.45808383 0.36826347
Tiempo 0 900 1800 2700 3600
0 0.145348566 0.25190486 0.339055036 0.433841355
0 0.14534857 0.25190486 0.33905504 0.43384136
0.5 0.45 0.4 0.35 0.3
. 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
TIEMPO EN SEGUNDOS
Tomando 2 puntos en la recta: Tiempo 1000 3000
0.14 0.38
m = 0.00012
De la fórmula :
A=60cm 2
V=700cm3
K= 0.193452
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Obtenemos que la constante de velocidad especifica es 0.1934 cm/seg. Esta depende de la temperatura y agitacion.
Determinamos que WFe (Practico) > W Fe (Teórico), significa que en el las practicas se debe trabajar con mayor cantidad de Fe , se debe a que el oxigeno del aire hace que se consuma Fe en exceso entonces se oxida directamente o puede producir iones Fe3+ que consumen Fe metálico.
Para que no sea necesario utilizar mucho Fe, seria recomendable trabajar en una atmósfera de nitrógeno.
REFERENCIAS
http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_ Investigacion/IF_DICIEMBRE_2012/IF_SUERO%20IQUIAPAZA_FIQ/FINA L.pdf https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/tecnicos_electroobtencion_p roceso.asp http://www.pensjonatwiktoria.eu/3985/proceso-de-cobre-de-cementacion/ http://sqperu.org.pe/%E2%80%9Cproceso-de-cementacion-del-cobre-obtenidoa-partir-de-un-mineral-sulfurado-del-complejo-maranon-peru%E2%80%9D/
