Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas
LABORATORIO N°3: MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UNA CELDA DE ELECTROOBTENCIÓN. Carlos Ampuero Yures -
[email protected] [email protected] Omar González Ortiz -
[email protected] [email protected] Ingeniería Civil de Minas I.
Resumen. Esta experiencia consta de montar una celda de electroobtención, la cual lleva en su instalación un ánodo y cátodo que interactúan con un electrolito compuesto de 40 g/L de Cu +2 y 160 g/L de H 2SO4. El proceso tiene una duración de 2 horas y se realiza para dos densidades de corrientes diferentes (250 y 320 A/m 2), con el objetivo de obtener una intensidad de corriente y una masa de cobre real y teórica para cada caso establecido, y así comparar los porcentajes de eficiencia. Se concluye que a medida que aumenta la densidad, también lo hace la depositación de cobre sobre el cátodo, lo cual conlleva a una mayor eficiencia del proceso de electroobtención.
II.
Introducción. En el presente informe se presentarán y analizarán los datos obtenidos en la experiencia de laboratorio, el cual tiene como principal objetivo:
Montar y poner en funcionamiento una celda celda de laboratorio de electro obtención, además de realizar mediciones de potencial e intensidad de corriente utilizando multitester.
La electroobtención es el proceso final en la producción de cobre catódico de alta pureza. En la cual el cobre metálico se recupera desde una solución de sulfato de cobre ácido (CuSO 4) mediante el proceso de electrólisis sumergiendo dos electrodos (Cátodo y Ánodo) en una solución electrolítica de cobre, la cual es una solución líquida (mezcla de agua, ácido sulfúrico y sulfato de cobre) que tiene la propiedad de permitir el paso de la corriente eléctrica (ALFARO CORTES, R. 2011). El ánodo es una barra de plomo, y corresponde al polo positivo por donde entra la corriente eléctrica. El cátodo es una placa que puede ser de acero inoxidable o de cobre y corresponde al polo negativo. En estas celdas se aplica una corriente eléctrica de baja intensidad, la cual entrar por el ánodo y sale por el cátodo. El Cobre de la solución del sulfato de cobre 1
Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas es atraído por la carga negativa del cátodo y migra hacia él, depositándose en su superficie (Codelco, 2017). La electrodepositación de cobre es una materia muy amplia y compleja ya que se pueden tratar casi todos los metales por esta vía. (MENA, R. 2017).
III.
Desarrollo Experimental Procedimiento Para el montaje y puesta en marcha de la celda de electroobtención se sigue el siguiente procedimiento: En la celda a utilizar se instalan dos ánodos y un cátodo evitando generar un contacto entre estos. Una vez listos, se ingresa el electrolito con una concentración de 40 g/L de Cu y 160 g/L de H 2SO4. El cátodo utilizado es de acero inoxidable, el cual es posicionado en la celda cubriendo los bordes con cinta dejando un área de 6 x 4 cm2 para ambas caras. Se procede a realizar dos pruebas de electroobtención con una densidad de corriente variable de 250 y 320 A/m 2. Luego se calcula la intensidad de corriente correspondiente. Se pone en funcionamiento la celda de electroobtención durante 2 horas, registrándose las mediciones de potencial e intensidad de corriente mediante un multitester. Finalmente se remueven los cátodos de cobre para pesarlos y determinar la masa real de cobre que se depositó, la cual se compara con la masa teórica calculada anteriormente.
IV.
Resultados y discusiones. Ecuaciones Utilizadas
Intensidad de corriente: = ×
Masa teórica de cobre: =
× × ×
Porcentaje de eficiencia: = 2
×
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Resultados Tabla N°1: Resultados obtenidos. Densidad de corriente (A/m 2) Masa teórica (g) Masa real (g) Eficiencia (%) 320 3,64 3,96 108,75 250 2,84 3,28 115,29 ejemplifican los cálculos realizados.
Nota: En el apartado “apéndice” se
116%
114%
112% A I C N E I 110% C I F E
108%
106%
104% 320 A/m2
250 A/m2 DENSIDAD DE CORRIENTE
Figura N°1: Comparación de eficiencia para las distintas densidades de corriente utilizadas.
Análisis y discusión de Resultados En la Tabla N°1 se puede observar que la masa real no varía de forma significativa en cuanto a la masa teórica, lo cual indica que se produjo una buena depositación de cobre sobre la superficie del cátodo. Por otro lado, al analizar la Figura N°1 es posible apreciar que la eficiencia para una densidad de corriente de 250 A/m 2, es mayor que para una de 320 A/m2, determinando así que una mayor densidad de corriente aumenta la masa de cobre depositada sobre el cátodo . La relación entre la deposición real y la deposición teórica es conocida como eficiencia de corriente. Debido a las fugas o pérdidas de corriente, redisolución del cobre depositado y reacciones electroquímicas 3
Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas secundarias, el cobre realmente depositado es siempre menor que el cobre teórico calculado por la Ley de Faraday. El rango de operación de la densidad de corriente depende del cobre que llega a cada celda. Se varía cambiando la potencia del rectificador. A baja densidad de corriente (100 a 200 A/m 2), se producen otros efectos en la calidad del cátodo (por ejemplo, baja temperatura, bajo contenido de cobre, etc). El nivel óptimo es de 280 A/m 2. A niveles de corriente de 280 a 300 A/m 2, se puede obtener cobre catódico de buena calidad en condiciones constantes de operación (R. ALFARO). Sin embargo, como se puede apreciar en la Figura N°1, esto no ocurre en esta práctica, ya que amabas densidades de corriente entregan una eficiencia mayor al 100%, lo que se traduce en una depositación de cobre mayor a la necesaria para lograr una eficiencia óptima, debido a que se trabajo en un rango de 250 a 320 A/m 2, el cual no se considera optimo para el proceso de electroobtención. Otra explicación para esta anomalía es que el cátodo al ser retirado no se secó por completo y se pesó directamente, lo que provoca que la masa de real de cobre depositado sea mayor a la teórica.
V.
Conclusiones
VI.
De la calidad física de los cátodos obtenidos se concluye que una intensidad de corriente alta puede provocar una mala calidad anódica, ya que las reacciones de reducción del cobre ocurrirán con una cinética no apropiada para una buena depositación. Del efecto de la densidad de corriente se concluye que mientras mayor sea, mayor será la deposición de cobre, debido a que esta influye de manera directa en la masa de cobre obtenida. De la sobre eficiencia se establece que puede ocurrir debido a que no se trabajo en un rango apropiado de densidad de corriente, o bien se incurrió en un error practico al momento de obtener la masa real.
Referencias ALFARO CORTES, Roberto E. Procesos de Electro Obtención de Cobre (EW). Departamento de Ingeniería Civil de Minas. Universidad de Antofagasta (2011). MENA, Rossina. Laboratorio Metalurgia Extractiva II, Ingeniería Civil de Minas [guía]. Universidad Católica del Norte, Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas. Departamente de Ingeniería Metalúrgica y Minas (2017). Codelco Educa, “Procesos productivos” [En línea]
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VII.
Apéndice Cálculos realizados Datos Densidad de corriente (A/m 2) 320 250 Área (m2) 0,0048 0,0048 Intensidad de corriente (A) 1,54 1,20 Peso molecular Cu (g/mol) 63,55 63,55 Tiempo (s) 7200 7200 Constate de Faraday (A*s/mol) 96500 96500 Numero equivalente 2 2 Masa teórica Cu (g) 3,64 2,84 Masa inicial (g) 195,59 195,29 Masa final (g) 199,55 198,57 Masa real (g) 3,96 3,28 Eficiencia 108,75% 115,29%
Calculo de intensidad de corriente para i = 320 (A/m2): I = 320 (A/m2) x 0,0048 (m2) I = 1,54 (A)
Calculo de la masa teórica de cobre depositado para i = 320 (A/m2): m Cu+2 = 63,55 (g/mol) x 7200 (s) x 1,54 (A) 96500 (A*s/mol) x 2 +2 m Cu = 3,54 (g)
Calculo de eficiencia para i = 320 (A/m2): % eficiencia = 3,96 (g) x 100 3,64 (g) % eficiencia = 108,75 %
Nota: Se repite el mismo procedimiento para i = 250 (A/m2)
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