UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Metalúrgica
LABORATORIO DE PROCESOS ELECTROMETALURGICOS EXPERIENCIA DE LABORATORIO N°5 “Electro-obtención
del cobre”
Profesor: Dr. Profesor: Dr. Gerardo Cifuentes Ayudante: Maximiliano Ayudante: Maximiliano Álvarez Integrantes: Matías Integrantes: Matías Alfaro Ángela Díaz Gerardo Romo
Fecha de experiencia: 31/05/2017 experiencia: 31/05/2017 Fecha de entrega: xx/05/2017 entrega: xx/05/2017
SANTIAGO – CHILE 2017
RESUMEN Esta experiencia se realizó con el propósito de comprender y analizar de manera experimental el proceso de electro-obtención del cobre, el cual consiste en la disolución electroquímica de los ánodos impuros de cobre, para permitir que el metal se deposite de manera selectiva. Este proceso tiene como objetivo tanto eliminar impurezas que dañan las propiedades eléctricas y mecánicas del cobre como separar impurezas valiosas del cobre, las que se recuperan después como subproducto metálico. Se prepararon dos láminas de acero acero inoxidable y plomo las cuales mediante cinta adhesiva se determinó las áreas específicas iniciales tanto para el cátodo y para el ánodo. Paralelo a esto, se preparó una solución con una conc entración con 40 (gpL) de Cu y 180 (gpL) de acido sulfúrico, junto a 900(mL) de agua destilada aproximadamente. Tras delimitar el área específica, se procedió a pesar ambas láminas, las cuales fueron de 127,2 (g) y 61,2 (g) para el cátodo y para el ánodo respectivamente. Para el montaje experimental se conectó el cátodo y el ánodo dentro de la solución preparada y se dejó conectado el circuito por aproximadamente 5 horas, con la ayuda de un magneto agitador dentro de la solución, se intentó mantener la temperatura constante a 45°C y finalizado este tiempo se retiraron los cátodos y se procedió a pesarlos para su posterior análisis. Respecto a los resultados, las masas finales fueron de 143,3 (g) y 45,6 (g) del cátodo y el ánodo respectivamente, observándose, como se esperaba, la reducción de la masa del ánodo y el aumento de la masa del cátodo. A su vez se observó una precipitación del cobre al fondo de la solución. Para el proceso se obtuvo un rendimiento de corriente de 106,1% lo que indica que hubo una masa depositada más grande que la que debió haberse depositado y un rendimiento metálico de 103,3% lo que indica que hubo una mayor depositación de cobre en el cátodo, en comparación al cobre que pasó a solución desde el ánodo.
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TABLA DE CONTENIDOS CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 1.1 Motivación ............................................................................................................................... 1 1.2 Objetivos ................................................................................................................................. 1 1.2.1 Objetivo principal .......................................................................................................... 1 1.2.2 Objetivos secundarios ................................................................................................... 1
CAPÍTULO 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .................................................................... 2 2.1 Materiales ................................................................................................................................ 2 2.2 Equipos ................................................................................................................................... 2 2.3 Procedimiento Experimental ................................................................................................ 3 2.4 Normas .................................................................................................................................... 3 2.4.1 Peligrosidad y riesgos del ácido sulfúrico ..................................................................... 3
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS RESULTADOS ..................................................................................... 5 3.1 Datos de la experiencia ......................................................................................................... 5 3.2 Resultados .............................................................................................................................. 6 CAPÍTULO 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIÓN ............................................... 7 4.1 Discusión ................................................................................................................................ 7 4.1.1 Matías Alfaro ................................................................................................................. 7 4.1.2 Gerardo Romo ............................................................................................................. 11 4.1.3 Angela Pía Díaz ............................................................................................................ 12
4.2 Conclusión ............................................................................................................................ 15 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................................... 16 ANEXO ......................................................................................................................................... 17 A.1 Cuestionario ......................................................................................................................... 17 A.2 Figuras de la Experiencia .................................................................................................. 17 APENDICE ................................................................................................................................... 18
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INDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Concentraciones de ácido y cobre utilizados en la experiencia. ................................... 5 Tabla 3.2 Dimensiones del electrodo, cátodo acero inoxidable y ánodo cobre impuro. ............... 5 Tabla 3.3 Temperaturas a distintos momentos del proceso, con tiempos no identificados. ......... 5 Tabla 3.4 Amperajes y voltajes, administradas por la fuente de poder, según número de mediciones. .................................................................................................................................... 5 Tabla 3.5 Comparación de la separación entre la distancia de las láminas con inspección en pixeles e inspección visual. ............................................................................................................ 6 Tabla 3.6 Variable a considerar tiempo que transcurre del inicio al final de la experiencia y masas finales de cátodo y ánodo. ................................................................................................. 6 Tabla 3.7 Parámetros de control en proceso electrolíticos. .......................................................... 6 Tabla 3.8 Datos y perdidas del sistema. ....................................................................................... 6 Tabla A.1 Valores convencionales de celda de electro-refinación. ............................................ 20
INDICE DE ILUSTRACIONES Figura 2.1 A la izquierda lámina de cobre impuro y a la derecha lámina de acero inoxidable, donde ya se determinó las áreas de trabajo. ................................................................................. 3 Figura 2.2 Montaje de la experiencia. ........................................................................................... 3 Figura 2.3 Cuadro de peligros y riesgos para el ácido sulfúrico. .................................................. 4 Figura 3.1 Separación entre las láminas acero inoxidable (cátodo) y cobre impuro (ánodo). ..... 6 Figura 3.2 Láminas al finalizar el proceso de electro-refinación, a la izquierda lámina de cobre impuro (ánodo) y a la derecha lámina de acero inoxidable (cátodo). ........................................... 7 Figura 3.3 Precipitados de cobre (Color cobre) en solución. ........ Error! Bookmark not defined. Figura A.1 Esquema representativo de arsénico y barras en suspensión. . Error! Bookmark not defined. Figura A.2 Celda de electro diálisis reactiva (EDR). ..................... Error! Bookmark not defined. Figura A.3 Celda squirrel-cage. .................................................... Error! Bookmark not defined. Figura A.4 Celda Emew. ............................................................... Error! Bookmark not defined. Figura A.5 Celda con extensa área superficial catódica (swiss roll). .......... Error! Bookmark not defined. Figura A.6 Condiciones de laboratorio y errores manipulación. ................................................ 17
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación
1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo principal
Familiarizarse en forma experimental con el proceso electro-obtención del cobre.
1.2.2 Objetivos secundarios
Obtener la eficiencia de corriente del proceso.
Estudiar las variables más relevantes.
Calcular las pérdidas del sistema.
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CAPÍTULO 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Materiales
Lámina de plomo.
Lámina de acero inoxidable.
1 vaso precipitado de 1000 (mL).
1 vaso precipitado de 100 (mL).
Varilla agitadora.
Probeta 100 (mL).
Magneto agitador.
Agua destilada.
Ácido sulfúrico.
Sulfato de cobre pentahidratado.
Cinta adhesiva.
Regla de medir 30 (cm).
Tijeras.
Recipientes plásticos.
Soporte universal.
Doble nuez.
Pinzas.
Alicate.
Brocha.
Implementos de seguridad (lentes, cotona, guantes y zapatos).
2.2 Equipos
Fuente de poder.
Termómetro digital.
Hotplate stirrer.
Balanza digital.
Balanza analítica.
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2.3 Procedimiento Experimental
Se preparó una lámina de acero inoxidable (cátodo), además se determinó el área de trabajo con una cinta adhesiva.
Se preparó una lámina de plomo, en este caso cumple la función de ánodo y se determinó el área de trabajo con una cinta adhesiva.
Luego se preparó una solución (electrolito), con una concentración de 40 (gpL) de cobre y 180 (gpL) ácido sulfúrico, además se agregó agua destilada aproximadamente 900,0(mL), todo esto a una temperatura de 45ºC (con la ayuda del magneto agitador).
Se pesó el cátodo antes de realizar la experiencia, incluyendo la cinta adhesiva.
Se conectó el cátodo y el ánodo a una fuente de poder haciendo circular corriente continua a través de estos.
Finalmente se pesó el cátodo y ánodo una vez finalizada la experiencia y se registraron los datos.
Figura 2.1 A la izquierda lámina de cobre impuro y a la derecha lámina de acero inoxidable, donde ya se determinó las áreas de trabajo.
Figura 2.2 Montaje de la experiencia. 2.4 Normas 2.4.1 Peligrosidad y riesgos del ácido sulfúrico “NFPA 4040 es
peligrosos"
establecido
la norma estadounidense que explica el "diamante de materiales por
la Asociación
Nacional
de
Protección
contra
el
Fuego (inglés: National Fire Protection Association), utilizado para comunicar los riesgos de los materiales peligrosos. Es importante para ayudar a mantener el uso seguro de productos químicos. Se emplea para el transporte de productos envasados y a granel, y no para el almacenamiento estacionario como tanque de Crudo, Productos, etc.”
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Figura 2.3 Cuadro de peligros y riesgos para el ácido sulfúrico.
Donde:
Azul/salud “3” = muy peligroso
Rojo/inf lamabilidad “0” = no se inflama.
Amarillo/inestabilidad/reactividad “2” = Experimenta cambio químico violento en
condiciones de temperatura y presión elevadas, reacciona violentamente con agua o puede formar mezclas explosivas con agua
blanco/riesgos específicos “corr” = corrosivo .
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CAPÍTULO 3. ANÁLISIS RESULTADOS 3.1 Datos de la experiencia Tabla 3.1Concentraciones de ácido y cobre utilizados en la experiencia. Ácido Concentración (gpL) 180
Cu2+ 40
Tabla 3.2 Dimensiones del electrodo, cátodo acero inoxidable y ánodo cobre impuro. Cátodo nodo Masa (g)
127,2
61,2
Ancho (mm)
450,0
810,0
Largo (mm)
920,0
540,0
Espesor (mm)
2
1
reas (cm 2)
41,40
43,74
Tabla 3.3 Temperaturas a distintos momentos del proceso, con tiempos no identificados. N° medición T° (C°) 1 40,5 2 39,8 3 35,8 4 37,9 Tabla 3.4 Amperajes y voltajes, administradas por la fuente de poder, según número de mediciones. Amperes Volts 1 2,58 1,9 2 2,54 1,8 3 2,76 2,0 Promedio 2,63 1,9
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Figura 3.1 Separación entre las láminas acero inoxidable (cátodo) y cobre impuro (ánodo). Tabla 3.5 Comparación de la separación entre la distancia de las láminas con inspección en pixeles e inspección visual. Distancia entre las láminas Inspección de pixeles (cm) Inspección visual (cm) Extremo inferior 128 pixeles 3,556 2,7 Centro 146 pixeles 4,056 Extremo superior 162 pixeles 4,500
3.2 Resultados Tabla 3.6 Variable a considerar tiempo que transcurre del inicio al final de la experiencia y masas finales de cátodo y ánodo. Variables Medición Tiempo de administración de corriente (aprox) Masa final cátodo (g) Masa final ánodo (g) Tabla 3.7 Parámetros de control en proceso electrolíticos. Rendimiento de corriente % 106,1 Tabla 3.8 Datos y perdidas del sistema. U: Tensión de Celda (V) ∆E: Diferencia potencial (V) I∙Re:Caída de potencial (V)
Perdidas del sistema (V)
de 12:23 hrs- a 17:13 hrs 143,3 45,6 Rendimiento metálico % 103,2
1,900 0,4072 0,8143 0,6785
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Figura 3.2 Láminas al finalizar el proceso de electro-refinación, a la izquierda lámina de cobre impuro (ánodo) y a la derecha lámina de acero inoxidable (cátodo).
CAPÍTULO 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIÓN
4.1 Discusión
4.1.1 Matías Alfaro
Durante la experiencia es posible evaluar y conocer a escala de laboratorio el proceso de electro-refinación del cobre, desde la construcción de la celda hasta la obtención de datos que servirán para un posterior análisis sobre eficiencias o rendimientos y perdidas que tiene el sistema, además de estudiar las variables más importantes que están asociadas a todo proceso de electro-refinación de cobre. En cuanto a los materiales y equipos usados durante esta experiencia, tanto los vasos de precipitados, balanza digital, balanza analítica, huincha de medir, termómetro digital, etc. se puede decir que estos tienen un error asociado a su medición, es este punto destacar también las condiciones en que estaban alguno de los materiales usados, al revisar la figura A.6 de la sección de anexo, se puede observar en las primeras dos imágenes que la huincha de medir apenas se podía realizar una medición debido a que las marcas de esta estaban muy borrosas, e incluso en algunas partes a lo largo de la huincha, se encontraban totalmente borradas, también se observa el estado de las pinzas (oxidadas y deterioraras) con que se realizan las 7
conexiones a la fuente de poder, lo que causa que existan falsas lecturas debido a que no existe un buen contacto entre estas pinzas y las láminas utilizadas en la experiencia. También destacar que durante la experiencia se usan ácidos reactivos, por lo tanto, es importante que se realice un procedimiento seguro para realizar la mezcla, esto es siempre agregando el reactivo, en este caso ácido sulfúrico al agua, mediante una suave acción de escurrimiento por las paredes internas del vaso de precipitado, se hace de esta manera, ya que al agregar un volumen de agua al acido genera una reacción violenta que puede exponer a las personas a quemaduras graves, si se revisa el apartado de normas en el capítulo 2, se observa el nivel de peligrosidad que posee el reactivo utilizado en la experiencia, acompañado de su cuadro de peligrosidad correspondiente. Para la preparación del montaje experimental, el cual se puede observar en la figura 2.2. se comienza con la preparación de las láminas de acero inoxidable y de cobre impuro, las que harán de cátodo y ánodo respectivamente en la celda, más que nada la preparación de estas laminas consiste en delimitar un área de la lámina con cinta adhesiva y pesar la lámina (ver tabla 3.2), todo esto para poder realizar posteriores análisis sobre rendimientos y perdidas. Para la solución que se realizó en un vaso de precipitado de 1000 (mL) y con la ayuda de otro vaso de precipitado y una probeta, ambas de 100 (mL) para poder agregar a la solución una cantidad más exacta del reactivo necesario. Se agregaron 156,25 (g) de sulfato de cobre pentahidratado en una solución con 100,4 (mL) de ácido sulfúrico y aproximadamente 900 (mL) de agua destilada para obtener la solución final. Se conecta el circuito y se enciende la fuente de poder para hacer circular la corriente, tal como se observó en la figura 2.2 del montaje experimental, pasadas 4 horas y 50 minutos se retira el cátodo y el ánodo y se procedió a pesarlos, al revisar la tabla 3.6, se observa que para el tiempo en que estuvo en circulación la corriente, la masa del cátodo aumentó 16,1 (g) y la masa del ánodo disminuyo 15,6 (g), esto indica que, además del cobre que se disuelve desde el ánodo y se deposita al cátodo, hubo cobre que paso desde la solución al cátodo, empobreciendo la solución. Del montaje experimental es importante destacar que las láminas no se encontraban ubicadas perfectamente paralelas entre ellas, en un principio se midió con la huincha de medir la distancia que existía entre las placas, pero como esta se encontraba en pésimas condiciones, se realizó una inspección por pixeles (ver tabla 3.5), utilizando como referencia una sección de la huincha de medir en la que si se podía ver las marcas de distancia. Así se pudo observar de mejor manera la diferencia que existía entre las medidas (ver figura 3.1), que llegan incluso a una diferencia de casi un centímetro entre el extremo superior y el extremo inferior, otro factor importante de controlar es la temperatura, ya que industrialmente en celdas de electrorefinación convencionales las temperaturas fluctúan entre los 55 y 70°C, para el caso de esta experiencia se trabajó a mucha menor temperatura (ver tabla 3.3) donde se registraron valores desde los 35,8°C hasta los 40,5°C, esta temperatura menor conlleva a que se disminuya la 8
solubilidad de la solución con cobre, haciendo precipitar pequeñas partículas de cobre a fondo de la solución (ver figura 3.3), también una disminución de la temperatura afecta en la disminución en la movilidad de los iones presentes, por lo tanto esto conlleva a una mayor pérdida de energía para realizar la depositación, la disminución de la temperatura afecta también disminuyendo el KPS del CUSO4, lo que significa que para una concentración dada en cobre, aumentan los riesgos de cristalización de sulfato y riesgo de pasivación. Todo lo anteriormente nombrado influye negativamente en el resultado final de la experiencia provocando las llamadas zonas muertas, estas producen rápidamente empobrecimiento local en cobre y genera condiciones necesarias para que se desarrollen cristales gruesos aislados, dando origen a la formación y crecimiento de desniveles que terminen con la formación de dendritas, esta desnivelación superficial del cátodo hace posible que se atrapen en el partículas de barro anódico en suspensión, dando origen a la formación de nódulos (ver figura 3.2). Una vez transcurrido el tiempo, se procedió a retirar ambas laminas, al revisar la figura 3.2, se observa como el ánodo se encuentra totalmente disuelto desde uno de sus extremos, esto indica que la placa aparte de no estar perfectamente paralela, estaba también ladeada por uno de sus extremos, haciendo que este lado se consuma primero, tal como se observa en tal figura. En el cátodo se observa claramente un depósito de cobre en su superficie, aunque como se comentó anteriormente se facilitó la formación de nódulos, lo que explica el por qué se encuentra así el depósito. En la industria se utilizan aditivos especiales que generan una uniformidad en el depósito metálico en la superficie del cátodo, pero para el desarrollo de esta experiencia no se utilizaron, además el hecho que, en la industria a grandes escalas, la cantidad necesaria de aditivo es muy pequeña y para escala de laboratorio la cantidad necesaria para agregar sería tan ínfima que su adic ión no sería conveniente. Posteriormente se masaron las láminas confirmando la reducción de peso del ánodo y el aumento en el cátodo, aquí se debe destacar los errores al masar debido a la manipulación, especialmente del ánodo, donde al revisar la figura A.6 del anexo se muestran las pérdidas de masa tanto en la vestimenta como en las superficies en donde se fue dejando el ánodo, haciendo reducir obviamente su masa total, esto posteriormente hará variar los cálculos de rendimientos, debido a que en sus variables se encuentran las diferencias de masa antes y después de la electro-refinación. Para la determinación de rendimiento de corriente que se calculó, resultando un 106,1%, esto indica que la masa real depositada es mayor a la masa teórica que se debió depositar mediante la ecuación de Faraday, esto teóricamente de debiese ocurrir. Entrando en más detalle en la ecuación de Faraday se encontró varias variables que para esta experiencia son constantes, por ejemple el tiempo, en cambio la intensidad cumple un rol fundamental en este proceso y es aquí donde se encuentra la razón del porque resulta un porcentaje mayor a 9
100%, al revisar la tabla 3,4, se observa que tan solo se tomaron en tres ocasiones los valores de intensidad, pero se desconoce en qué intervalo de tiempo se hicieron o si solo fueron al comienzo o solo al final, además las condiciones de la fuente de poder no son las mejores, ya que al mínimo roce de las perillas reguladoras de la fuente hacen variar de gran manera los valores de intensidad y voltaje y también como se comentó anteriormente las condiciones de las conexiones entre las láminas y la fuente se encontraban bastante oxidadas, lo que se presta claramente para falsas lecturas del equipo, de manera cuantitativa se realizó el promedio simple para calcular el rendimiento de corriente, resultando un promedio de 2,63 (A) pero si el cálculo se realiza con el mayor valor tomado de intensidad, el porcentaje de rendimiento decrece un 5%, acercándose más a lo que se debió esperar como resultados de la experiencia. Esto da para pensar sobre si la cantidad de datos es suficiente como para poder dar por hecho que el promedio entre ellos es un valor aceptable y correcto. Para la determinación del rendimiento metálico, este resultó en un 103,2%, esto indica que la masa depositada real en el cátodo es mayor a la masa disuelta real del ánodo, esto sucede principalmente porque el ánodo es impuro, contiene impurezas (las impurezas del ánodo al disolverse en el electrolito, afectan la formación de lamas y la viscosidad de estos provocando pasivacion del ánodo) que, al momento de entrar en una solución áci da, se reducen aportando más electrones al sistema, haciendo que el cobre disuelto en la solución inicial también se comience a depositar en el cátodo. Hubiese sido ideal un análisis posterior a la solución utilizada y con esto recabar información sobre la cantidad de cobre que quedo disuelto y los posibles elementos que se encontraban como impureza en el ánodo, que pasaron a solución como iones. Para la determinación de las pérdidas del sistema se utilizaron los valores convencionales de electro-refinación, los cuales se muestran en la tabla A.1 del anexo, resultando un valor de 0,6785 (V), este valor de pérdidas se refiere a las pérdidas de voltaje que existen en las conexiones del circuito. En la industria las pérdidas del sistema se generan por ejemplo en las barras que hacen las conexiones entre ánodos y cátodos, estos se suelen calentar mucho, dificultando la conductividad y perdiendo energía en forma de calor. Para el estudio de las variables más relevantes en el proceso de electro-refinación tales como el material catódico y anódico, el área superficial y la geometría las cuales constituyen a las variables de los electrodos, para las variables inherentes a la transportación tales como la transferencia de carga eléctrica, la concentración superficial (adsorción, desorción) y el tipo de transporte (convección, difusión, migración). Las variables inherentes a la solución tales como la concentración de las especies electroactivas principales, concentración de impurezas en el baño, pH de la solución, tipo de solventes, aditivos adicionados. Las variables eléctricas como el potencial eléctrico y la corriente eléctrica y finalmente las variables externas tales como la 10
temperatura, presión y tiempo de administración de corriente. Todas estas variables para este proceso son fundamentales, ya que al momento de diseñar y mantener en operación estas influyen directamente en la cantidad y calidad del producto final.
4.1.2 Gerardo Romo
Como primera observación se debe mencionar el estado del laboratorio, observando la figura A.6 en el anexo 2 implementos como la huincha de medir se encontraba muy desgastada por lo que se puede esperar complicaciones tanto en la medición de las láminas de cobre impuro (ánodo) y acero inoxidable (cátodo) como en la medición de las distancias que se encontraban las laminas (figura 3.1). Las pinzas utilizadas para conectar la fuente de poder con las láminas se encontraban muy oxidadas y desgastadas, esto puede llevar a generar una resistencia eléctrica en los contactos que aumentan la tensión en la celda y con ello, el consumo energético. Se observa también en la figura A.5 una pérdida de material en el proceso de manipulación de las láminas afectando posteriormente tanto los cálculos de rendimiento de corriente metálico por la variación de la masa anódica. En la figura 3.2 se observa que al finalizar el proceso de electro-refinación el ánodo de cobre presenta una mayor disolución en una de sus esquinas y en el cátodo se observa un mayor crecimiento de nódulos, para los procesos de electro-refinación se requiere que los electrodos se encuentre conectados en paralelos para obtener una distribución de corriente homogénea, al estar siendo agitada se disminuye el espesor de la capa de difusión, lo que afecta al transporte de las especies formadas y consumidas en el catión/anión, pero para el caso de las celdas de la experiencia, estas se encontraban en un sector a mayor cercanía, lo que beneficiaría el transporte de estas capas y explicaría el mayor consumo de este sector en comparación de el resto de la lamina, ya que esta (como se aprecia en la figura 3.1) se encuentra a una distancia de 3,5 (cm) en comparación al ingresarlo que se encuentra a 4,5 (cm). Respecto a la Figura 3.3 se observa una gran cantidad de precipitados, debido a su color se considera que en su mayoría es cobre, pese a que los barros anódicos debiesen ser componentes más electropositivos que el cobre o que posean afinidad electroquímica, por tanto se concluye que el ánodo no poseía grandes cantidades de impurezas. En procesos de electrorefinación industrial el barro generado está compuesto por metales como oro, plata, selenio, platino y paladio. La temperatura, convencionalmente en una celda de electro-refinación, se trabaja entre 5570°C y este valor depende fundamentalmente de las condiciones de electrolisis. Esta tiene una gran importancia para mantener la uniformidad de la temperatura a través de la celda y así evitar la generación de zonas muertas de electrolito. Para el caso de la experiencia, como se puede observar en la tabla 3.3, se trabajaron con menores temperaturas (17-32°C de diferencia) 11
las que al haberse hecho solo 3 mediciones y sin conocer los tiempos en los cuales se realizaron, pueden ser no representativos de lo realmente ocurrido en la celda, la variación de temperatura afectará aumentando la velocidad de pérdida de energía por la evaporación rápida del electrolito (para altas temperaturas) y una mayor disolución química del ánodo, aumentando el contenido de cobre monovalente y por consiguiente, la concentración de Cu2+ y Cu0 finamente dividido. Temperaturas mayores generaran un aumento en la movilidad iónica y la conductividad de la solución, aumentar el coeficiente de difusión del cobre iónico, lo que significa una velocidad de reacción dada, la sobre-tensión será menor. En la fuente de poder también se realizaron 3 mediciones sin conocimiento del tiempo en las cuales se realizaron, por lo que pueden ser no representativas de la realidad de la experiencia, a su vez, en el desarrollo de la experiencia se observó que la manipulación de la fuente de poder era compleja debido a qu e la perilla con la que se regulaba el voltaje, cambiaba drásticamente al realizarse pequeñas variaciones, por lo que su regulación era complicada. Respecto a la tabla 3.7 un mayor valor del amperaje promedio hubiese significado un menor porcentaje de la eficiencia de corriente, resaltando que en esta experiencia se arrojó un valor de 106.1% y considerando solo el mayor valor arrojado de la corriente igual a 2,76 (A) se obtiene un rendimiento de corriente resultante de 101,1% disminuyendo un 5% en comparación al obtenido. Se debe a su vez resaltar que ya que los resultados calculados en el apéndice superan el 100% de rendimiento, no existirá una pérdida del sistema.
4.1.3 Angela Pía Díaz
En esta experiencia es posible estudiar el proceso de electro-refinación del cobre además de comprender que existen errores sistemáticos dado por la sensibilidad de los equipos utilizados, como por ejemplo las dimensiones y masas de las láminas, la inspección visual y pixeleada de las distancias de las láminas, la variabilidad de corriente suministrada por la fuente de poder. Además comprender la utilización correcta de ácido sulfúrico como se muestra en el capítulo 2. Al observar figura 2.2, muestra el montaje experimental, antes de esto se prepararon las láminas de acero inoxidable y cobre impuro, donde corresponden al cátodo y al ánodo y se determinaron las áreas respectivamente (figura 2.1), también se preparó la solución con 100(mL) aprox. de ácido sulfúrico , 900 (mL) de agua destilada y 156,25 (g) de sulfato de cobre pentahidratado, luego pasado 4 horas y 50 minutos se observa que el ánodo perdió una gran cantidad de masa (figura 3.2), donde posterior a esto se realizan los análisis de las masas para obtener los rendimientos de corriente y m etálicos además las perdidas del sistema.
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En la tabla 3.3 se muestra que la temperatura no es constante en esta experiencia, un aumento en la temperatura genera un aumento en la movilidad de los iones presentes en la solución y por lo tanto, un aumento en la conductividad. También aumenta el coeficiente de difusión de ión cúprico lo que permite trabajar a densidad de corriente superiores. Además aumenta el Kps del sulfato de cobre, lo que implica que para una concentración de cobre disminuye los riesgos de pasivación. Un aumento de temperatura genera problemas como, mayor tasa de evaporación del electrolito provocando variaciones en la concentración. Una disminución de la temperatura, disminuye la solubilidad del cobre en la solución, generando una precipitación del cobre al fondo de la solución (figura 3.3). Al observar la figura 3.1, muestra que las láminas no están paralelas, donde la diferencia entre el extremo superior es mayor aproximadamente a 1 (cm) que el extremo inferior, entre las láminas. Esto influye en la depositación del cobre ya que no será uniforme en el acero inoxidable y puede provocar un posible corto circuito, debido a la acumulación excesiva de cobre depositado. Lo que es recomendable que se an perfectamente paralelas. Al analizar la tabla 3.6, las láminas inicialmente fueron masadas secas, en cambio, al finalizar el proceso las láminas tienen un exceso de humedad del electrolito lo que contribuye a obtener masas mayores. La condición óptima para subsanar este problema es secar las láminas antes de ser masadas. Con respecto al rendimiento o eficiencia de corriente el valor fue de 106,1 %, lo que significa que se depositó más cobre del teóricamente esperado. Esto se debe a que la masa teórica producida se calculó mediante un promedio simple de la corriente, sin embargo como se muestra en la tabla 3.4, la corriente varió a lo largo de la experiencia, por lo que el valor de la corriente seleccionada para el cálculo de la masa teórica pudo ser menor, lo que implicaría una menor producción de masa teórica. Para evitar este problema, hay que trabajar con una corriente constante a lo largo de todo el proceso o ponderar la corriente durante el tiempo en que fue aplicada. Otro factor que afecta el rendimiento de corriente es la presencia de precipitados tal como se observa en la figura 3.3, para evitar este fenómeno, una posible opción, es la adición de aditivos que mejoran la calidad del cátodo aumentando la adherencia del depósito a la lámina. A nivel industrial la cantidad de aditivos es muy pequeña por lo tanto no se recomienda su uso a escala de laboratorio ya que su efecto es despreciable. La agitación de la celda trae consigo dos beneficios: disminuye el espesor de la capa difusa lo que permite trabajar a mayores corrientes y mejora la homogenización de la solución del electrolito, ya que una mala homogenización provoca un gradiente de temperatura y de concentraciones lo que origina distintos valores de conductividades. En la electro-refinación estas zonas muertas de poca homogenización provocan un empobrecimiento localizado del
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cátodo lo que trae consigo la formación de cristales gruesos desnivelando la superficie facilitando la adsorción de lamas o impurezas. Con respecto al rendimiento metálico, su valor fue de 103,2% lo que indica que hubo una mayor depositación de cobre en el cátodo, en comparación al cobre que pasó a solución desde el ánodo. Esto se debe a que las principales impurezas del ánodo corresponden a óxidos de cobre (CuO y Cu2O) los que se disuelven fácilmente al entrar en contacto con la solución ácida. Esta facilidad de desprendimiento aumenta la concentración de cobre en el electrolito lo que favorece la depositación en el cátodo. En la figura 3.2 se aprecia la gran disolución que tuvo el ánodo. Estas impurezas del ánodo aumentan la formación de lamas provocando un aumento en la posibilidad de pasivación del cátodo. La pasivación aumenta de forma notable al existir oxigeno disuelto en el electrolito (oxígeno presente en los óxidos de cobre). El ácido presente en el electrolito lixivia el Cu2O aumentando la concentración de Cu 2+ en la superficie del electrodo que finalmente precipitará como sulfato de cobre En la figura A.6, se muestran las condiciones del laboratorio, como por ejemplo la huincha de medir su estado no era el correcto debido a que las medidas estaban borrosas. Estas condiciones es influyen en las mediciones tales como: variabilidad en el registro de corriente y voltaje por cables y conexiones en mal estado. Además se observa pérdida de cobre depositado debido a la manipulación al mesar la lámina, lo que influye en los rendimientos de corriente y metálicos. Para reducir este problema, las conexiones deben mantenerse en excelente estado y hay que procurar un mayor cuidado al manipular las láminas debido a la poca adherencia del cobre depositado. Con respecto a las pérdidas del sistema, al circuito se le suministra una tensión de 1,900 (V) y las pérdidas calculadas corresponden a 0,6785 (V) lo que significa que casi un 35% de la tensión suministrada se pierde, mostrando lo ineficiente del proceso.
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4.2 Conclusión En base a los objetivos:
Se familiarizó en forma experimental con el proceso de electro-refinación del cobre, donde se construyó una celda a nivel de laboratorio (figura 2.2), además se observó y analizó como el cobre impuro en este caso el ánodo se disuelve al aplicar corriente continua y luego se depositó en el cátodo de acero inoxidable, todo esto en una solución de sulfato de cobre pentahidratado.
Se obtuvo la eficiencia o rendimiento de corriente del proceso de electro-refinación del cobre, el cual el resultado fue de 106,1 %, lo cual significa que hubo una masa depositada más grande que la que debió haberse depositado
Se obtuvo el rendimiento metálico del proceso de electro-refinación del cobre, el cual es resultado fue 103,3% lo que indica que hubo una mayor depositación de cobre en el cátodo, en comparación al cobre que pasó a solución desde el ánodo.
Se estudió las variables más relevantes, tales como el tiempo de administración de corriente, la intensidad de corriente, las diferencias de masa, las distancias entre las láminas, o más bien que estén perfectamente paralelas, también son el material catódico y anódico, la geometría, el área superficial, otra variable es la temperatura, donde se trabajó a una menor por lo tanto, se tuvo una menor solubilidad, generando una precipitación del cobre al fondo de la solución (figura 3.3).
Se calculó las pérdidas del sistema dando un valor de 0,6785 (V), lo que significa más de un tercio de la tensión suministrada se perdió en conexiones, cables, etc.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
C. Vargas, G. C. (2003). Estudio electroquímico del efecto de un aditivo orgánico en el fenómeno anódico del proceso de electrorefinación de met al blanco. Remetallica , 4749. C. Vargas, G. C. (2006). CONAMET/SAM. Refinación electrolítica de scrap anódico particulado. Calama, Antofagasta. Chilena, M. (20 de Mayo de 2014). Innovación permite reducir generación de scrap durante la refinación. Obtenido de Minería Chilena: http://www.mch.cl/2014/05/20/innovacionpermite-reducir-generacion-de-scrap-durante-la-electrorefinacion/ Cifuentes, L. (2006). Electro Metalurgía M1 51G. Electro Metalurgía M1 51G , 129-142, 182-194. Santiago, Chile: Universidad de Chile. Mantel, C. (2003). Ingenieria Electro-Química. En C. Mantel, Ingenieria Electro-química (Cuarta edición ed., págs. 158-159, 554). Barcelona, España: Reverté, S. A. Metalúrgica, D. d. (s.f.). Metalurgía Usach. Recuperado el 24 de Mayo de 2017, de Capítulo 15: Electrometalúrgia: http://metalurgia.usach.cl/sites/metalurgica/files/paginas/capitulo15.pdf Ortiz, R. (Octubre de 2004). ResearchGate. Obtenido de Diseño y cinetica de una ce lda tipo "SQUIRREL CAGE": https://www.researchgate.net/publication/308723609_DISENO_Y_CINETICA_DE_UNA _CELDA_TIPO_SQUIRREL_CAGE_DE_ELECTRO_OBTENCION_DE_COBRE_BASADA_EN_L A_ELECTRO_DIALISIS_REACTIVA
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ANEXO A.1 Cuestionario A.2 Figuras de la Experiencia
Figura A.6 Condiciones de laboratorio y errores manipulación.
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APENDICE 1.- Calculo de volumen de ácido sulfúrico en la solución:
V = ∙
Para una concentración de 180 (gpL) de ácido sulfúrico.
Densidad= 1,84 (g/cm3 )
Pureza= 97,4 %
()
V = , ( )∙, cm3
V = 100,4 (mL)
2.- Cálculo de masa de sulfato de cobre pentahidratado utilizada en la solución: CuSO4*5H2O ↔Cu+SO4+ 5H2O
Para concentración 40 (gpL) de cobre.
PM=250 (g/mol) sulfato de cobre pentahidratado.
V=1000 (mL)= 1 (L)
∙ () = ( g ) ol
=156,25 (g) 3.- Cálculo de rendimiento o eficiente de corriente %:
ρI = ·100
Con ley de Faraday se calculó la masa Faraday cell
Faraday cell = ·· · Datos: I
promedio=
2,63 (A) 18
PM= 64 (g/mol) n= 2 (eq/mol) F= 96500 (C/eq) (A·s/eq) t (tiempo de administración de corriente en segundos) = 17400 s
·,()·() Faraday cell = · (·)
Faraday cell =15,17 (g) Luego para masa real cell es
real cell = - real cell =143,30 (g)- 127,20 (g) =16,10 (g) final catódica
inicial catódica
real cell
Entonces el rendimiento de corriente
, ()
ρI = , () ·100 ρI =106,1 % Nota: Para el caso de la intensidad de corriente igual a 2,76 (A), el rendimiento de corriente da como resultado 101,1 %, comparado con lo anterior es aprox 5 % de diferencia. 4.- Cálculo de rendimiento metálico
R =
·100
donde la masa depositada real cell
depositada real cell =Masa - Masa real cell =143,30 (g)- 127,20 (g) =16,10 (g) final catódica
inicial catódica
depositada
depositada real cell
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y para la masa disuelta real cell
disuelta real cell =Masa - Masa real cell =61,20 (g)- 45,60 (g) =15,60 (g) inicial anódica
final anódica
disuelta
disuelta real cell
Entonces el rendimiento metálico es
R =
, () ·100 , ()
R =103, 2 % 5.- Calculo de pérdida del sistema Pérdidas
=
sistema
o
U : Tensión de Celda (V)
o
∆E: Diferencia potencial (V)
o
I∙Re: Caída de potencial (V) ∆E= ∆Eth+
−∆−∙
ƞcatódico +ƞanódico
Para calcular los sobrepotenciales se utilizó los valores convencionales de electro-refinación: Tabla A.1 Valores convencionales de celda de electro-refinación. Tensión celda Intensidad de corriente ƞ anódico ƞ catódico I∙Re
0,28 (V) 305 (A/m2) 0,01 (V) 0,05 (V) 0,12 (V)
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Valores para la experiencia: o
Intensidad de corriente del sistema
0,28 () → 305( ⁄) 1,9 () → o
= 2069,64( ⁄)
Sobrepotencial anódico
0,01 () → 305 ( ⁄) ƞ () → 2069,64( ⁄ ) ó
o
= 0,0679 ()
ƞ ó
= 0,3393 ()
Sobrepotencial catódico
0,05 () → 305 ( ⁄) ƞ () → 2069,64( ⁄) ó
o
ƞ ó
Caída de potencial
0,12 () → 305 ( ⁄) ∙ () → 2069,64( ⁄)
∙ = 0,8143 ()
Reemplazando: ∆E= ∆Eth+ ƞcatódico +ƞanódico ∆E=0 + 0,3393 + 0,0679 = 0,4072 (V)
Finalmente: Pérdidas sistema =
−∆−∙
Pérdidas sistema= 1,9 – 0,4072 – 0,8143 = 0,6785 (V)
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