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UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA METALURGICA
Y CIENCIA DE MATERIALES
CINETICA DE PROCESOS EN METALURGIA Y MATERIALES
MET - 2330
PRACTICA DE LABORATORIO N° 1
CINETICA DE LA ADSORCION DE ORO SOBRE CARBON ACTIVADO
HAGA PILLAJO WILMER ADRIAN
MARZO, 2015
CINETICA DE LA ADSORCION DE ORO SOBRE CARBON ACTIVADO
RESUMEN
En el presente trabajo se estudió la cinética de adsorción de oro sobre carbón activado a nivel de laboratorio a través de pruebas batch en un agitador magnético a una temperatura ambiente (15°C) y a 300 rpm, a partir de una solución cianurada de Au, con el objeto de evaluar modelos empíricos, ajustando las ecuaciones propuestas a los resultados experimentales.
Se determinó que el modelos de primer orden se ajustó mejor a los datos experimentales, dando como resultado una constante de velocidad de adsorción k = 6.91mlmin*gr, además se pudo determinar la ecuación cinética: r=6.91*CS 1, concluyendo finalmente que es posible determinar los parámetros involucrados en esta prueba experimental y ajustar los datos a un modelo, que luego será útil para el diseño de un reactor industrial.
CINETICA DE LA ADSORCION DE ORO SOBRE CARBON ACTIVADO
INDICE
Pag
RESUMEN i
INTRODUCCION 1
OBJETIVOS 2
FUNDAMENTO TEORICO 3
CARBON ACTIVADO 3
TIPOS DE CARBON ACTIVADO 3
ADSORCIÓN DE ORO SOBRE CARBÓN ACTIVADO 3
USOS DEL CARBON ACTIVADO EN METALURGIA 4
PRECIPITACIÓN CON CARBÓN ACTIVADO 4
PROCESO CIP, CIL, CIC 4
DEDUCCION DE LAS ECUACIONES CINETICAS 4
EXPERIMENTACION 6
DISEÑO EXPERIMENTAL 6
EQUIPO Y MATERIALES 6
PROCEDIMIENTO 7
RESULTADOS 7
DISCUSION DE RESULTADOS 7
CONCLUSIONES 7
BIBLIOGRAFIA 7
APENDICE 8
CINETICA DE LA ADSORCION DE ORO SOBRE CARBON ACTIVADO
INTRODUCCION
El uso de los materiales de carbón se pierde la historia, de forma que es prácticamente imposible determinar con exactitud cuando el hombre comenzó a utilizarlos. Lo cierto es que antes del uso de lo que en la actualidad denominamos carbones activos, es decir carbones con una estructura porosa altamente desarrollada, ya se emplearon como adsorbentes el carbón vegetal, o simplemente maderas parcialmente desvolatilizadas o quemadas.
Los primeros usos del estos primitivos carbones activos, generalmente preparados a partir de madera carbonizada (carbón vegetal), parecen haber tenido aplicaciones médicas. Así, en Tebas (Grecia) se halló un papiro que data del año 1550 a.C. en el que se describe el uso de carbón vegetal como adsorbente para determinadas prácticas médicas. Con posterioridad, en el año 400 a.C., Hipócrates recomienda filtrar el agua con carbón vegetal para eliminar malos olores y sabores y para prevenir enfermedades. En relación al tratamiento del agua con carbón activo, se sabe que ya 450 años a.C. en los barcos fenicios se almacenaba el agua para beber en barriles con la madera parcialmente carbonizada por su cara interna. Esta práctica se continuó hasta el siglo XVIII como medio para prolongar el suministro de agua en los viajes transoceánicos. Sin embargo, la primera aplicación documentada del uso de carbón activo en fase gas no tiene lugar hasta el año 1793, cuando el Dr. D.M. Kehl utiliza el carbón vegetal para mitigar los olores emanados por la gangrena. El mismo doctor también recomienda filtrar el agua con carbón vegetal.
La primera aplicación industrial del carbón activo tuvo lugar en 1794, en Inglaterra, utilizándose como agente decolorante en la industria del azúcar. Esta aplicación permaneció en secreto por 18 años hasta que en 1812 apareció la primera patente. En 1854 tiene lugar la primera aplicación a gran escala del carbón activo en fase gas, cuando el alcalde de Londres ordena instalar filtros de carbón vegetal en los sistemas de ventilación de las cloacas. En 1872 aparecen las primeras máscaras con filtros de carbón activo utilizadas en la industria química para evitar la inhalación de vapores de mercurio.
Sin embargo el término adsorción no fue utilizado hasta 1881 por Kayser para describir como los carbonizados atrapaban los gases. Aproximadamente por estas fechas R. von Ostrejko, considerado el inventor del carbón activo, desarrolla varios métodos para producir carbón activo tal y como se conoce en nuestros días, más allá de simples carbonizados de materiales orgánicos o del carbón vegetal. Así, en 1901 patentó dos métodos diferentes para producir carbón activo. El primero consistía en la carbonización de materiales lignocelulósicos con cloruros de metales; lo cual resulto la base de lo que hoy en día es la activación química. En el segundo, proponía una gasificación suave de materiales previamente carbonizados con vapor de agua o CO2; es decir una activación física, o más correctamente térmica.
La Primera Guerra Mundial, y el uso de agentes químicos durante esta contienda, trajeron como consecuencia la necesidad urgente de desarrollar filtros de carbón activo para máscaras de gas. Sin duda este acontecimiento fue el punto de partida para el desarrollo de la industria de carbón activo y de un buen número de carbones activos usados no solo en la adsorción de gases tóxicos sino en la potabilización de agua. A partir de este momento tuvo lugar el desarrollo de multitud de carbones activos para las aplicaciones más diversas: depuración de gases y aguas, aplicaciones médicas, soporte de catalizadores, etc.
OBJETIVOS
Proponer dos ecuaciones que describan la cinética de la adsorción de oro sobre carbón activado.
Estimar los parámetros de los modelos propuestos y determinar a cual se ajusta mejor a los datos experimentales.
FUNDAMENTO TEORICO
CARBON ACTIVADO
El carbón activado, o carbón activo, es un material de carbón poroso. Un material carbonizado que se ha sometido, a reacción con gases oxidantes (como CO2 o aire), o con vapor de agua; o bien a un tratamiento con adición de productos químicos como el H3PO4, durante (o después) de un proceso de carbonización, con el objeto de aumentar su porosidad. Los carbones activados poseen una capacidad de adsorción elevada y se utilizan para la purificación de líquidos y gases. Mediante el control adecuado de los procesos de carbonización y activación se puede obtener una gran variedad de carbones activados que posean diferentes distribuciones de tamaño de poros.
TIPOS DE CARBON ACTIVADO
Los carbones activos pueden clasificarse atendiendo al tamaño de las partículas en carbón activado en polvo (CAP) y carbón activado granular (CAG). Los CAP presentan tamaños menores de 100 m, siendo los tamaños típicos entre 15 y 25 mm. Los CAG presentan un tamaño medio de partícula entre 1 y 5 mm. Los CAG pueden dividirse en dos categorías: (i) carbón activado troceado (o sin forma) y (ii) carbón activado conformado (o con una forma específica, cilindros, discos, etc.). Los carbones activados troceados se obtienen por molienda, tamizado y clasificación de briquetas de carbón o de trozos más grandes. Los carbones conformados pueden obtenerse por peletización o por extrusión de carbón en polvo mezclado con distintos tipos de aglomerantes. Existen además otras formas de adsorbentes de carbón, como las fibras de carbón activadas, las telas y los fieltros de carbón activado, las estructuras monolíticas, las membranas de carbón, etc.
ADSORCIÓN DE ORO SOBRE CARBÓN ACTIVADO
La cinética de adsorción de oro en carbón activado ha sido extensamente investigada y se han propuesto numerosos modelos al respecto. La validez de estos modelos fue evaluada midiendo la concentración de oro en la solución y en el carbón.
Los modelos cinéticos generalmente pueden ser clasificados como empíricos, fenomenológicos o una combinación de los dos. En el primer caso, se ajustan los datos experimentales a una forma funcional simple, que no necesita tener una base teórica. Los modelos fenomenológicos, por otro lado, toman conceptos fisicoquímicos detallados para describir el proceso. Sin embargo, esto puede llevar a modelos complejos que pueden ser difíciles de aplicar en la práctica.
Las moléculas a partir de la fase del gas o del líquido serán unidas de una manera física a una superficie, en este caso la superficie es de carbón activo. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos:
Macro transporte : El movimiento del material orgánico a través del sistema del macro-poros del carbón activo (macro-poros > 50nm)
Micro transporte : El movimiento del material orgánico a través del sistema del micro-poros del carbón activo (microporo < 2nm; meso-poro 2-50nm)
Absorción: La adhesión física del material orgánico en la superficie del carbón activo en los meso-poros y micro-poros del carbón activo
USOS DEL CARBON ACTIVADO EN METALURGIA
PRECIPITACIÓN CON CARBÓN ACTIVADO
Los carbones activados se utilizan por su estructura granular, los que tienen una gran superficie específica, las que permiten un alto grado de adsorción del oro y la plata, desde las soluciones cianuradas ricas a la superficie de estos carbones. A nivel industrial el método de adsorción por carbón activado es él más usado.
El carbón activado se fabrica a partir de la corteza del coco debido a su dureza lo que lo hace más resistente a la abrasión y la rotura, adema su capacidad de adsorción es mayor que otros carbones activados fabricados a partir de otros materiales.
En estas operaciones se hacen pasar las soluciones que percolan de las pilas de lixiviación, por 5 o 6 columnas, las que en su interior contienen el carbón activado.
Las columnas en contacto con las soluciones cianuradas son periódicamente rotadas para tener un mayor aprovechamiento de la capacidad de adsorción del carbón.
La alimentación de las columnas se hace en contracorriente las que mantienen las partículas de carbón en suspensión evitando que el lecho se compacte
La cantidad de oro que puede cargar un carbón activado depende de la cantidad de cianuro libre que haya en la solución, las impurezas y del pH de la solución, como así también del tiempo de contacto o dicho de otra forma del flujo de alimentación.
La primera columna que se contacta con la solución es retirada periódicamente y rotadas las restantes, agregándose al final una nueva columna con carbón descargado.
El oro adsorbido sobre el carbón activado es extraído del mismo, mediante una solución alcalina de sulfato de sodio o bien una solución cianurada en caliente.
El oro que contendrá esta última solución cianurada, se puede recuperar mediante electrólisis y luego purificarlo (refinado).
Al carbón descargado, se le realiza un proceso de reactivación, el que consiste en eliminar los carbonatos y sílice presente, mediante el lavado con solución de ácido nítrico diluido en caliente y soda cáustica, para luego someterlo a una etapa de reactivación en un horno elevando su temperatura entre los 600 Cº y los 650 Cº, durante treinta minutos en una atmósfera pobre en oxígeno, a fin de eliminar las materias orgánicas contaminantes sin producir una combustión
PROCESO CIP, CIL, CIC
Proceso CIP (Carbón en pulpa):
El proceso CIP (carbón in pulp), que fuera desarrollado en Sud África en la década del 70, es considerado el avance tecnológico más significativo de los últimos tiempos en cuanto a métodos aplicados a la recuperación de oro. En este, es utilizado el carbón activado para adsorber el oro directamente de la pulpa cianurada, a medida que se va disolviendo o pasando a solución. La pulpa se agita en tanques de gran tamaño y fluye en forma continua desde el principio al último de la serie, mientras que el carbón lo hace en la dirección opuesta (en contra-corriente), en forma discontinua y mediante la utilización de un air lifth. Una tela de abertura apropiada se ubica en la dirección del flujo de la pulpa entre los tanques a fin de limitar el paso del carbón de un tanque a otro, en el sentido de la corriente. El oro en solución es adsorbido por el carbón, resultando finalmente la pulpa totalmente lixiviada, y la solución prácticamente con rastros de oro. En este caso no es necesario el espesado y filtrado de la pulpa como en el proceso CCD. Por último el carbón cargado es desadsorbido, mediante un lavado con una solución cianurada y fuertemente alcalina, y luego el oro es recuperado de la elusión por electrólisis.
Proceso CIL (Carbón en lixiviación):
Técnica de recuperación de oro disuelto desde mineral que ha pasado por la molienda y la lixiviación por agitación en que se introduce carbono activado directamente en los tanques de lixiviación.
Proceso CIC (Carbón en columna):
Técnica de recuperación del oro a partir de columnas de lixiviación en el que se hace pasar el carbón en contracorriente para la adsorción del oro
DEDUCCION DE LAS ECUACIONES CINETICAS
Se tiene:
dCCdt=k*CSn 1
Dónde:
CC = Concentración de Au en carbón.
CS = Concentración de Au en solución.
Realizando un balance:
Oro ganado en el carbon=Oro perdido en solucion
mC*CC-CCo=VS*CSo-CS 2
Verificando unidades de la ec. (2):
Kg C*mg AuKg C=Lt Sol.*mg AuLt Sol.
Derivando (2):
mC*dCCdt=-VS*dCSdt
dCCdt=-VSmC*dCSdt 3
Reemplazando (3) en (1):
-VSmC*dCSdt=k*CSn
dCSdt=-mCVS*k*CSn (4)
Dónde:
mC = Masa de carbón.
VS = Volumen de la solución.
Deducción de ecuaciones cinéticas de primer y segundo grado:
Para n=1:
Integrando (4):
CSoCSdCSCS=-mCVS*k*0tdt
Ln CS "CSoCS=-mCVS*k*t
Ln CSCSo=-mCVS*k*t (5)
y = m * x
Se grafica Ln CSCSo vs t, y se determina n si se ajusta a una recta y k de la pendiente.
Figura 1.- Ln CSCSo vs t
Para n=2:
Integrando (4):
CSoCSdCSCS2=-mCVS*k*0tdt
1CSo-1CS=-mCVS*k*t (6)
y = m * x
Se grafica 1CSo-1CS vs t, y se determina n si se ajusta a una recta y k de la pendiente.
Figura 1.- 1CSo-1CS vs t
EXPERIMENTACION
DISEÑO ESPERIMENTAL
Figura 3.- Esquema del equipo experimental
EQUIPO Y MATERIALES
Agitador magnético.
Vaso de precipitación.
6 frascos plásticos.
Pipeta.
Carbón activado, mC = 2.5 gr.
Solución de Au(CN)-2, VS = 250ml (5 mg Au/Lt)
PROCEDIMIENTO
Primeramente se pesa 2.5gr de carbón activado y se mide 250 ml de Au(CN)-2.
Se coloca la solución en un vaso de precipitación, y luego levar al agitador magnético y regular a 300 rpm.
Añadir el carbón activado en el vaso con la solución y tomar la muestra cero de 5ml.
Cronometrar 5 minutos y tomar la siguiente muestra de 5ml, así sucesivamente para 10, 15, 30 y 45 minutos.
Tabular los resultados.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos son:
Orden de la reacción, n = 1
Constante de velocidad de reacción, k = 6.91mlmin*gr
Ecuación cinética: r=6.91*CS 1 (7)
DISCUSION DE RESULTADOS
Según los resultados obtenidos, se determinó que los datos experimentales se ajustan a una ecuación cinética de primer orden (n=1), ya que la constante de regresión lineal r2 = 0.9996, mientras que para el orden dos, r2 = 0.8765, demostrando así que no se ajustan a una ecuación cinética de segundo orden.
Según los datos experimentales, se puede observar que a mayor tiempo, la adsorción es mayor, ya que la concentración de la solución de Au disminuye en gran proporción.
CONCLUSIONES
Se concluye que se determinó dos ecuaciones que describen la cinética de adsorción de oro sobre carbón activado, las cuales son, la ecuación (4) y (7).
También se concluye que el modelo que mejor se ajusta a los datos experimentales es el de orden uno (ec. 5), donde se determinó una constante de velocidad de adsorción k = 6.91mlmin*gr.
BIBLIOGRAFIA
Balderrama F., Guía de Laboratorio de Cinética de Procesos en Metalurgia y Materiales, 2015.
Jackson E., Extracción y recuperación Hidrometalúrgica,
APENDICE
Resultados experimentales:
Condiciones
Prueba A
Tiempo (min)
CS (mg Au/Lt)
Masa de carbón
2.5 gr
0
4.97
Volumen de solución
250 ml
5
3.53
Ley de solución
5 mg Au/Lt
10
2.41
Temperatura
Ambiente (15°C)
15
1.67
Velocidad de agitación
300 rpm
30
0.62
Volumen de muestra
5 ml
45
0.22
CALCULOS: Determinación del orden de la reacción:
Para n=1:
Con la ec. (5):
Ln CSCSo=-mCVS*k*t
Se nota que se ajusta mejor:
r2=0.9996
Entonces:
n=1
Pendiente=-mCVS*k=-0.06911min
k=0.0691*VSmC=0.06911min*250 ml2.5 gr=6.91mlmin*gr
La ecuación cinética:
Reemplazando k en (1):
dCCdt=r=6.91*CS1
Para n=2:
Con la ec. (6):
1CSo-1CS=-mCVS*k*t
Se nota que se no se ajusta:
r2=0.8765
Entonces:
n 2
