INSTITUTO PROFESIONAL INACAP INGENIERÍA EN METALURGIA
PORTAFOLIO FISICOQUIMICA II
DIEGO ENOC SANDOVAL SAAVEDRA
Profesor: Sra. Marlene Bou Bou. Asignatura: Fisicoquímica Metalúrgica II
Santiago de Chile. 2!"
Índice #iagrama #e Fases #el Agua...................................... Agua................................................................. ....................................................... ............................ ! $stados #el A%ufre &Fases'............................................. &Fases'........................................................................ .................................................... ......................... 2 (i)os #e *ornos #e Fusion................................................... Fusion.......................................................................................... ....................................... ...... 2 +e,er-ero........................................................................................................................ Fusi/n Flash............................................ Flash....................................................................... ........................................................................ ............................................. *orno Flash 0uto1um)u.................................................................... 0uto1um)u.................................................................................................. .............................. *orno Flash Inco............................................................................................................. Fusi/n Conto).................................................................................................................3 Con,ertidor (eniente...................... (eniente................................................. ...................................................... ....................................................... ............................ 3 +eactor 4oranda.............................................................................................................3 Con,ertidor Peirce5Smith............................................. Peirce5Smith........................................................................ .................................................... ......................... " Con,ertidor *o-o1en............................................. *o-o1en........................................................................ .......................................................... ............................... 6 Con,ertidor Continuo............................................. Continuo........................................................................ .......................................................... ............................... 6 Proceso Mitsu-ishi........................................... Mitsu-ishi...................................................................... ...................................................... ..................................... .......... 6 Con,ersi/n Flash 0uto1um)u.........................................................................................6 Fases (ernarias (ernarias &$scorias'............................................ &$scorias'....................................................................... ...................................................... ........................... 7 #iagramas #e Fases #el Sistema Cao5Feo5Sio2............................................................ Cao5Feo5Sio2............................................................ 8 Perdidas #e Co-re $n $scoria.............................................. $scoria......................................................................... ............................................ .................! ! $scorias #e +e,er-eros....................................................................... +e,er-eros................................................................................................ ......................... ! $scorias #e *orno Flash.......................................................... Flash....................................................................................... ............................. ........ !! $scorias #e Con,ertidor.............................................................. Con,ertidor........................................................................................ .......................... ........ !!
Índice #iagrama #e Fases #el Agua...................................... Agua................................................................. ....................................................... ............................ ! $stados #el A%ufre &Fases'............................................. &Fases'........................................................................ .................................................... ......................... 2 (i)os #e *ornos #e Fusion................................................... Fusion.......................................................................................... ....................................... ...... 2 +e,er-ero........................................................................................................................ Fusi/n Flash............................................ Flash....................................................................... ........................................................................ ............................................. *orno Flash 0uto1um)u.................................................................... 0uto1um)u.................................................................................................. .............................. *orno Flash Inco............................................................................................................. Fusi/n Conto).................................................................................................................3 Con,ertidor (eniente...................... (eniente................................................. ...................................................... ....................................................... ............................ 3 +eactor 4oranda.............................................................................................................3 Con,ertidor Peirce5Smith............................................. Peirce5Smith........................................................................ .................................................... ......................... " Con,ertidor *o-o1en............................................. *o-o1en........................................................................ .......................................................... ............................... 6 Con,ertidor Continuo............................................. Continuo........................................................................ .......................................................... ............................... 6 Proceso Mitsu-ishi........................................... Mitsu-ishi...................................................................... ...................................................... ..................................... .......... 6 Con,ersi/n Flash 0uto1um)u.........................................................................................6 Fases (ernarias (ernarias &$scorias'............................................ &$scorias'....................................................................... ...................................................... ........................... 7 #iagramas #e Fases #el Sistema Cao5Feo5Sio2............................................................ Cao5Feo5Sio2............................................................ 8 Perdidas #e Co-re $n $scoria.............................................. $scoria......................................................................... ............................................ .................! ! $scorias #e +e,er-eros....................................................................... +e,er-eros................................................................................................ ......................... ! $scorias #e *orno Flash.......................................................... Flash....................................................................................... ............................. ........ !! $scorias #e Con,ertidor.............................................................. Con,ertidor........................................................................................ .......................... ........ !!
+efinerías Metalúrgicas.......................................... Metalúrgicas..................................................................... ........................................................... ................................ !! Sustancia Com)le9a..........................................................................................................!2 Clasificacion $scorias.......................................................................................................!2 $scorias 0idantes.............................................. 0idantes......................................................................... .......................................................... ............................... !2 $scorias +eductoras.............................................. +eductoras......................................................................... ........................................................!2 .............................!2 $structura Fa;alita............................................................................................................! Isotermas #e Fases Inmisci-les........................................................... Inmisci-les........................................................................................! .............................! r?fico #e Mcca-e5(hiele.......................................... Mcca-e5(hiele..................................................................... ....................................................... ............................ 2! #ifusi/n.............................................................................................................................22 $sta-ilidad #e =os @tomos....................................................... @tomos.................................................................................. ..................................... .......... 22 Mecanismos #e #ifusi/n............................................... #ifusi/n............................................................................................... ................................................ 22
$nergía #e Acti,aci/n....................................................................................................2 =e; #e Fic1....................................................................................................................... 2 Proceso #e #ifusi/n $n =a Metalurgia..............................................................................2 Fisicoquímica $n =a Flotaci/n...........................................................................................23 Fase >aseosa:..............................................................................................................2" Fase =iquida:................................................................................................................. 2" Fase Solida:................................................................................................................... 2" Se)araci/n Selecci/n....................................................................................................26 Fenomenos Su)erficiales #e =a Interface.........................................................................26 (ensi/n Su)erficial.........................................................................................................26 Su)erficie #e S/lidos....................................................................................................27 Adsorci/n....................................................................................................................... 27 Fen/menos Su)erficiales.................................................................................................. 28 Interface =íquida................................................................................................................28 (ensi/n Su)erficial:........................................................................................................28 Interfases Cur,as:.......................................................................................................... 28 Sistemas Multicom)onentes:............................................................................................. Interfase Solida.................................................................................................................
Índice de Ilustracines! ILUSTRACIÓN 1 DIAGRAMA DE FASES
DEL AGUA.................................................................1
ILUSTRACIÓN 2 DIAGRAMA DE FASES
DEL AZUFRE..............................................................2
ILUSTRACIÓN 3 TETRAEDRO SIO4-, (A) VISTA RETIRADO ! (C)
VISTA
SUPERIOR , (B)
ÁTOMO
DE OIGENO SUPERIOR
LATERAL..................................................................................8
ILUSTRACIÓN 4 (A) ESTRUCTURA
DE S"LICE SÓLIDA , (B) S"LICE FUNDIDA.............................9
ILUSTRACIÓN # SISTEMA TERNARIO CAO-FEO-SIO2........................................................10 ILUSTRACIÓN $ ESTRUCTURA
DE LA FA!ALITA................................................................... 13
ILUSTRACIÓN % FIGURA GENERAL
DE LA DISTRIBUCION.....................................................15
ILUSTRACIÓN & ETRACCIÓN ! RE-ETRACCIÓN ................................................................15 ILUSTRACIÓN ' DIFUSIÓN POR VACANCIA.........................................................................23 ILUSTRACIÓN 1 DIFUSIÓN INTERSTICIAL .........................................................................23 ILUSTRACIÓN 11 REPRESENTACIÓN GRÁFICA
DE ENERG"A DE ACTIVACIÓN PARA LA DIFUSIÓN.
............................................................................................................................... 23
ILUSTRACIÓN 12 CELDA DE FLOTACIÓN ............................................................................25 ILUSTRACIÓN 13 POLARIDAD DEL AGUA...........................................................................26 ILUSTRACIÓN 14 SEPARACIÓN
EN LA FETACIÓN.................................................................27
DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA $n termodin?mica se denomina diagrama de fase a la re)resentaci/n de las fronteras entre diferentes estados de la materia en funci/n de ciertas ,aria-les. Por e9em)lo el diagrama de fase del agua muestra las fronteras de transici/n entre los estados: solido &hielo' liquido &Agua líquida' ; gaseoso &,a)or de agua' en funci/n de la tem)eratura ; la )resi/n.
Ilustración 1 Diagrama de Fases del Agua.
$n condiciones normales se )uede encontrar que el agua se congela a los C ; e,a)ora a ! C &o-ser,?ndose en la condici/n de una atmosfera en el gr?fico'. Pero si se logra disminuir la )resi/n lo suficiente se )uede o-ser,ar que el hielo )asa a ,a)or directamente o a cualquiera de estos estados en un )unto es)ecífico &)unto tri)le'. (am-iDn se )uede o-ser,ar el )unto crítico a )artir de este )unto la materia )osee cualidades entre el líquido ; el gas.
!
ESTADOS DEL A"UFRE #FASES$
Ilustración 2 Diagrama de Fases del Azufre.
TIPOS DE %ORNOS DE FUSION =os )rocesos de fusi/n en general se clasifican como fusi/n en el -aEo &-ath smelting' ; fusi/n flash. $n el )rimero gru)o est?n aquellos en que el concentrado se funde agreg?ndolo o in;ect?ndolo a un -aEo fundido mientras que en el segundo el concentrado se sus)ende en gas oidante ocurriendo fusi/n ; con,ersi/n )arcial al mismo tiem)o. Adem?s se )uede clasificar como hornos de fusi/n )or calentamiento de la carga en forma directa aquellos que no funden ni en el -aEo ni en sus)ensi/n de gas oidante sino que utili%an un com-usti-le &como )etr/leo' )ara a)ortar el calor necesario )ara la fusi/n del concentrado.
$ntre las )rinci)ales unidades utili%adas )ara la fusi/n ; con,ersi/n de concentrados de co-re se )ueden mencionar los siguientes equi)os: 2
• • • • • • •
*ornos +e,er-ero &fusi/n )or calentamiento' *ornos de fusi/n )or oidaci/n *ornos Flash &fusi/n flash' Con,ertidor (eniente &fusi/n en el -aEo' +eactor 4oranda &fusi/n en el -aEo' *ornos de Con,ersi/n Con,ertidores Peirce Smith
$isten muchos otros menos utili%ados )ero que en tDrminos generales hacen uso de las mismas características de los equi)os anteriormente indicados. $ntre ellos se )ueden mencionar: • •
Fusi/n C04(0P &fusi/n flash' *ornos de Con,ersi/n *o-o1en Ins)iration ; Mitsu-ishi
REVER&ERO $l horno re,er-ero es un horno de fusi/n )or calentamiento directo. $ste horno usa como fuente de calentamiento com-usti-les f/siles &)etr/leo' )ara fundir concentrados ; )roducir mata ; escoria fundida m?s un tercer )roducto que es la generaci/n de gases. $l gas efluente &!.23 C' del )roceso se genera )rinci)almente de la com-usti/n de hidrocar-uros con aire )ero tam-iDn contiene S02 &3 a 2G en ,olumen' )ro,eniente de la oidaci/n de )arte de la carga de a%ufre &el a%ufre )irítico'. =os gases arrastran )ol,o )rinci)almente )artículas finas de concentrado &! G de la carga'. $l gas del horno re,er-ero re)resenta un serio )ro-lema de contaminaci/n )orque los gases est?n mu; diluidos ; la remoci/n de S02 desde estos gases es difícil ; cara lo cual ha transformado a este horno inadecuado desde el )unto de ,ista am-iental en muchas )artes del mundo.
FUSI'N FLAS% $l )roceso de fusi/n flash consiste esencialmente en oidar un flu9o de concentrado seco que contiene )rinci)almente Cu5Fe5S en una corriente de aire enriquecido con oígeno &aire con m?s de 2!G de 02'. =a oidaci/n se lle,a a ca-o en el interior de una c?mara cilíndrica ,ertical llamada torre de reacci/n en donde el concentrado seco ; el aire enriquecido son in;ectados )or un quemador u-icado en la )arte su)erior de la torre. A medida que la sus)ensi/n gas5s/lido sale del quemador ; flu;e hacia a-a9o )or la torre de reacci/n las )artículas s/lidas se calientan )or con,ecci/n desde el gas que las rodea ; )or radiaci/n desde las )aredes de la torre hasta que alcan%an una tem)eratura a la cual la reacci/n de oidaci/n de las )artículas genera m?s calor que el que se )uede disi)ar al am-iente. $sta tem)eratura es llamada de ignici/n ; ,aría entre ; 33 C. Finalmente las )artículas alcan%an una tem)eratura a la cual la tasa de calor generado )or la oidaci/n iguala a la disi)aci/n )or con,ecci/n ; )or radiaci/n hacia el am-iente. #urante esta eta)a las )artículas se funden con,irtiDndose en )equeEas gotas. $l )roducto final de la torre es )rinci)almente una me%cla heterogDnea de sulfuros de co-re fundido &Cu2S' sulfuros de hierro &FeS' magnetita &Fe0' sílice &Si02' ; ganga los
que se se)aran en dos fases en la %ona llamada de asentamiento o settler formando la escoria el e9e ; los gases. +esumiendo los )roductos del )roceso
%ORNO FLAS% OUTO(UMPU $l )roceso de fusi/n flash 0uto1um)u com-ina las o)eraciones con,encionales de tostaci/n fusi/n ; con,ersi/n en un solo )roceso. Se em)lea aire )recalentado enriquecido con oígeno )ara )ro,eer el calor necesario tal que no se requiera com-usti-le adicional )ara las reacciones que )roceden. $l gasto de com-usti-le )ro,iene del secado del concentrado ; es de unos 7 1g de )etr/leo )or tonelada de concentrado o sea la fusi/n )odría llegar a ser aut/gena es decir no requeriría calor adicional siem)re que se )recaliente el aire o en ,e% de usar aire se use aire enriquecido u oígeno )uro. $l co-re )erdido en la escoria es recu)erado en unidades de lim)ie%a ; recirculado a la o)eraci/n. =a escoria lim)ia es de)ositada en un escorial. $l calor ; los )ol,os de los gases son recu)erados desde los gases de salida )roduciendo )ol,o que se recicla al horno ; gases S02 )ara la )roducci/n de ?cido sulfúrico. =a mata es tratada en con,ertidores con,encionales )ara o-tener co-re -lister.
%ORNO FLAS% INCO =a fusi/n flash Inco consiste en el so)lado de oígeno industrial ; concentrado Cu5Fe5S seco hori%ontalmente dentro de un crisol caliente &!3H'.
ases de salida con 6 a 7G en ,olumen de S02.
4o se em)lean com-usti-les f/siles. (odo el calor necesario )ara fundir )ro,iene de la oidaci/n del Fe ; S contenidos en el concentrado. =a mata es ,aciada dentro de ollas ; en,iada a los con,ertidores la escoria tam-iDn es ,aciada en ollas ; trasladada a un escorial los gases de salida son lim)iados de su material )artículado ; en,iados a una )lanta de ?cido sulfúrico o S02 líquido. $l horno es -?sicamente una estructura de refractarios de Cr205Mg0 cu-ierta )or acero de ! cm de es)esor. $l crisol es un arco in,ertido hecho de ladrillos de Mg0 &altamente resistentes al fuego' las )aredes son de ladrillos resistentes al fuego de Cr205Mg0 ; el techo es un arco de refractarios de Cr205Mg0 con una a-ertura de aire de !3 cm entre el refractario ; la cu-ierta de acero. $n los hornos m?s nue,os los ladrillos del techo u-icado cerca de la salida de gases est?n sus)endidos en un arco so-re el horno. $l horno es -?sicamente una estructura de refractarios de Cr205Mg0 cu-ierta )or acero de ! cm de es)esor. $l crisol es un arco in,ertido hecho de ladrillos de Mg0 &altamente resistentes al fuego' las )aredes son de ladrillos resistentes al fuego de Cr205Mg0 ; el techo es un arco de refractarios de Cr205Mg0 con una a-ertura de aire de !3 cm entre
el refractario ; la cu-ierta de acero. $n los hornos m?s nue,os los ladrillos del techo u-icado cerca de la salida de gases est?n sus)endidos en un arco so-re el horno.
FUSI'N CONTOP Al igual que en el horno flash en oidar un flu9o seco de concentrado en una corriente de aire enriquecido con oígeno. =a entrada al horno se reali%a tangencialmente siguiendo el material una tra;ectoria helicoidal similar a un cicl/n clasificador de molienda. $sta tra;ectoria )ermite al oígeno ; al concentrado tener el tiem)o suficiente )ara reaccionar entre si )roduciDndose calentamiento ; fusi/n. $l material fundido cae )osteriormente a una c?mara de asentamiento rectangular &similar a un horno re,er-ero' en donde se se)ara el e9e de la escoria. #e-ido a que la fusi/n se reali%a en el interior del cicl/n eiste un arrastre mu; )equeEo de )artículas de concentrado como )ol,o siendo las )Drdidas )or este conce)to )equeEas.
CONVERTIDOR TENIENTE $l con,ertidor (eniente es una tecnología desarrollada en la fundici/n de Caletones de Codelco5Chile. $st? clasificado como un )roceso de fusi/n en el -aEo con uso etensi,o de oígeno. =as )otencialidades de esta tecnología est?n -asadas en su alto ni,el de fusi/n aut/gena de concentrados de co-re una gran ca)acidad de con,ersi/n ; una alta ; esta-le concentraci/n de S02 en los gases de salida con un -a9o arrastre de material )articulado. Conce)tualmente el )roceso en con,ertidor (eniente im)lica el uso del calor generado )or la oidaci/n de la mata )ara fundir el concentrado húmedo &6 J 7G *20'. Ba9o esta condici/n de o)eraci/n con,encional una )arte im)ortante del calor generado )or la con,ersi/n del e9e se )ierde )ues se usa en calentar ; e,a)orar el agua contenida en le concentrado desde la tem)eratura am-iente hasta !2C la cual es la tem)eratura de los gases de salida )or la -oca del reactor. $sta consideraci/n indu9o el uso de concentrado seco en la alimentaci/n. Alimentando concentrado seco controlando la com)osici/n mineral/gica del concentrado &o me%clas' controlando el flu9o de aire ; su enriquecimiento de oígeno es )osi-le o)erar de modo esta-le el con,ertidor teniente sin el requerimiento de e9e )ro,eniente de la unidad de fusi/n. Sin em-argo es necesario tener un sistema de alimentaci/n de concentrado seco al reactor )ara e,itar las )Drdidas de )ol,o arrastrado )or el reactor en los gases de salida. Por esta ra%/n se fa-ric/ un sistema de trans)orte neum?tico con un diseEo es)ecial de to-eras intercaladas entre las to-eras de so)lado de aire. $l sistema de alimentaci/n de concentrado consta de equi)os de dosificaci/n -om-as neum?ticas tu-erías un di,isor ; un diseEo es)ecial de in;ecci/n )or to-eras. $sto es la a)licaci/n de la fusi/n sumergida de concentrados.
REACTOR NORANDA $l reactor 4oranda es uno de los m?s im)ortantes )rocesos continuos usando una de las tecnologías m?s im)ortantes en el mundo. $l reactor de forma cilíndrica tiene 3.2 m de di?metro ; 2!. m de largo cu;a tem)eratura interna alcan%a los !23C. =os 3
concentrados de co-re fundentes ; car-/n que se usa como com-usti-le se alimentan mediante una correa u-icada en la )arte su)erior. Adem?s se in;ecta aire enriquecido en oígeno a tra,Ds de 3 to-eras sumergidas u-icadas en la )arte inferior del cilindro. $l flu9o de so)lado es relati,amente alto &38 a 6" 4m Khora' )roduciDndose un ecelente me%clado del e9e líquido este com)ortamiento es homogDneo en casi todo el largo del reactor. $l efecto del alto so)lado con una adecuada alimentaci/n de concentrado )or la correa su)erior )ermite la r?)ida digesti/n ; oidaci/n de este dentro del -aEo. =a ma;oría del calor requerido se o-tiene de la oidaci/n del hierro ; a%ufre. $l flu9o de adici/n de car-/n est? determinado )or la com)osici/n ; flu9o de alimentaci/n ; )or el enriquecimiento de oígeno de aire de so)lado. Se ha alcan%ado la o)eraci/n )or horas sin el uso de car-/n o gas natural. Sin em-argo el car-/n se em)lea )ara me9orar la ca)acidad del reactor fundiendo materiales con menor )oder calorífico.
CONVERTIDOR PEIRCE)SMIT% $l con,ertidor m?s usado ho; en día )ara tratar e9e es el Peirce5Smith que tiene forma de -arril. =os con,ertidores est?n construidos con una carcasa de acero de a 3 cm de es)esor re,estidos con .3 a .3 m de refractario -?sico )rinci)almente Mg05Cr20. $l )roceso de con,ersi/n requiere que el refractario de-a estar en contacto tanto con sulfuros de co-re5hierro como con escorias /ido de hierro5sílice. =os refractarios -asados en magnesita ; cromo satisfacen esta necesidad. $n la %ona de to-eras el refractario m?s común se fa-rica con 87G Mg0 con una -a9a ra%/n Ca0:Si02 el cual es calentado a !63C )ara desarrollar una es)inela &enlace directo' ; un ladrillo de -a9a )orosidad ; )ermea-ilidad con ecelente resistencia a las tem)eraturas de con,ersi/n. =a con,ersi/n de co-re en con,ertidores Peirce5Smith )roduce co-re -lister en un ciclo discontinuo de 7 a !2 horas usando de a 3 con,ertidores alineados dentro de la na,e de con,ersi/n. =a o)eraci/n de los con,ertidores se )lanifica de modo tal que no todos se estDn usando al mismo tiem)o ; de co-re en con,ertidores Peirce5Smith )roduce co-re -lister en un ciclo discontinuo de 7 a !2 horas usando de a 3 con,ertidores alineados dentro de la na,e de con,ersi/n. =a o)eraci/n de los con,ertidores se )lanifica de modo tal que no todos se estDn usando al mismo tiem)o ; los que est?n en la línea de o)eraci/n estDn en diferentes eta)as del ciclo de con,ersi/n. $ste ciclo se com)one de carguío de e9e al con,ertidor so)lado de oígeno a tra,Ds del -aEo fundido ,aciado de escoria ; finalmente el ,aciado de co-re -lister con lo que termina el ciclo. =os materiales son cargados ; descargados de cada con,ertidor usando grandes ollas ; trans)ort?ndolas con un )uente grúa. =os gases de salida de cada con,ertidor son ca)turados durante el so)lado )or una gran cam)ana eterna u-icada so-re la -oca conectada un sistema de ,entilaci/n común que los en,ía a la )lanta de ?cido sulfúrico. "
CONVERTIDOR %O&O(EN $l con,ertidor *o-o1en est? formado )or tres %onas )rinci)ales que a continuaci/n se descri-en:
CONVERTIDOR CONTINUO Para considerar la con,ersi/n continua se su)one que eisten tres fases líquidas: escoria e9e ; co-re -lister. $stas tres fases de-en )oder se)ararse. Para ello se de-e eaminar las densidades de las tres fases. =as densidades de la escoria e9e ; co-re decrecen con el aumento de la tem)eratura ; aumentan con el aumento del contenido de co-re.
PROCESO MITSU&IS%I $l )roceso Mitsu-ishi difiere de los mDtodos de fusi/n tradicional en que el e9e de alta le; )uede o-tenerse r?)idamente alcan%ando un "356G en )eso de co-re manteniendo un -a9o ni,el de )Drdidas de co-re en la escoria de descarte. $n la con,ersi/n se introduce un fundente de cali%a. $l fundente colecta la magnetita de modo m?s eficiente ; se genera un -a9o tonela9e de escoria de con,ersi/n la cual es f?cilmente enfriada ; granulada con agua ; reciclada al horno de fusi/n.
CONVERSI'N FLAS% OUTO(UMPU *o; en día alrededor del 3G del co-re )rimario se funde utili%ando la fusi/n Flash 0uto1um)u )ara fusi/n de e9es. =as ra%ones de este alto )orcenta9e son la facti-ilidad ; ha-ilidad del )roceso )ara controlar las emisiones gaseosas. $n la con,ersi/n flash se inclu;en todos los -eneficios de la fusi/n flash. =a con,ersi/n es en )rinci)io similar al )roceso de fusi/n ; algo m?s a,an%ada )ro,e;endo tecnologías que son usadas en am-os )rocesos. $l e9e de alta le; es directamente granulado desde el horno flash no siendo necesario trans)ortarlo en ollas. (anto la formaci/n de carga circulante como las emisiones en la atm/sfera de tra-a9o son -a9as. $l e9e granulado es almacenado antes de alimentarlo dentro del con,ertidor flash. =a ma;or diferencia entre fusi/n ; con,ersi/n flash es que en ,e% de usar le;es de concentrado relati,amente -a9os la oidaci/n )rocede en orden de con,ertir e9es de alta le; en co-re -lister. Como el material que se alimenta al con,ertidor flash esta constituido solo )or Cu Fe ; S es m?s -eneficioso adicionar fundentes formadores de escoria c?lcicas &ferríticas' que usar fundentes formadores de escorias hierro5sílice &fa;alíticas'. $sto disminu;e la recirculaci/n de co-re ; me9ora la eliminaci/n de im)ure%as en la escoria. =a misma energía termoquímica contenida en el e9e la cual 6
se )ierde en calentar el nitr/geno contenido en el aire de so)lado en la con,ersi/n tradicional en Peirce5Smith se utili%a en el con,ertidor flash. =as reacciones en la torre son )rinci)almente eotDrmicas. =a tem)eratura del horno se controla mediante el grado de enriquecimiento de oígeno mientras que el grado de oidaci/n se controla mediante la ra%/n oígenoKe9e al igual que en el horno de fusi/n flash.
FASES TERNARIAS #ESCORIAS$ $n general las escorias metalúrgicas de co-re corres)onden a silicatos fundidos ; se enmarca dentro de la química de metales )olimDricos. $studios de difracci/n de ra;os5L so-re sílice s/lida ha mostrado que la unidad de construcci/n -?sica son los tetraedros de Si0 5 )resenta un número de coordinaci/n a)roimado a ?tomos de oígeno cerca de cada ?tomo de sílice.
Ilustración 3 Tetraedro SiO4- !a" #ista su$erior !%" &tomo de o'igeno su$erior retirado ( !c" #ista lateral.
=os enlaces Si50 son co,alentes ; la unidad Si0 5 )osee la ca)a de ,alencia com)leta siendo mu; esta-les )ero )ro)ensos a la )olimeri%aci/n. =a sílice es un com)uesto co,alente no conductor que al cam-iar al estado fundido )ierde su rigide% )ero los tetraedros Si0 5 se mantienen unidos )roduciendo un líquido de alta ,iscosidad ; -a9a conducti,idad elDctrica. =a -a9a conducti,idad confirma que los enlaces son co,alentes ; la alta ,iscosidad indica que la red tridimensional co,alente se mantiene durante el )roceso de fusi/n.
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Ilustración 4 !a" )structura de s*lice sólida !%" s*lice fundida.
DIAGRAMAS DE FASES DEL SISTEMA CAO)FEO)SIO* Conocer los diagramas de fase en los que se encuentran los com)onentes de este sistema ternario es mu; im)ortante )uesto que nos )ermite determinar la tem)eratura ; las coordenadas de com)osici/n con las cuales se forma escoria de ti)o oli,ina. $n el Aneo 2 se descri-en los sistemas -inarios Ca0Si025Fe0Si02 ; 2Ca0Si025 2Fe0Si02. Aun cuando los sistemas -inarios re)resentan mu; -ien los ti)os de escorias a o-tener con las distintas com)osiciones de los elementos con un diagrama ternario es )osi-le o-ser,ar de me9or manera la %ona de esta-ilidad de la oli,ina. $n la siguiente figura se )resenta el diagrama ternario )ara el sistema Ca0Fe05Si02 la com)osici/n en la que se encuentra la %ona de esta-ilidad de la oli,ina )uede ,ariar entre 57G de Ca0 2"5!G de Si02 ; 27563G de Fe0 en sus com-inaciones adecuadas la com)osici/n estequiomDtrica de la escoria oli,ina es G de Ca0 2G de Si02 ; 7G de Fe0.
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Ilustración + Sistema Ternario ,aO-FeO-SiO2
PERDIDAS DE CO&RE EN ESCORIA A tra,Ds de la historia de la metalurgia la escoria ha sido normalmente considerada como el desecho resultante de las o)eraciones de fusi/n ; con,ersi/n sin em-argo ;a los )rimeros metalurgistas )udieron darse cuenta que algunas de sus )ro)iedades químicas ;Ko físicas )odían modificarse mediante la adici/n de fundentes adecuados es)ecíficos al )roceso que se lle,a a ca-o.
ESCORIAS DE REVER&EROS $n la actualidad ha; -astante conocimiento con res)ecto a la influencia del recicla9e de la escoria de con,ersi/n en las )Drdidas de co-re en el horno re,er-ero. $s claro que durante el recicla9e de esta escoria ocurre una reducci/n de los /idos de hierro ; co-re !
mediante los sulfuros contenidos en el mate del horno del re,er-ero. $iste una tendencia en algunas )artes de tratar a las escorias de con,ersi/n se)aradamente lo que ha significado una reacci/n im)ortante de las )Drdidas de co-re ; ma;ores tonela9es de )roducci/n. $n este reactor las )Drdidas mec?nicas en las escorias ,an desde un "3 a un 7G del total el resto corres)onde al co-re oidado ; sulfuri%ado solu-le ; en el caso del re,er-ero la ma;or )arte del sulfídico.
ESCORIAS DE %ORNO FLAS% Cuando se em)lea un tratamiento se)arado de la escoria que generalmente es necesario cuando el grado de las matas es del orden del "5"3G de co-re no se necesita un control tan riguroso de las escorias etraídas del reactor de fusi/n. Cuando el co-re se )roduce directamente a )artir del concentrado en una sola eta)a las escorias contienen desde 85 !2G de co-re. Cerca de la mitad del co-re Jen este casoJ est? disuelto como /ido ; el resto atra)ado como mata o co-re met?lico. Se considera que los costos de tratamiento )ara recu)erar el co-re de las escorias ,ía molienda seguida de flotaci/n son m?s altos que la )irometalúrgica o electrometalúrgica ellos sin tomar en cuenta la )osi-ilidad de em)lear molienda aut/gena.
ESCORIAS DE CONVERTIDOR (al como en el caso de la fusi/n las escorias de con,ersi/n tienen co-re disuelto como sulfuros ; /idos &ma;ormente /idos' mata ; co-re atra)ados mec?nicamente. $n algunas fundiciones se )ractica ho; en día el tratamiento de escorias )or flotaci/n ; se comien%a en otras a )racticar la lim)ie%a en horno elDctrico. $n la o)eraci/n de con,ertidores )ara asegurar una -uena escoria es im)ortante considerar una adici/n a)ro)iada de fundentes relati,as al flu9o de aire utili%ado. $sta o)eraci/n cam-ia de una )lanta a otra en algunas se estila agregar el fundente unos minutos des)uDs de comen%ado el so)lado en otras se agrega inmediatamente comen%ado.
REFINERÍAS METAL+RGICAS Se em)lea el mDtodo con,encional de fusi/n de concentrados las escorias generadas en los con,ertidores son retornadas en forma fundida a los hornos de re,er-eros donde -a9o condiciones relati,as de re)oso se recu)era )or sedimentaci/n la ma;or )arte del co-re contenido en ellas. Si se tiene en cuenta que estas escorias est?n constituidas ma;ormente )or /idos de hierro ; silicatos se encuentra que la ma;or )arte de lo retornado no re)orta ma;ores -eneficios a los re,er-eros )or el contrario es causa de )ro-lemas en ellos como la acumulaci/n de magnetita en el fondo restarles ca)acidad de tratamiento ; )osi-lemente de ma;ores )Drdidas en sus escorias. #e ahí que aunque sim)le se ha;a encontrado que resulta econ/mico reem)la%ar este )rocedimiento )or uno que )ermita se)arar los ,alores de co-re de la matri% de /idos ; silicatos )re,io a su recirculaci/n. A estos )rocedimientos se les da la denominaci/n de mDtodos de !!
Nlim)ie%aO de escorias eistiendo en la actualidad dos comercialmente )ro-ados ; en uso industrial en ,arias fundiciones: !' el de lim)ie%a con horno elDctrico ; 2' el de lim)ie%a )or flotaci/n )re,io enfriamiento chancado ; molienda.
SUSTANCIA COMPLE,A $n estas sustancias eisten o coeisten dos o m?s elementos diferentes en determinadas relaciones o )ro)orciones. $s decir que mediante ciertos mDtodos se los )odría se)arar en los elementos químicos constitu;entes. Como e9em)los )odríamos elegir el agua &*20' sin dudas una de las m?s conocidas. #e ella se )ueden se)arar al hidr/geno ; al oígeno de hecho es un )roceso industrial mu; utili%ado. 0tros son los /idos como los /idos de hierro &Fe0' o &Fe20' el de aluminio &Al20' hidr/idos como el de calcio Ca&0*'2 o el hidr/ido fDrrico &Fe&0*'' todas las sales conocidas como los nitratos o sulfatos etc. (am-iDn todos los com)uestos de la química org?nica que tienen entre sus estructuras al car-ono hidr/geno ; a ,eces oígeno ; dem?s elementos. $n metalurgia )or esto se dice que la escoria es una sustancia com)le9a ;a que al-erga un con9unto de elementos en ella.
CLASIFICACION ESCORIAS ESCORIAS O-IDANTES =a misi/n de la escoria oidante es eliminar de la carga todos los elementos que )uedan se)ararse de ella )or oidaci/n ; o salgan a la atm/sfera o queden retenido de alguna forma en la escoria. *a; que tener en cuenta que al eliminar los elementos oida-les no )odemos hacerlo a ,oluntad de una manera selecti,a sino que si ha; una oidaci/n Dsta ser? en ma;or o menor grado efecti,o )ara todos los que se )uedan oidar. $n general la fase oidante tiene )or misi/n eliminar de la colada el car-ono ; el f/sforo aunque simult?neamente se elimina el silicio Manganeso Cromo olframio ; en general todos los elementos oida-les.
ESCORIAS REDUCTORAS =a desoidaci/n )uede efectuarse de dos maneras: )or difusi/n o )or )reci)itaci/n. =a desoidaci/n )or difusi/n est? -asada en que si a un -aEo oidado li-re de escoria se aEade una escoria no oidada el Fe0 )resente en el acero se re)arte entre acero ; escoria en la )ro)orci/n que ;a se ha seEalado. Si a esta escoria que ;a est? oidada se le aEaden reductores se )onen en condiciones de a-sor-er una nue,a cantidad de /ido de hierro que lo tomar? del -aEo met?lico rest?ndole 0igeno hasta que se logre un equili-rio entre el 0ígeno Car-ono ; Silicio en el seno del acero. $ste equili-rio limita el grado de desoidaci/n que se )uede conseguir )or el sistema de difusi/n. Para hacer m?s a,an%ada la desoidaci/n del metal se ha de o)erar )or el sistema de )reci)itaci/n que consiste en aEadir al metal elementos desoidantes )ara que el equili-rio con el 0igeno sea menor que el que tenía el acero. $sto quiere decir que en !2
realidad la o)eraci/n de desulfurar en un horno -?sico no en m?s que una o)eraci/n de desoidar.
ESTRUCTURA FA.ALITA. =a /a0alita es un mineral de la clase de los nesosilicatos ; dentro de esta )ertenece al llamado gru)o del oli,ino. Fue descu-ierta en !7 en rocas ,olc?nicas en la isla de Faial en el archi)iDlago de las A%ores &Portugal' de donde toma su nom-re.
Ilustración )structura de la Fa(alita.
USO DEL EQUILI&RIO DE FASES EN EL S=as ,aria-les im)ortantes en el equili-rio de fases son: • • • •
(em)eratura Presi/n 4aturale%a química Com)osici/n
#es)uDs de ha-er definido el )roceso -re,emente ha; que hacer un Dnfasis en el estudio cualitati,o de am-as fases ; la ,elocidad de trasferencia de masa hasta alcan%ar el equili-rio.
!
Para e)resar la distri-uci/n de soluto en am-as fases esto se regir? )or la le; de distri-uci/n así un soluto se disuel,e en dos disol,entes inmisci-les 0 ; A que est?n en constante interacci/n la energía de li-re del soluto se )uede e)resar de la siguiente manera: Gi( O) =Gº i (O ) + RT ln ( a)i (O )
)ara # se e)resa de la siguiente forma: Gi( A )=Gº i( A) + RT ln ( a )i( A )
Al estar in,olucrado la energía li-re de >i--s en el )roceso se )uede hacer una relaci/n entre la energía li-re ; el )otencial químico mediante la ecuaci/n de 4erst. Cuando se esta-lece el equili-rio: Gº i (O ) + RT ln ( a)i (O )
Q Gº i ( A ) + RT ln ( a )i( A)
A una tem)eratura dada ( los ,alores de energía li-re son constantes ln
o a Q constante
ln
a = P o
#onde P es la constante de distri-uci/n.
!
ISOTERMA DEL S-
Ilustración Figura /eneral de la Distri%ucion.
Ilustración 0 )'tracción ( e-)'tracción.
INTERCAM&IO I'NICO EN EL S$l )rinci)io del SL es el intercam-io i/nico de una es)ecie met?lica en soluci/n )or un )rot/n que se li-era el reacti,o org?nico este )roceso a su ,e% )uede reali%arse a la in,ersa de)endiendo de las condiciones de acides lo que des)la%a el equili-rio e in,ierte la reacci/n. =a etracci/n se reali%a a tra,Ds de la me%cla de dos líquidos inmisci-les lle,ando la es)ecie requerida desde una soluci/n )ortadora hacia una rece)tora. *a; ,arios mecanismos )ara etraer es)ecies disueltas )ueden ser transferidas a una fase org?nica. =os metales se encuentran como disoluci/n acuosa generalmente como iones. !3
!. Proceso de cam-io cati/nico met?lico )or iones de hidrogeno del reacti,o disuelto en el org?nico. $stos se denominan etractantes cati/nicos o ?cidos. Inclu;en entre ellos los a ?cidos org?nicos como el al1ilfosforico ; car-oílicos.
+¿
¿
2 R 1 R2 C H 3 COCOO ¿ 2 Znorg + 2 H aq 2+¿❑ ¿ ⇒
¿
2 R1 R2 C H 3 COCOO H org + Znaq
2. Proceso de intercam-io anic/nico met?licos com)le9os con anones de cadenas largas ti)o al1ilamina. $stos inclu;en todas las clases de aminas desde los ti)os de amonio )rimario al cuaternario. $stos se denominan etractantes ani/nicos o -?sicos. R3 N org+ HC l aq❑ R3 NHC l org ⇒
REACTIVOS UTILI"ADOS EN S$n el SL se ocu)an tres reacti,os en general los cuales me%clados conforman la fase organica el etractante &+es)onsa-le de las reacciones de ca)tar ; descargar' el dilu;ente &medio físico disol,ente' ; ocasionalmente algún ti)o de modificador.
E-TRACTANTES Para la etracci/n de co-re las m?s im)ortantes son las hidroioimas. Según su estructura química ; )ro)iedades eisten dos clases de hidroioimas las salicilaldoimas &generalmente llamadas aldoimas' que tienen un hidrogeno como sustituci/n en el radical A ; cuentan con gran fuer%a etracti,a ; las cetoimas que )oseen un C* o un C"*3 en el radical A ; cuentan con moderada fuer%a etracti,a &considera en realidad como -a9a fuer%a etracti,a'. Algunas de sus )ro)iedades de los etractantes son: •
•
• •
$traer el metal de manera selecti,a desde soluciones im)uras que contengan otras es)ecies. Poder ser reutili%a-le )or un gran )eriodo de tiem)o manteniendo sus )ro)iedades &físicas ; químicas' CinDticas de carga ; descarga r?)idas Misci-le con algún dilu;ente org?nico e insolu-le en agua.
!"
DILU.ENTES $n los )rocesos industriales el ma;or )orcenta9e de etractante ronda el G siendo en ma;or ,olumen el dilu;ente en la fase org?nica a)ortando )ro)iedades físicas adecuadas &densidad ; ,iscosidad' )ara )ermitir la se)araci/n de efecti,a en tiem)os adecuados. $n el SL son mu; im)ortantes ;a que sir,en de trans)orte del agente etractante ; com)le9o /rgano5met?lico. =a selecci/n del dilu;ente ,a )or las modificaciones físicas que )uede reali%ar como la se)araci/n de fases )unto de inflamaci/n e,a)oraci/n solu-ilidad del reacti,o ; del com)le9o met?lico. Algunas de sus )ro)iedades de los dilu;entes son: •
Pro)iedades físicas adecuadas en es)ecial la ,iscosidad ; la densidad.
•
$sta-ilidad química.
•
Ba9a ,olatilidad.
•
#isol,ente del reacti,o etractante ; del com)le9o /rgano5met?lico.
•
•
Accesi-le a grandes ,olúmenes ; de -a9o costo. 4o de-e )romo,er a la formaci/n de terceras fases o emulsiones esta-les.
MODIFICADORES Son reacti,os )olares usualmente alcoholes de cadena larga que se usan )ara alterar algunas características físicas ; químicas de la fase org?nica. Cualquier )roducto org?nico que aEada ; que altere el com)ortamiento del etractante )uede ser considerado como un modificador. $isten modificadores que in,ierten el des)la%amiento de equili-rios &$tracci/n ; re5 etracci/n' so-re la se)araci/n de fases otros que controlan la generaci/n de terceras fases. Por otra )arte el uso de modificadores tam-iDn )er9udica el )roceso a causa del aumento de ,iscosidad de la fase org?nica )romo,iendo la formaci/n de -orras otros )ueden atacar equi)os con recu-rimientos )l?sticos o )ueden aumentar la degradaci/n de la fase org?nica.
ADSORCI'N =a adsorci/n es un )roceso donde se etrae materia de una fase ; se concentra so-re la su)erficie de otra. Por ello se considera un )roceso su-su)erficial. =a sustancia adsor-ida se denomina adsor-ato. Por otro lado a a-sorci/n es un )roceso )or el cual las !6
molDculas o ?tomos de una fase )enetran de manera casi uniforme en otra constitu;Dndose una soluci/n con la segunda. $l termino de adsorci/n inclu;e la a-sorci/n ; la a-sorci/n con9untamente. =a )rinci)al distinci/n entre adsorci/n a-sorci/n ; cam-io i/nico es que las ecuaciones que descri-en la adsorci/n ; a-sorci/n consideran solamente una es)ecie química de manera que la distri-uci/n del soluto entre la disoluci/n ; el s/lido res)onde a una relaci/n sim)le lineal o no. =as ecuaciones )ara el cam-io i/nico tienen en cuenta todos los iones que com)iten )or los lugares de intercam-io. $n general la adsorci/n desde una disoluci/n a un s/lido ocurre como consecuencia del car?cter liof/-ico &no afinidad' del soluto res)ecto al disol,ente )articular o de-ido a una afinidad ele,ada del soluto )or el s/lido o )or una acci/n com-inada de estas dos fuer%as.
TIPOS DE ADSORCI'N Ca-e distinguir tres ti)os de adsorci/n según que la atracci/n entre el soluto ; el adsor-ente sea de ti)o elDctrico de Ran der aals o de naturale%a química la ma;or )arte de los fen/menos de adsorci/n son com-inaciones de las tres formas de adsorci/n ; de hecho no es f?cil distinguir entre adsorci/n física ; química. !. Atracci/n soluto adsor-ente: que es un )roceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una su)erficie como resultado de la atracci/n electrost?tica en los lugares cargados de la su)erficie. Para dos a-sor-atos i/nicos )osi-les a igualdad de otros factores la carga del i/n es el factor determinante en la adsorci/n de intercam-io. Para iones de igual carga el tamaEo molecular determina el orden de )referencia )ara la adsorci/n. 2. Ran der aals o adsorci/n física: la molDcula adsor-ida no est? fi9a en un lugar es)ecífico de la su)erficie sino m?s -ien est? li-re de trasladarse dentro de la interfase. $sta adsorci/n en general sucede a -a9as tem)eraturas. =a adsorci/n de la ma;oría de las sustancias org?nicas en el agua con car-/n acti,ado se considera de naturale%a física.
. Adsorci/n química adsorci/n acti,a o quimisorci/n: =as energías de adsorci/n son ele,adas del orden de las de un enlace químico de-ido a que el adsor-ato forma unos enlaces fuertes locali%ados en los centros acti,os del adsor-ente. $sta adsorci/n suele estar fa,orecida a una tem)eratura ele,ada.
ADSORCI'N LIQUIDO)LIQUIDO $n las su)erficies líquidoKgas o las interfaces líquidoKlíquido no se )uede decir que eisten sitios de adsorci/n ;a que en ausencia de sustancia susce)ti-le de adsor-erse no ha; una estructura. !7
=os surfactantes se adsor-en en la interfase )orque eso )roduce una considera-le re-a9a de su energía li-re al satisfacer su do-le afinidad )olar5a)olar. =a interfase )uede considerarse como saturada cuando las molDculas adsor-idas est?n tan em)aquetadas que se toquen. $sta noci/n de tocarse es sin em-argo mu; relati,a ;a que de-en tener en cuenta las interacciones laterales de car?cter atracti,o o re)ulsi,o ; la )osi-le com)resi-ilidad del em)aquetamiento. Al colocarse en la interfase cada molDcula adsor-ida de surfactante elimina la discontinuidad entre agua ; aceite o líquido ; gas que ocurria en su ausencia. Como consecuencia no s/lo reduce su )ro)ia energía li-re )ero tam-iDn la energía li-re de la interfase es decir la tensi/n interfacial o su)erficial.
Adsrci1n slid)/luid Se llama isoterma de adsorci/n la relaci/n entre la concentraci/n de sustancia adsor-ida ; aquella en el seno de la fase fluida a tem)eratura constante. =a isoterma m?s sim)le fue )ro)uesta )or =angmuir ; se fundamenta so-re ciertas su)osiciones: • •
•
•
=a su)erficie es homogDnea Am-os soluto ; sol,ente ocu)an la misma ?rea )or molDcula adsor-ida es decir )or sitio interfacial. 4o eisten interacciones laterales es decir que la energía de desorci/n es constante. =a adsorci/n m?ima corres)onde a una ca)a mono molecular
CAR&'N ACTIVADO $l car-/n acti,ado es )re)arado a )artir de di,ersos materiales tales como car-/n madera c?scara de nue% tur-a ; )etr/leo. Su )oder adsor-ente surge cuando es calentado a altas tem)eraturas &7 a !' en la ausencia de oígeno de esta manera se crean millones de )oros microsc/)icos en la su)erficie del car-/n. $l car-/n acti,ado tiene una fuerte atracci/n )ara molDculas org?nicas ; es ecelente en retener firmemente molDculas m?s )esadas tales como com)uestos arom?ticos o resinas. $i )roceso de adsorci/n tra-a9a como un im?n )ara mantener las im)ure%as en la su)erficie del car-/n acti,ado la adherencia se da )or una atracci/n electroest?tica.
USOS DE RESINAS
!8
=a a)lica-ilidad de resinas de intercam-io i/nico en la recu)eraci/n de efluentes industriales est? in,aria-lemente centrada en la )urificaci/n del agua que sea m?s adecuada )ara la reutili%aci/n de su )roceso =a,ado Cromo. $n los m?s di,ersos segmentos industriales )rinci)almente en el de gal,ano)lastia es )osi-le el recicla9e de -?sicamente todas las aguas de la,ado como )or e9em)lo: •
+eutili%aci/n de agua de en9uague
•
+ecu)eraci/n de -aEos de deca)adoKdesoidaci/n
•
BaEos de Cloreto Cl Sulfatos S0 o Fosfatos P0
•
BaEos de anodi%aci/n de Aluminio &Al'
•
+eclasificaci/n de efluentes
•
+emoci/n de metales )esados &Cu Co Tn Mn Mo P- etc.'
•
+emoci/n de Cromo &Cr'
•
+emoci/n de Cianuros &C4'
•
+ecu)eraci/n de metales de ,alor: 0ro &Au' Plata &Ag'
E,ERCICIO S- #PRO&LEMA$ #atos en,iados del la-oratorio:
2
Sa-iendo que )ara los c?lculos necesarios &etracci/n' esto se de-e determinar con la relaci/n de ,olúmenes in,ersa a la cual se dio inicialmente esto )ro)orciona algunos nue,os datos haciendo la siguiente correcci/n:
Antes
Ahora Orgán ico Carga do 15,8 Reno 0,998 !!
Orgánico Descargado 0,25 Pls 10,9
"#$tracci%n 90,8! &o'&a
1,57
Orgánico Descargado 0,25 Pls
10,9
Orgán ico Carga do 6,56 Reno 0,998 !!
"#$tracci%n 90,8! 0,636 &a'&o 9
GR2FICO DE MCCA&E)T%IELE! $l grafico que se )resenta a continuaci/n muestra de manera ,isual los datos anteriormente nom-rados.
2!
*+ /0 MC+0-T0 0. & % $ # 4 3 2 1
2
4
$
&
1
12
+67
Se )uede o-ser,ar que )ara este )roceso se de-en tener )or lo menos tres eta)as continuas -a9o estas condiciones se )uede decir que se )ueden o-ser,ar los cam-ios ; los efectos en las concentraciones. #e esta manera ,er o-ser,ar las condiciones m?s fa,ora-les )ara la o)eraci/n de este )roceso. Se )uede o-ser,ar tam-iDn que en las )rinci)ales eta)as es donde ma;or cantidad de recu)eraci/n se o-ser,a en com)araci/n a la última eta)a.
DIFUSI'N Corres)onde al mo,imiento de los ?tomos en un material. =os ?tomos se mue,en de manera )redeci-le tratando de eliminar diferencias de concentraci/n )roducir una com)osici/n homogDnea ; uniforme. $l mo,imiento de los ?tomos en mu; im)ortante )ara mucho de los tratamientos so-re los materiales. Si com)rendemos como se transfiere la masa mediante difusi/n en los materiales dis)ositi,os a)rue-a de fugas e incluso en equi)os de )urificaci/n.
ESTA&ILIDAD DE LOS 2TOMOS! =a eistencia de im)erfecciones en las redes cristalinas de los materiales est?n hechos de ?tomos que ocu)an )untos en la red donde no son esta-les ni est?n en re)oso. $stos )oseen energía tDrmica ; )or lo tanto tender?n a mo,erse. =a ca)acidad de los ?tomos ; de las im)erfecciones )ara difundirse aumente conforme a el aumento de la tem)eratura. =a relaci/n que eiste en este fen/meno se )uede e)licar mediante la ecuaci/n de Arrhenius: 22
( − Ea ) RT
K ( t )= C o e
C o
•
Q constante.
•
R Q Constante de los gases.
•
T Q (em)eratura a-soluta.
•
E a Q $nergía de acti,aci/n.
MECANISMOS DE DIFUSI'N! Incluso en los materiales solidos a-solutamente )uros eiste el mo,imiento de ?tomos en ellos esto se le denomina autodifusi/n Aunque esto acurre de manera continua en todos los materiales su efecto en el com)ortamiento del material no es im)ortante. (am-iDn ocurre la difusi/n entre distintos materiales. =os ?tomos gradualmente se difunden entre ellos hasta que con el )asar del tiem)o las concentraciones entre ellos sean iguales. $isten dos mecanismos )or los cuales se )roduce este fen/meno: •
#ifusi/n )or ,acancia: =as ,acancias -rindan la )osi-ilidad de que la difusi/n se )rodu%ca )or el intercam-io entre un ?tomo ; una ,acancia. $l )aso de los ?tomos a los sitios ,acantes equi,ale a la traslaci/n de algunas en direcci/n contraria a la del mo,imiento de los ?tomos. $l mecanismo de ,acancias reali%a durante la autodifusi/n ; la formaci/n de soluciones s/lidas de sustituci/n.
Ilustración Difusión $or #acancia. •
#ifusi/n Intersticial: Cuando en la estructura cristalina est? )resente un )equeEo ?tomo intersticial este ?tomo )asara de un sitio intersticial a otro. Para este mecanismo no es necesario que eistan ,acancias )orque el número de sitios intersticiales son mucho ma;or que el de ,acancias )or lo tanto se es)era que la difusi/n sea r?)ida.
2
Ilustración 1 Difusión Intersticial.
ENERGÍA DE ACTIVACI'N!
Ilustración 11 e$resentación /rfica de )nerg*a de Acti5ación $ara la Difusión.
LE. DE FIC( =a ,elocidad a la cual se difunden los ?tomos se )uede medir mediante el flu9o que se define como el número de ?tomos que )asa a tra,Ds de un )lano de su)erficie unitaria )or unidad de tiem)o. =a )rimera le; de Fic1 determina el flu9o neto de ?tomos. $l gradiente de concentraci/n se refiere a la com)osici/n del material ,aría según la distancia. J =− D
∆ c ∆x
•
J Q Flu9o de ?tomos.
•
D Q Coeficiente de difusi/n.
2
•
∆c ∆ x Q >radiente de concentraci/n.
PROCESO DE DIFUSI'N EN LA METALURGIA!
FISICOQUÍMICA EN LA FLOTACI'N! Se deUne la Votaci/n como un )roceso de concentraci/n de minerales en el cual se )rocura se)arar las )artículas de menas útiles de estDriles o gangas mediante un tratamiento físico químico que modiUca su tensi/n su)erUcial )ara lograr que -ur-u9as de aire Unamente di,ididas se adhieran a las )rimeras ; las enrique%ca en una es)uma. $n la flotaci/n se )ueden o-ser,ar distintos ti)os de fases donde se encuentran en contacto el mineral el agua ; las -ur-u9as siendo este de ti)o heterogDneo )or ello es que se de-en conocer las relaciones de las distintas fases.
23
Ilustración 12 ,elda de Flotación.
FASE GASEOSA3 Constituida generalmente )or aire ; en algunos casos )or otro gas que se introduce ; dis)ersa en forma de )equeEas -ur-u9as.
FASE LIQUIDA3 Constituida de agua reacti,os ; algunas im)ure%as generalmente contiene una gran ,ariedad de iones en soluci/n &Cl5 4aW HW CaWW S0Q etc.' )or lo que la )resencia de Ca Mg ; 4a )ueden llegar a cam-iar la dure%a del agua llegando a com)licar el )roceso de flotaci/n a causa del consumo de reacti,os o la formaci/n de nue,as sales insolu-les.
FASE SOLIDA3 Formada )or las )artículas de mineral ; sus )ro)iedades su)erficiales ,arían según el ti)o de su com)osici/n ; estructura. *a; que tomar en cuenta las características de la su)erficie des)uDs de la ru)tura del s/lido las im)erfecciones en las redes cristalinas los )osi-les contaminantes que se )udiesen incor)orar. =os minerales )ueden )resentar )ro)iedades hidrof/-icas &sin afinidad' e hidrofílicas &con afinidad' que determinan su flota-ilidad natural. $sto est? directamente relacionado con su )olaridad. $l agua es un elemento )olar siendo el oígeno es un mu; -uen ca)tador de electrones en la molDcula de agua &electronegati,idad alta' )or lo tanto atrae los electrones del hidr/geno e)oniendo así sus )rotones &W'. $sto genera un di)olo: una molDcula con un etremo negati,o ; el otro )ositi,o.
2"
Ilustración 13 6olaridad del Agua.
Son hidrof/-icos &no reaccionan con los di)olos del agua' e9em)lo: a%ufre nati,o grafito moli-denita ; otros sulfuros. $n estos minerales su estructura es simDtrica no intercam-ian electrones dentro de sus molDculas no se disocian en iones son en general químicamente inacti,os ; con enlaces co,alentes. Son hidrofílicos &los s/lidos tienen la ca)acidad de hidratarse' e9em)lo: /idos. $n estos minerales su estructura es asimDtrica intercam-ian electrones en la formaci/n de enlaces &enlace i/nico' ; tienen etraordinaria acti,idad química en general.
SEPARACI'N . SELECCI'N Al coeistir las tres fases en el mismo sistema las )artículas hidrofo-ias tienden a 9untarse con las -ur-u9as de la fase gaseosa ; el resto )ermanecer?n en la fase líquida. =as -ur-u9as con )artículas adheridas ; con menor densidad que el agua su-en hasta la %ona gaseosa que en con9unto logran forman una es)uma esta-le )ara )oder ser retiradas sin )erdidas en el )roceso.
Ilustración 14 Se$aración en la Fetación.
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FENOMENOS SUPERFICIALES DE LA INTERFACE =os fen/menos mencionados son interacciones fisicoquímicas entre los elementos de las distintas fases solido J liquido solido J gas ; gas J liquido en cualquiera de estas se genera una fuer%a característica en el )lano de las fases denominadas tensi/n Interfasial o tensi/n su)erficial ; )uede ser considerada igual a la energía li-re de su)erficie.
TENSI'N SUPERFICIAL Consiste en las fuer%as intermoleculares que actúan so-re una su)erficie donde se mantienen unidas una molDcula con la otra. i--s )or unidad de ?rea ; se )uede e)resar como sigue:
( )
γ =
dW dA
dW =dG
T P n
•
•
•
•
G= Energ!ali"re#$%er&icial W = Tra"a'ore(er#i"le
A = rea #$%er&icial γ =Ten#ion #$%er&icial
$n otras )ala-ras la tensi/n su)erficial es el costo energDtico asociado a incrementar en una unidad el ?rea de interfase.
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SUPERFICIE DE S'LIDOS $n relaci/n a la su)erficie de los s/lidos es a)ro)iado ha-lar de la energía li-re su)erficial en los s/lidos se )roduce una )olari%aci/n ; deformaci/n de iones en la su)erficie rom)iendo la simetría en la configuraci/n de ani/n J cati/n )ermitiendo la formaci/n de fen/menos como la adsorci/n el mo9ado ; la nucleaci/n.
ADSORCI'N! Se denomina adsorci/n al fen/meno que ocurre )or la acumulaci/n de materia en una su)erficie interfasial )roduciendo un aumento de la concentraci/n del mismo elemento le9os de la interfase. =a adsorci/n en una interfase esta descrita )or la ecuaci/n de adsorci/n de >i--s como:
−1 dγ T i = ( ) RT d*nC i T i = Ad#orci+nrelati(adel co,%onente i ( den#idad de ad#orci+n) -
C i =Concentraci+n delco,%onente i
T =Te,%erat$ra a"#ol$ta
R=Con#tantede lo#ga#e# XSi disminu;e la tensi/n su)erficial la adsorci/n aumentaY $l termino de adsorci/n inclu;e la a-sorci/n ; la a-sorci/n con9untamente. =a )rinci)al distinci/n entre adsorci/n a-sorci/n ; cam-io i/nico es que las ecuaciones que descri-en la adsorci/n ; a-sorci/n consideran solamente una es)ecie química de manera que la distri-uci/n del soluto entre la disoluci/n ; el s/lido res)onde a una relaci/n sim)le lineal o no. =as ecuaciones )ara el cam-io i/nico tienen en cuenta todos los iones que com)iten )or los lugares de intercam-io. $n general la adsorci/n desde una disoluci/n a un s/lido ocurre como consecuencia del car?cter liof/-ico &no afinidad' del soluto res)ecto al disol,ente )articular o de-ido a una afinidad ele,ada del soluto )or el s/lido o )or una acci/n com-inada de estas dos fuer%as.
FEN'MENOS SUPERFICIALES! $s -ien sa-ido que eisten una serie de fen/menos que se )roducen en la su)erficie de cualquier cuer)o s/lido o líquido ; que de-idos a que la estructura no es igual en la su)erficie que en )rofundidad o en fase continua. $stos fen/menos se denominan fen/menos de su)erficie ; entre ellos se encuentran la humectancia la ca)ilaridad la hidrofilia la adsorci/n la sinteri%aci/n ; la adhesi/n. (odos 28
estos fen/menos est?n relacionados entre sí ; se -asan en el desequili-rio energDtico que eiste en la su)erficie del material lo que conocemos como energía su)erficial.
INTERFACE LÍQUIDA TENSI'N SUPERFICIAL3 Consiste en las fuer%as intermoleculares que actúan so-re una su)erficie donde se mantienen unidas una molDcula con la otra
INTERFASES CURVAS3 $l efecto de la tensi/n su)erficial es minimi%ar el ?rea interfacial resultando en la formaci/n de interfases cur,as &los líquidos ado)tan forma esfDrica en ausencia de otras fuer%as'. $sta cur,atura )ro,oca diferencias de )resi/n entre el interior ; el eterior de la fase cur,ada lo que como se ,a a ,er tiene al menos dos consecuencias im)ortantes: cam-ios de la )resi/n de ,a)or ; la ca)ilaridad. •
•
Presi/n de ,a)or en su)erficies cur,as: una de las consecuencias de la ecuaci/n de oung 5 =a)lace es que al aumentar la )resi/n en el interior de una su)erficie cur,a aumentar? el )otencial químico de la sustancia confinada en su interior cam-iando algunas )ro)iedades como )or e9em)lo la )resi/n de ,a)or de un líquido en equili-rio con su )ro)io ,a)or. =a ca)ilaridad: $s un fen/meno su)erficial de ,ital im)ortancia )ara la adhesi/n. Se fundamenta en los mismos fen/menos que la tensi/n su)erficial del líquido ; la energía su)erficial cuando introducimos un ca)ilar en un líquido la energía su)erficial de las )aredes internas del ca)ilar tiende a hacer ascender el líquido )or el interior del mismo. =a altura a la que llega este líquido de)ender? de la energía su)erficial ; la tensi/n su)erficial del líquido que estemos ha-lando. =a ca)ilaridad se define en funci/n de la altura a la que es ca)a% de llegar ese líquido.
SISTEMAS MULTICOMPONENTES3
•
$l modelo de >i--s &!767' en el que se su)one que la interfase es una su)erficie con ,olumen nulo. $l modelo desarrollado )or >uggenheim &!8' que considera la ca)a interfacial como una fase tridimensional.
INTERFASE SOLIDA Cuando una molDcula de gas gol)ea una su)erficie s/lida )uede re-otar o quedar fi9ada so-re la su)erficie es decir sufrir adsorci/n. $n este último caso la molDcula adsor-ida )uede difundirse &mo,erse' so-re la su)erficie )ermanecer fi9a sufrir una reacci/n química o disol,erse en el interior del s/lido &)roceso conocido como a-sorci/n ; del que es un conocido e9em)lo el em)leo de CaCl2 anhidro como desecador: el agua de la atm/sfera es adsor-ida ; a continuaci/n a-sor-ida )ara formar un hidrato'. $n este tema a)artado nuestro estudio se ,a a centrar en el )roceso de adsorci/n ; )osteriormente en los )rocesos de reacci/n &cat?lisis heterogDnea' que )ueden deri,arse. Para em)e%ar se define el )rimero de estos )rocesos como: •
•
adsorci/n: )roceso de uni/n de una molDcula )rocedente de otra fase so-re la su)erficie de un s/lido. desorci/n: )roceso in,erso a la adsorci/n.
Pudiendo distinguirse dos com)ortamientos límites de adsorci/n: fisisorci/n ; quimisorci/n &;a mencionadas' aunque es frecuente o-ser,ar com)ortamientos intermedios.
PRUE&A N45 FISICOQUÍMICA II PRO&LEMA N45 $ntre una serie de funciones que cum)len las escorias en un )roceso de fusi/n con,ersi/n o refino a fuego se de-e mencionar: •
=a funci/n de la escoria es la eliminaci/n de los elementos que no son de interDs que se )roducen en estos )rocesos )irometalúrgicos como los silicatos ; los /idos de hierro siendo estos los que m?s a-undan en el )roceso. $sta escoria de-e )oseer -uena fluide% no de-e ser ,iscosa.
!
PRO&LEMA N4* =a figura muestra la estructura del sílice s/lida ; fundida. ZC/mo influ;e esto en la se)araci/n de la mata ; la escoria[ e)lique la im)ortancia de la formaci/n de fa;alita. •
$n la )rimera figura se o-ser,a la estructura de un silicatos una ,e% que se a)lica tem)eratura a este los enlaces comien%an a rom)erse )ero en una menor )ro)orci/n )ara )oder lograr la se)araci/n total que es el o-9eti,o )ara )oder hacer esta se)araci/n es necesario incor)orar escorifícates como el /ido de calcio o la cal con a;uda de estos se logran cam-iar los enlaces co,alentes )or enlaces i/nicos este )roduce en la escoria un cam-io de una escoria acida a una m?s alcalina o -?sica -a9ando la ,iscosidad ; manteniendo en disoluci/n la formaci/n de magnetita.
PRO&LEMA N46 Cu?les son las funciones de las escorias acida ; de las -?sicas de las que est?n )rinci)almente constituidas. •
•
=as escorias acidas son las consumidoras de oígeno siendo ricas en silicatos ; las m?s com)le9as de tratar en el )roceso de fusi/n. $scorias -?sicas: son ca)aces de ceder oígeno est?n constituidas )or un metal ; un oido.
PRO&LEMA N47 $)lique las utilidades de un diagrama de fase en la fundici/n de concentrados de co-re. •
=as utilidades que )uede )restar un diagrama de fase en un )roceso de fusi/n donde los )roductos resultantes son la mata ; la escoria sir,e )ara ,er la com)osici/n que se )resenta en la soluci/n que se est? tratando com)osici/n en )eso sus tem)eraturas de fusi/n. $n resumen -usca facilitar el control entre las ,aria-les de estado que est?n )resentes &(em)eratura Presi/n ; com)osici/n' ; el control entre las fases de mata ; escoria del )roceso.
PRO&LEMA N48 $)lique un diagrama de fases con eutDctico ; su uso en la escorificaci/n. •
$l )unto eutDctico re)resenta el )unto mínimo de fusi/n en algunas sustancias o elementos estos )untos suelen ser mu; ele,ados ; requieren una gran cantidad de energía )ara )oder lograr la fusi/n. Para )oder mitigar los costos de estos )rocesos se incor)oran escorificantes estos a;udan en gran manera a la soluci/n &la me9ora de la ,iscosidad fluide% entre otras' )ero en el ?m-ito energDtico logran disminuir el )unto de fusi/n )or lo cual es mu; im)ortante en estos )rocesos que de )or si son costosos.
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