FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
INFORME DE LABORATORIO Nº5 “Cinética de extracción y re-extracción de cobre”
Hidrometalurgia II INTEGRANTES: Karín Espinoza Godoy – Rosa Paiva Gómez CARRERA:
Ingeniería Civil Metalúrgica
PROFESOR:
Erika Meza C.
AYUDANTE:
Jocelyn Ordoñez J.
15 de Diciembre 2014
Sumario
El proceso de extracción por solventes (SX) de cobre comprende varias etapas de extracción y de re-extracción. Este proceso muchas veces genera dificultades a la operación siguiente de electro obtención (EO), producto del arrastre de impurezas no deseadas a hacia el electrólito como son: el cloro, el hierro, el manganeso, el nitrato, entre otros. Este laboratorio tiene como objetivo , determinar el tiempo en que el extractante a su equilibrio con el cobre tanto para la extracción como re-extracción . Además de evaluar el efecto de la temperatura . velocidad de agitación y de la concentración de cobre sobre la cinética de extracción. De acuerdo a lo realizado en clases se desea preparar 400 ml de solución acuosa de : 6.0 ± 0.1 g/L Cu 2+ , 3.0 ± g/L de Fe +3 (ambos como sulfato) a pH = 2.0 ± 0.01 con distintos parámetros
a diferentes temperaturas (ambiente , 35° y 50° C)
y la velocidad de
agitación , siendo estas las variables a estudiar , cabe destacar que en todos los experiencias se encuentra en fase continua el orgánico y un 10% de extractante. Existieron importantes contradicciones respecto a los cálculos obtenidos , a pesar de aquello se estudian ciertos comportamientos para determinar las variables de acuerdo a los parámetros dados , es decir la velocidad de agitación , dependerá esencialmente de la naturaleza de extractante , según los datos obtenidos a 1650 rpm se obtiene el equilibrio a los 45 s , la temperatura es la variable que cambios más relevantes posee, la que tuvo el mayor acercamiento de fases en menor tiempo fue la temperatura correspondiente a 35°C a los 90s .
Abstract
The process of extraction by solvents (SX) copper several stages of extraction and strip. This process often generates difficulties to the following operation of electro obtaining (EO), product of the drag of unwanted impurities to the electrolyte such as: chlorine, iron, manganese, nitrate, among others. This laboratory aims, determining the time at which the extractant to its equilibrium with both for the extraction such as strip copper. In addition to assessing the effect of temperature. speed of agitation and the concentration of copper on the kinetics of extraction.
According to what has been done in classes you want to prepare 400 ml of aqueous solution of: 6.0 ± 0.1 g/l Cu 2, 3.0 ± faith 3 g/l (both as sulphate) at pH = 2.0 ± 0.01 with different parameters to different temperatures (environment, 35 ° to 50 ° C) and agitation speed, being these variables to study, should be noted that in all the experiences is in continuous phase organic and 10% of extractant.
There were significant contradictions regarding the calculations obtained, despite the fact that certain behaviors are studied to determine the variables according to the given parameters, i.e. the speed of agitation, depend essentially on the nature of extractant, according to data obtained at 1650 rpm Gets the balance 45 s, temperature is the variable that changes most relevant has which had the greater proximity of phases in shortest time corresponding to 35° C temperature to the 90s.
Índice
Contenido I.
Introducción............................................................................................................................................6
II.
Antecedentes Teóricos.............................................................................................................................8
2.1.
Extracción por solventes.....................................................................................................................8
2.1.1.
Procedimiento básico del proceso de extracción por solventes..........................................................8
2.2.
Fórmulas utilizadas...........................................................................................................................10
III.
Procedimiento...................................................................................................................................12
IV.
Datos Experimentales.......................................................................................................................14
V.
Resultados y Discusión.........................................................................................................................17
5.1.
Resultados calculados.......................................................................................................................17
5.2.
Discusiones.......................................................................................................................................18
VI.
Conclusiones.....................................................................................................................................19
VII.
Bibliografía.......................................................................................................................................20
VIII.
Anexos..............................................................................................................................................21
I.
Introducción
En este laboratorio se realizará tres experiencias, la primera es la obtención de la cinética de extracción con efecto de la velocidad de agitación, la segunda con efecto de la temperatura y la última consiste en la elaboración de la re-extracción de cobre, con esto se logrará entender el tiempo que tarda en alcanzar el equilibrio o bien se expresa el porcentaje extraído o reextraído. La velocidad de extracción o de reextracción depende de la naturaleza del extractante. Por otro lado, la naturaleza del diluyente puede afectar la cinética, dado que el diluyente puede interactuar con mayor o menor fuerza con el extractante, es por ello que se utilizan normalmente mezclas de diluyente alifáticos y aromáticos para conseguir una buena solubilidad del extractante, sin afectar la velocidad de la transferencia de la especie de interés desde una fase a la otra. La reacción ocurre a nivel de la interfaces formada por la gota y la fase continua, mayor será la velocidad de ésta mientras más extensa sea la interface. Es por esto que aumentará la velocidad de la transferencia de la especie de interés cuando se generen gotas de menor tamaño durante la agitación, lo que explica el hecho de que al aumentar la agitación se incrementa la velocidad de acercamiento al equilibrio. Los objetivos generales para este laboratorio son; determinar el tiempo en que el extractante llega a su equilibrio con el cobre, tanto en el proceso de extracción como en el de re-extracción, y por último evaluar el efecto de la temperatura, de la velocidad de agitación y de la concentración de cobre sobre la cinética de extracción. A continuación se darán a conocer los elementos que se utilizarán en este laboratorio.
Tabla 1. Elementos utilizados en el laboratorio
Instrumentos Vaso precipitado
Uso / propósito Vasos de vidrio, graduados, de distintas capacidades, utilizados para contener líquidos, soluciones acuosas y
Probeta
pulpas minerales. Cilindro graduado utilizado para la contención de muestras
liquidas
o
pulpas
minerales,
es
un
Agitador
instrumento de medición volumétrica. Este instrumento es utilizado para lograr una agitación
pHmetro
constante y regulable a necesidad de quien lo opera. Artefacto electrónico automatizado que cumple con el
Matraz aforado
propósito de medir el pH en cualquier solución. Se utiliza para preparar una solución de volumen fijo
Pipeta
con mucha precisión. Cilindro de vidrio graduado utilizado para la toma de
Embudo
muestras liquidas en distintas cantidades. El embudo es un material empleado para canalizar líquidos
y
materiales
gaseosos
granulares
en
recipientes con bocas angostas. Es decir, es utilizado para evitar el derrame del líquido al moverlo de un Propipeta
envase a otro. También llamado “pera” es un artefacto de goma, que se utiliza junto con la pipeta, este causa un vació que permite el manejo de las soluciones dentro de la
Guantes
pipeta. Guantes utilizados para el manejo de soluciones
Espátula
ácidas y dañinas para la salud. Artefacto metálico con forma de paleta, que es utilizado para la toma de muestras de materiales.
II.
Antecedentes Teóricos
II.1.
Extracción por solventes
La extracción por solventes, es uno de los procesos más efectivos y económicos para purificar, concentrar y separar los metales valiosos que se encuentran en las soluciones enriquecidas, provenientes de procesos de lixiviación. Este proceso encuentra su principal aplicación en la producción de cobre, específicamente en la separación selectiva de metales, que luego se recuperan mediante el proceso de electroobtención, a través de soluciones de sulfato de cobre. También se utiliza para la recuperación de uranio, vanadio, molibdeno, metales preciosos, entre otros. Básicamente, la extracción por solventes es una operación de transferencia de masas en un sistema de dos fases líquidas. Se llama también intercambio iónico líquido y se fundamenta en el principio por el cual un soluto o ion metálico puede distribuirse en cierta proporción entre dos solventes inmiscibles, uno de los cuales es usualmente acuoso y el otro un solvente orgánico como benceno, kerosene, cloroformo o cualquier solvente inmiscible al agua. Lo anterior es posible debido a que ciertos reactivos químicos orgánicos, tienen un alto grado de afinidad selectiva con determinados iones metálicos, formando compuestos organometálicos y a su vez, no tienen casi ninguna afinidad con iones contaminantes tales como iones de hierro, calcio, magnesio, aluminio, etc.
II.1.1. Procedimiento básico del proceso de extracción por solventes. Los sistemas de extracción por solventes tienen tres componentes básicos, que son un soluto a extraer, un solvente acuoso y un extractante orgánico. El proceso de extracción por solventes se basa en la reacción reversible de intercambio iónico que tiene lugar entre dos fases inmiscibles, la fase orgánica que corresponde al reactivo extractante disuelto en un diluyente orgánico, y la fase acuosa que corresponde a la solución. Se pone en contacto la solución de lixiviación o fase acuosa con el reactivo orgánico a fase orgánica, y se mezcla fuertemente por agitación.
El reactivo orgánico contiene una molécula extractante, el que tiene una alta afinidad por el ion metálico que se quiere recuperar. Este ion de interés es transferido desde la fase acuosa o solución de lixiviación a la orgánica, a través de la interfase de los dos líquidos no inmiscibles. La mezcla resultante por la agitación se deja decantar para que se separe en dos capas o fases. La fase superior corresponde a la capa orgánica, que se mantiene allí debido a su menor peso específico. En esta fase orgánica, que se conoce como fase cargada o fase extracto, se encuentra retenido el ion metálico de interés formando un complejo orgánico-metálico. La capa acuosa inferior, denominada fase acuosa o de refino, es una solución estéril respecto de iones metálicos y tiene un peso específico mayor al de la fase orgánica. Al mezclarse las fases acuosa y orgánica, el equilibrio se irá dando paulatinamente, debido a que la transferencia de masa dentro de un reactor depende de los siguientes factores: - Tiempo de residencia - Área de interfaces acuosa/orgánica - Potencial químico en la interfaces El equilibrio de la reacción es el factor más importante en el proceso de intercambio y esto depende del tamaño de los equipos utilizados, la energía consumida en la agitación otros factores que afecten en la totalidad de los costos del proceso.
II.2.
Fórmulas utilizadas
Para esta experiencia se utilizan las siguientes fórmulas; Razón metalúrgica se determina de la siguiente manera: O [ O .C ] −[O . D .] = A [ PLS ] −[REF ]
Balance fino para la extracción, considerando que el orgánico descargado es igual a 0: A O
[ O. C ] = ∗[ PLS ]−[ REF ]
Balance fino para la re-extracción, considerando que el electrolito pobre es igual a 0: A O
[ O. D ] =[ O .C . ] − ∗[ E . R .]
Porcentaje de acercamiento al equilibrio a un tiempo determinado;
Acercamiento ( extracción )=
[ Cu ] oc t ∗100 [ Cu ] PLS
La cinética de re-extracción se expresa como el porcentaje de especie descargada a un determinado tiempo;
Acercamiento ( Reextracción )=
[ Cu ] oc−[ Cu ] oᴅ t ∗100 [ Cu ] oc−[ Cu ] oᴅ
Modelo cinético, se calcula de la siguiente manera;
[ C u+2 ] t −[C u+2 ]ₒₒ ln =−( K 1+ K 2 ) t [C u+2 ] ₒ−[C u+2 ]ₒₒ
III.
Procedimiento
Experiencia 1
Experiencia 2
Experiencia 3
IV.
Datos Experimentales
A continuación se presentarán los datos experimentales;
Tabla 2 Datos experimentales para velocidades de agitación en distintos tiempo
Tiempo (s) [Cu2+]PLS (g/L) 15 30 45 60 90 120 180 300 15 30 45 60 90 120 180 300 15 30 45 60 90 120 180 300
Extracción Veloc. Agitación (rpm)
[Cu2+]REF (g/l)
6 650 650 650 650 650 650 650 650 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1400 1400 1400 1400 1400 1400 1400 1400
2,69 2,23 2,04 1,93 2,66 1,64 1,57 1,59 2,17 1,36 1,19 1,11 1,17 1,07 1,04 1,03 1,73 1,37 1,32 1,31 1,31 1,30 1,30 1,35
Tabla 3 Datos experimentales para temperaturas en distintos tiempos
Extracción T(°C [Cu2+]REF Tiempo (s) ) (g/l) 2+ [Cu ]PLS (g/L) 6 15 35 2,27 30 35 1,77 45 35 1,60 60 35 1,66 90 35 1,65 120 35 1,65 180 35 1,64 300 35 1,66 15 50 1,99 30 50 1,65 45 50 1,60 60 50 1,60 90 50 1,55 120 50 1,54 180 50 1,52 300 50 1,54
Tabla 4 Datos experimentales a distintas soluciones de ácido sulfúrico en distintos tiempos
Reextracción Tiempo [H2SO4] [Cu2+]ER (s) (g/l) (g/l) 15 30 45 60 90 120 180 300 15 30 45 60 90 120 180 300
180 180 180 180 180 180 180 180 220 220 220 220 220 220 220 220
5,89 5,98 5,98 5,92 5,98 5,88 6,03 5,98 5,34 5,49 5,48 5,46 5,39 5,39 5,40 5,43
V.
Resultados y Discusión
V.1.
Resultados calculados
Tabla N 5 % de Acercamiento para 650 ,1050 y 1650 de velocidad de agitación
Extracción Tiempo (Seg)
Vel. Agitación
0
650 650 650 650 650 650 650 650 650
15 30 45 60 90 120 180 300 0 15 30 45 60 90 120 180 300 0 15 30 45 60 90 120 180 300
1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1650 1650 1650 1650 1650 1650 1650 1650 1650
% Acercamiento 0 75,08 85,39 89,69 92,19 75,65 98,75 100,00 100,00 0,00 77,09 93,27 96,78 98,29 97,19 99,10 99,70 100,00 0,00 91,84 99,46 100 100 100 100 100 100
Tabla 6 : % de acercamiento para Temperaturas de 25, 35 y 50 ° C
Extracción Tiempo (Seg)
Temperatura
% Acercamiento
0
25 25 25 25 25 25 25 25 25
0
35 35 35 35 35 35 35 35 35 50 50 50 50 50 50 50 50 50
0
15 30 45 60 90 120 180 300 0 15 30 45 60 90 120 180 300 0 15 30 45 60 90 120 180 300
77,09 93,27 96,78 98,29 97,19 99,10 99,70 100,00 85,96 97,35 100,00 99,88 100,00 100,00 100,00 100,00 0 89,92 97,42 98,66 98,66 99,66 100,00 100,00 100,00
Tabla N 7 : % de Acercamiento para distintas cantidades de ácido
Reextracción Tiempo (Seg) 0
15 30 45 60 90 120 180 300 0 15 30 45 60 90 120 180 300
[H2SO4] (g/l) 180 180 180 180 180 180 180 180 180
220 220 220 220 220 220 220 220 220
% Acercamien to 0,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 0,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00
%Acercamiento Vs Tiempo (Extracción) 100.00 90.00 80.00 70.00
% Acercamiento
60.00
650 Rpm
50.00
1050 Rpm
40.00
1650 Rpm
30.00 20.00 10.00 0.00 0
50 100 150 200 250 300 350
Tiempo (Seg)
Gráfico N°1 correspondiente a velocidades de 650 , 1050 y 1650 rpm.
%Acercamiento Vs Tiempo (Extracción) 100.00 90.00 80.00 70.00
% Acercamiento
60.00
25°C
50.00
35°C
40.00
50°C
30.00 20.00 10.00 0.00 0
50
100 150 200 250 300 350
Tiempo (Seg)
Gráfico N°2 , correspondiente a Temperaturas de 25 , 35 y 50 ° C
V.2.
Discusiones
De acuerdo a los gráficos obtenidos % de acercamiento v/s tiempo (Ver gráfico N°1) para distintas velocidades de agitación , como es de esperar al aumentar la velocidad de agitación , se elevará la cinética , el cambio más notorio se produce cuando se aplica una velocidad de 1650 rpm en donde al segundo 45 alcanza su totalidad de acercamiento. Además para las velocidad de 650 y 1050 rpm , las diferencias de % resultan ser estrechas , debido a que al aplicarse a una temperatura ambiente , el efecto se hace menos significativo. Cabe destacar que a los 90 s cuya velocidad corresponde a los 650 rpm , el porcentaje de acercamiento posee un desvío , comparándolo con la tendencia a la alza (75,65 %), esto se le atribuye a una mala manipulación o a la presencia de arrastres. (Ver Gráfico N°1) A partir del segundo gráfico (Ver gráfico N°2) , se aprecia que la cinética de extracción se ve directamente afectada con la temperatura , esta se ve afectada con la rapidez , para velocidad de agitación estudiada es de 1050 rpm , observándose que al aumentar la temperatura la transferencia de material se logrará en menor tiempo . es decir el acercamiento se logrará en su totalidad . Sin embargo ocurre una contradicción en la temperatura correspondiente a los 50° C (120 s) , debido a que la rapidez de reacción resultó ser levemente más lenta que los 35°C (90 s ), nuevamente el error es generado por la mala manipulación de la indumentaria o simplemente al riguroso cuidado que se debe tomar dentro de la experiencia, ya que son experiencias que requieren de mucho cuidado para realizarse. O bien al arrastre producido en algún descuido. (Ver Tablas N°6 ). Para la construcción de las tablas de reextracción fue necesario tomar en cuenta los concentrados de Cu de refinos , correspondientes a la condición de 1050 rpm para no tener problemas con los datos , por otro lado , se optó por modificar la cantidad de orgánico
descargado debido a que los resultados se obtienen negativos , es por esta razón que se procede a dejar como valor 0 para todos los cálculos de orgánico descargado durante la experiencia. Mediante la construcción del método cinético se logra apreciar aún más, que la temperatura es la variable que mayor efecto produce en la cinética de la extracción. En la re-extracción el efecto del ácido facilita aún más su acercamiento , ya que antes de alcanzar los 15 segundos , el intercambio ha ocurrido en su totalidad. (Ver Tabla N°7)
VI.
Conclusiones
El efecto de temperatura es la variable quien mayor efecto produce sobre la cinética , es decir que a mayor temperatura , la rapidez de reacción será mayor , por lo que en menor tiempo el extractante llega a su equilibrio del cobre , al igual que la velocidad de agitación , ambas al ser aumentadas la transferencia de cobre se logrará más rápido. Para 1650 rpm se produce en 45 s y para una temperatura de 35° se logra en 90 segundos.
VII.
Bibliografía
Guías de Laboratorio de Hidrometalurgia II (Extracción por Solventes)
https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/tecnicos_lixiviacion_extraccion. asp
VIII. Anexos Ejemplos de cálculos;
Calculo para la obtención del sulfato férrico en 500 mL;
X g Fe2 O12 S3 =
3 g F e +3∗399,89 g/mol 2∗55,85 g/mol
X g Fe2 O12 S3 = 10,74 g en 1 L y para 500 mL sería 5,5 g.
Calculo para la obtención del sulfato de cobre en 500 mL
X g CuSO4· 5H2O =
6 g C u+2∗249,54 g/mol 63,54 g /mol
X g CuSO4· 5H2O = 24 g en 1L y para 500 mL sería 12 g.
Calculo para la obtención de la solución de ácido sulfúrico de concentración 180 g/L
X=
180 g / L g 1,84 ∗0,97 mL
X= 101 mL /L
Calculo para la obtención de la solución de ácido sulfúrico de concentración 220 g/L
X=
X=
220 g/ L g 1,84 ∗0,97 mL
X= 123,26 mL/L Calculo para la obtención del extractante y diluyente 500 mL∗10 100
X= 50 mL de extractante La obtención del diluyente es la diferencia de 500 mL de orgánico con los 50 mL extractante que eso da; 500 – 50 = 450 mL de diluyente
Figura 1 Mezcla de orgánico- acuoso
Figura 2 Solución de sulfato férrico en agitación
