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ELECTROOBTENCION DE COBRE

METALURGIA EXTRACTIVA APLICADA A MINERALES DE COBRE Y POLIMETALICOS

MODULO

Dr. Patricio Navarro DonosoConsultor Intercade

Dr. Patricio Navarro Donoso - [email protected] - Consultor Intercade

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Los procesos hidrometalrgicos para la recuperacin decobre desde minerales se desarrolla, en general, durantelas siguientes tres etapas:

La primera etapa es conocida como lixiviacin yconsiste en la disolucin selectiva de los metales en unasolucin acuosa, desde los minerales que los contienen.

En la segunda etapa, se realiza la purificacin y/oconcentracin de la solucin en los metales que sebusca recuperar. Extraccin por solvente en el caso delcobre.

INTRODUCCIONDIAGRAMAS DE FLUJOS DE PROCESOS

HIDROMETALURGICOS DE COBRE


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En la tercera etapa, se recuperan selectivamente lasespecies metlicas disueltas en el medio acuosogenerado. En el caso del cobre a travs deelectroobtencin.


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ESQUEMA DE DIAGRAMAS DE FLUJOS CARACTERISTICOS

Reduccin de Tamao

Lixiviacin

Extraccin

Reextraccin

Electroobtencin

Solucin rica deLixiviacin o PLS

OrgnicoCargado

Acuoso limpioCargado o Avance

Ctodos

Solucin de lixiviacin agotada o Refino

Orgnico Descargadoy regenerado

Acuoso limpio paradescarga o Spent

Mineral


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En el diagrama anterior, se observan tres flujos en circuitocerrado.

Un flujo de solucin acuosa que sale de lixiviacin yentra a extraccin, saliendo como refino y reingresandoa lixiviacin.

Un flujo de orgnico entre la etapa de carga y dedescarga.

Un flujo de electrolito entre la reextraccin y laelectroobtencin.


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GENERALIDADES DEL PROCESO DE ELECTROOBTENCION

El proceso de electroobtencin de cobre constituye la etapaterminal del proceso de beneficio de minerales oxidados,mixtos de cobre y sulfuros de baja ley.El cobre es depositado desde soluciones purificadas por mediode una electrlisis directa.El objetivo del proceso es producir ctodos de cobre de altapureza.


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Para lograr el objetivo, la solucin proveniente de laetapa de lixiviacin es purificada y concentrada en cobreen la planta de extraccin por solventes, paraposteriormente ser conducida a una serie de celdas deelectrodepositacin, donde se producen los ctodos decobre con una pureza de 99,99%.


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La electroobtencin es un proceso electroqumico que serealiza en celdas electrolticas.

Cul es el objetivo?

La electroobtencin es un proceso de electrometalurgia,mediante el cual se recupera el cobre que se encuentraconcentrado en la solucin de cobre (que se obtiene delproceso de lixiviacin), con el propsito de producirctodos de alta pureza de cobre (99,99%), muy cotizadosen el mercado.


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La electrlisis es un proceso donde la energa elctricacambiar a energa qumica.

El proceso sucede en un electrolito, una solucinacuosa o sales fundidas que den la posibilidad a losiones de ser transferidos entre dos electrodos.

El electrolito es la conexin entre los dos electrodos quetambin estn conectados con una corriente directa.


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Se pueden electroobtener, a partir de solucionesacuosas.

Co, Cu, Mn, Ni, Zn

Se pueden electrorefinar de soluciones acuosas.Ag, Au, Cu, Ni, Pb, Sn, Zn

Se pueden electroobtener de sales fundidas.Al, Ba, Cr, Li, Mg, Na


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Proceso electrometalrgicomediante el cual se precipitael cobre presente en unasolucin y produce cobre dealta pureza (99.99%).

La unidad bsica deoperacin corresponde a lacelda electroltica,conformada por doselectrodos.


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La precipitacin por reduccin electroltica, comnmenteconocida como electroobtencin o electrodepositacin(EW), es actualmente uno de los procedimientos mssencillos para recuperar metales, en forma pura o deelevada pureza y selectiva, respecto a las impurezasexistentes en solucin.

INTRODUCCION AL PROCESO DE ELECTROOBTENCION


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Su caracterstica principal radica en que el metal (en estecaso el cobre) est en la solucin a la forma de Cu2+.Solamente se trata de recuperarlo depositndolo en elctodo, mientras el nodo es esencialmente insoluble.

Se trata de un proceso continuo en el cual se debe irrenovando la solucin a medida que baja la concentracinde cobre en el electrolito.


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Entre los procesos electrolticos, se pueden diferenciardos grandes grupos.

a) El proceso de electroobtencin (EW): donde el cobrese encuentra disuelto y el nodo es esencialmenteinsoluble.

b) El proceso de electrorefinacin (ER): donde el nodocontiene el metal que se disuelve, a la vez que seproduce el depsito en el ctodo. Es el casocaracterstico de la electrorefinacin de cobre.


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Ambos grupos de procesos se rigen por los mismosprincipios conceptuales y su aplicacin especfica solodepende del metal que se quiere obtener y/o refinar.

En el caso de la electroobtencin (EW), se tiene comoobjetivo recuperar el cobre desde una solucin acuosaque proviene de la etapa de reextraccin del proceso deextraccin por solvente, debindose compensar lacantidad extrada con nuevos aportes a travs de larenovacin del electrolito; es decir, el electrolito debe serrenovado constantemente.


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Se obtiene un producto de alta pureza 99,99%.

El proceso es menos contaminante.

Los costos de produccin son ms bajos.

VENTAJAS DEL PROCESO DE ELECTROOBTENCION EN RELACION

A PRECIPITACION CON FIERRO


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APLICACIONES DEL PROCESO DE ELECTROOBTENCION

Metal ElectrolitoTempe-ratura[C]

pH nodo CtodoVoltaje

de celda [volt]

Requeri-miento

energtico[kWh/kg]

Eficien-cia de

corriente [%]

Comentarios

AntomonioCadmioCobaltoCobaltoCobreCromoGalioManganesoNquelOroPlataTeluroZincZinc

NaOH+Na2SSulfatoSulfatoSulfatoSulfatoSulfatoNaOHSulfatoSulfatoCianuroNitratoNaOHSulfatoNaOH

502550655050

6575

4535

71,50,8

7,23,511

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Pb-AgPb-Sb-Ag

Pb-Ca-SnPb-Ag

Pb-AgPb-SbAcero

AceroPb-Ag

AceroAluminioAc.inox.AceroAc.inox.Ac.inox.Ac.inox.Ac.inox.NquelLana ac.PlataAc.inox.AluminioAc.inox.

2.5-3.02,5-2,75,0

2,04,2

5,13,43,0

3,4

1,36,5

2,018,9

8,53,7

3,3

9385759045

6094

90

Estibnita lixiviacin c/Na2SSubproducto del zincCoproducido c/Cu (Zaire)

Despus de LX-SX

Subproducto del aluminioSe usa un diafragmade LX de mata de Co-Nidespus de elucin de CA.

Despus de LX c/cidoProducto zinc en polvo

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TERMODINAMICA Y CINETICA APLICADA A PROCESOS DE ELECTROOBTENCION

Las leyes fundamentales que gobiernan las reaccioneselectroqumicas fueron formuladas, en 1831, por MichaelFaraday, de quien han recibido su nombre.La cantidad de cobre producido por una corriente

elctrica (la cantidad depositada) es proporcional a lacantidad de electricidad pasada.

En una situacin industrial si se aumenta la cantidad decorriente pasada y aumenta la velocidad de depositacin,significa que el proceso est controlado por la reaccin dedepositacin. Si esto no ocurre, significa que el procesoest controlado por la difusin del cobre en la capa lmite.


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Las cantidades de diferentes elementos depositadospor la misma cantidad de electricidad son proporcionalesa sus pesos qumicos equivalentes.

El peso equivalente es la razn entre el peso atmicodel elemento depositado y el nmero de electronesinvolucrados.

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Los procesos de electrodo difieren de otras reaccionesheterogneas en las que la velocidad es directamenteproporcional a la corriente y as tenemos lo siguiente:

i. El peso de metal (cobre) w depositado en un tiempo tes proporcional a la corriente l; es decir, w l.

ii. A corriente constante, el peso de cobre depositado esproporcional al tiempo de la electrlisis; es decir, w t.


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iii. A corriente constante y dentro de cierto tiempo t, lospesos de los metales depositados son proporcionalesa sus pesos equivalentes: w (PM/n), donde PM esel peso molecular y n es la valencia.

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Luego, el peso equivalente del cobre es el siguiente:

64 g/mol /2 = 32 g/mol

64 es su peso atmico y 2 es el nmero de electrones

de la reaccin de reduccin.

Cu2+ + 2 = Cu


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Por lo tanto, si k es una constante de proporcionalidad, setiene la siguiente relacin fundamental de Faraday:

w : peso del cobre depositado, expresado en gramos (g).l : intensidad de corriente aplicada, expresada en

amperes (A).t : tiempo durante el cual se aplic la corriente, expresado

en segundos (s).PM : peso molecular del elemento (cobre) que se est

depositando, expresado en g/mol.n : valencia de la sustancia que se deposita, adimensional.

n

kxIxtxPMw =

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Ahora bien, el valor de la constante de proporcionalidad1/k corresponde a la constante de Faraday.

En que F = 96.493 [amperes x segundo/equivalente],llamado constante de Faraday, cuyo valor numrico sesuele usar redondeado a 96.500.Tambin, se puede expresar a travs de las siguientesunidades:

F = 96.500 [Coulomb/equivalente]

Fk1

15,493.96 ==


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Tambin esta constante puede ser usada en otrasunidades. As se tiene que son igualmente vlidas lasexpresiones de la constante de Faraday, como lassiguientes:

F = 96.500 [joules/volt x equivalente]

F = 23.062,3 [caloras/volt x equivalente]

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La velocidad del proceso de electroobtencin esproporcional a la cantidad de corriente suministrada alsistema.

Veamos el siguiente ejemplo, si se hace circular unacorriente de 50 amperes durante 1 hora, el cobre que sedeposita desde una solucin cida es el siguiente:

nF

PMtIw

*

**=


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Bajo las condiciones planteadas, la masa de cobre quese debe depositar es 119,4 gramos.

Se observa que si la corriente I (Amp.) aumenta en lamisma proporcin, aumentar la cantidad de cobredepositado; con lo cual se desprende que la velocidad dedepositacin es directamente proporcional a la corriente.

Cudegramosw 4,119500.96*1

64*60*60*1*50==

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Efecto del ion frrico en la eficiencia de corriente

Relacin entre densidad yeficiencia de corriente versusconcentracin de ion frrico

100

75

50

25

0

0-25

[%]

Eficiencia decorriente

5 10Concentracin de ion frrico

60 [A/m ]

170 [A/m ]

280 [A/m ]

385 [A/m ]

15 [g/I]

2

2

2

2


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EFICIENCIA DE CORRIENTE

Las relaciones anteriores suponen una total eficiencia enel uso de la corriente. Sin embargo, de la prctica sesabe que esta situacin es ideal y es normal que uncierto porcentaje de electrones se ocupe en ladepositacin de alguna otra sustancia o a ladescomposicin del agua.

La presencia de Fe disuelto en el electrolito baja laeficiencia de corriente.

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Las causas en la baja de la eficiencia de corriente puedenser las siguientes:

Ocurrencia de reacciones paralelas Descomposicin del agua Fuga de corriente Redisolucin qumica de una fraccin del metal

depositado

MOTIVOS POR BAJA EN LA EFICIENCIA DE CORRIENTE


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ELECTRODOS

Los electrodos son superficies sobre las que tienen lugarlas semireacciones de oxidacin y reduccin. Puedenparticipar o no en las reacciones. Aquellos que noreaccionan se denominan electrodos inertes.

Para las diferentes celdas, los electrodos se identifican dela manera siguiente: ctodos y nodos.

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nodo: Superficie donde ocurre la reaccin andica o deoxidacin.

Ctodo: Superficie donde ocurre la reaccin catdica o dereduccin.

EW: Abreviacin de la palabra electroobtencin en elidioma ingls (electrowinning).

Nave electroltica: Espacio donde se ubica un conjunto deceldas electrolticas.


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El nodo es el electrodo donde ocurren las reacciones deoxidacin, como por ejemplo: la reaccin de oxidacin delagua, producindose oxgeno gaseoso.

El nodo normalmente suele ser de aleaciones Pb-Ca-Sb.

Entre electrodos, circula la corriente en forma electrnica atravs de un conductor y el circuito es cerrado a travs delelectrolito con conduccin de tipo inica. Por ello, senecesita un electrolito de elevada fuerza inica.

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Electrolito: Solucin acuosa que contiene los complejosde los elementos a precipitar. En este caso Cu2+.El electrolito cierra el circuito elctrico con conduccin detipo inica.Adems, en los electrolitos se encuentran otroselementos presentes como cloro, ion frrico, ion ferroso,cido, zinc y otros.El electrolito normalmente est a temperaturas en elrango de 50 a 55 C.


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El proceso de electroobtencin se realiza en un reactorllamado celda de electroobtencin que contiene elelectrolito de cobre y los electrodos, donde ocurren lasreacciones de transferencia de electrones.

En general, el electrolito contiene concentracionesvariadas de cobre que pueden ir desde 36 a 46 g/l.

Las variaciones de estas concentraciones dependen delas condiciones en las cuales se realiza el proceso anteriorde extraccin por solvente.

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ANODOS

Los nodos utilizados en el proceso de electroobtencinson del tipo inatacables; es decir, no deben disolverse.

Histricamente, las aleaciones base plomo han sido laprincipal oferta de nodos para los procesos EW y laaleacin Pb-Ca-Sn laminada, casi en la nica ofertavlida del mercado actual.

Cul es la funcin de los nodos en el proceso deelectroobtencin de cobre?


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Existe consenso respecto a los requerimientos que debetener un material para comportarse como nodo, losprincipales requerimientos son los siguientes:

Estabilidad qumica

Buenas propiedades mecnicas

Cataltico de la reaccin principal

Buen conductor electrnico

Menor precio posible

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nodo = f (precio calidad)

nodos actuales en EW

Aleacin Pb-Ca-Sn laminada

Niveles

Ca: 0,06-0,08%Sn: 1,3-1,6%


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PROPIEDADES RELEVANTES A CONTROLAR EN ANODOS

nodoPropiedades mecnicasEstabilidad qumicaContenido Ca/SnSegregacionesForma y tamao de granoDurezaMdulo de fluenciaVelocidad de corrosin

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Entre los estudios efectuados para seleccionar laaleacin de plomo ms adecuada, se han realizadoestudios metalogrficos y de cristalizacin en lasolidificacin de aleaciones.

Adems, se ha estudiado el tratamiento posterior, seatrmico o de laminacin.


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De esta manera, se concluye que es conveniente lautilizacin de diversas formulaciones de aleacin,combinada con tratamiento fsico.

As, por ejemplo, se ofrecen comercialmente nodos dealeacin plomo-calcio (con Ca

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Adems, los distintos fabricantes compiten ofreciendo

alternativas adicionales en las que el estao es

reemplazado por estroncio, etc.


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Sin embargo, lo esencial es que todos estn de acuerdoen los mecanismos y secuencia de las reaccionesqumicas de la corrosin del plomo propiamente tal.

En efecto, en las condiciones de acidez del electrolito,usado en los procesos de recuperacin electroltica porEW, el plomo original del nodo siempre terminaformando una capa exterior superficial de beta PbO2.

22 PbOOPb +

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Para alcanzar ese estado, suelen presentarse variospasos posibles de reaccin secuencial o alternativa.

PbOOPb 22 2 +

OHPbSOSOHPbO 2442 ++

22 )(OHPbOHPbO +

422224 2/1 SOHPbOOOHPbSO ++

OHPbOOOHPb 2222 2/1)( ++


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As, al colocar un nuevo nodo en la celda, primero se

formar una capa de PbSO4 sobre la superficie de la

placa de plomo. A medida que se aplica corriente en el

nodo, el producto de la corrosin se ir cambiando del

PbSO4, transicionalmente a PbO, luego a Pb(OH)2 y,

finalmente, a PbO2; a medida que el potencial aumenta

hasta los niveles de operacin a rgimen.

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En la actualidad, se utiliza mayoritariamente la tecnologade los ctodos permanentes.

Estos ctodos permanentes son comnmente de aceroinoxidable.

El ctodo permanente est compuesto de tres partesbsicas:

Plancha del electrodo Barra de suspensin Franjas protectoras

CATODOS


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CATODOS PERMANENTES

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EL CATODO DE ACERO INOXIDABLE

PlanchaElectrodo Franjas

Protectora

Barra deSoporte

Caractersticas de Diseo del Ctodo


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La plancha del electrodo es de acero inoxidable 316 l.

El acero inoxidable 316 l es un acero de bajo contenidode carbono, con elementos aleantes que contribuyen queeste acero tenga las propiedades aptas para mediosdonde suele ocurrir corrosin, como ocurre en la celda.

Los elementos aleantes que contienen el acero inoxidable316 l son los siguientes: 6-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo.

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