INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES “Año del centenario de Macchupicchu para el mundo” CURSO CATEDRÁTICO : HIDRO
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INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES
“Año del centenario de Macchupicchu para el mundo”
CURSO
CATEDRÁTICO
:
HIDROMETALURGIA Y ELETROMETALURGIA
:
Ing. CESAR PAUL ORTIZ JAHN
ELECTROREFINACION DEL ORO
ALUMNO FECHA
: :
BERNARDO VILLANUEVA, Wimer.
O1-09-11 HUANCAYO –PERÚ 2011
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES
INTRODUCCION Cuando se analiza los actuales volúmenes exportados de los minerales y se los compara con hace diez años, por ejemplo, se observa que el oro y el molibdeno han incrementado sus cantidades vendidas de manera significativa, 386% y 297% respectivamente, seguidos por el cobre (125%) y el estaño (114%). En los tres primeros casos la explicación de los aumentos es simple, dada la mayor oferta nacional de oro y su demanda mundial para atesoramiento, el incremento del uso de súper aleaciones a base de molibdeno y el desarrollo de la industria asiática (que emplea cobre).
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES INDICE 1.- ELECTROLISIS 2.- ELECTRO OBTENCION 3. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO EN REFINERIA 4. ASPECTOS TEORICOS 4.1 características de los fundentes 5.- EL DORE 5.1.- FUNDICION DEL DORE 6.- REFINACIÓN ELECTROLÍTICA (ELECTRO REFINACIÓN) 7.-REFINACIÓN DEL ORO POR ELECTROLISIS 8.- REFINACIÓN DEL ORO CON ÁCIDO NÍTRICO 9.- LEYES DE FARADAY 10.- VOLTAJE APLICADO A LA CELDA 10.1.- Potencial de reacción 10.2.- Sobre-Potencial en el Cátodo 10.3.- Sobre-Potencial en el Ánodo 10.4.- Resistencia óhmica en el electrólito 10.5.- Caída de potencial en los contactos 11.- DISEÑO Y CONFIGURACIÓN DE CELDAS 11.1.- Largo de la nave 11.2.- Ancho de la nave 11.3.- Voltaje, Amperaje totales y fuente de poder 11.4.- Consideraciones de dimensionamiento 11.5.- Ampliaciones
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES 1.- ELECTROLISIS.
Es un proceso para separar un compuesto en los elementos que lo conforman, usando para ello la electricidad. La palabra Electrólisis viene de las raíces electro, electricidad y lisis, separación. El proceso consiste en lo siguiente:
Se funde o se disuelve el electrólito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización). Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo. Cada electrodo mantiene atraídos a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos al ánodo, mientras que los iones positivos, o cationes, se desplazan hacia el cátodo. La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica. Descubierta por el médico francés Nazho PrZ.
En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). En definitiva lo que ha ocurrido es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica ha sido la encargada de aportar la energía necesaria. Si el agua no es destilada, la electrólisis no sólo separa el Oxígeno y el hidrógeno, sino los demás componentes que estén presentes como sales, metales y algunos otros minerales.
Es importante tomar en cuenta varios puntos:
Nunca debe juntar los electrodos, ya que la corriente eléctrica no va a hacer su proceso y la batería se va a sobre calentar y se quemará. Debe utilizar siempre Corriente continua (energía de baterías o de adaptadores de corriente), NUNCA Corriente alterna (energía de enchufe).
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La electrólisis del catión debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren en contacto, de lo contrario se juntarían de nuevo produciendo una mezcla peligrosamente explosiva. Una manera de producir agua otra vez es mediante la exposición a un catalizador, el más comúnmente conocido es el calor, otro es la presencia de platino en forma de lana fina o polvo, el segundo caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeñas de hidrógeno en presencia de oxígeno y el catalizador de esta manera el hidrógeno se quema suavemente, produciendo una llama lo contrario nunca debe hacerse. La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de: La cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica. De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrolito. La cantidad de electricidad que circula por una celda electrolítica puede determinarse hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir, Q(culombios) = I*t.Tras efectuar múltiples determinaciones, Faraday enunció las dos leyes que rigen la electrólisis y que son: Primera Ley de Faraday: La masa depositada por electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha circulado. Segunda Ley de Faraday: Si varias celdas electrolíticas conectadas en serie y provistas de electrodos inertes son atravesadas por la misma cantidad de corriente eléctrica, las cantidades de sustancia depositadas en cada electrodo son proporcionales a los equivalentes-gramo de las sustancias depositadas.
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2.-ELECTRO OBTENCIÓN
La electro obtención, tiene por objeto realizar una precipitación, selectiva, o colectiva, por medio de Electrolisis de algún (nos) elemento(s) desde una solución. La precipitación por reducción electrolítica es actualmente uno de los procedimientos más sencillos para recuperar metales en forma pura y selectiva, respecto a las impurezas existentes en solución. Su característica principal radica en que el metal ya esta en la solución y solamente se trata de recuperarlo depositándolo en el cátodo, mientras el ánodo es esencialmente insoluble. En la actualidad tiene una gran importancia económica, al permitir el beneficio de recursos lixiviables, tanto en oro, como cobre, plata, etc., cuyo tratamiento por otras vías resultaría económicamente inviable. Algunos de los metales que se recuperan por electro obtención son: Metal Antimonio Cadmio Cromo Cobalto Cobre
Electrolito Soda y sulfuro de sodio Solución de sulfato Solución de sulfato Solución de sulfato Solución de sulfato
Cátodo Acero Aluminio Hastelloy Acero inoxidable Cobre o acero Inoxidable. Galio Solución de Soda (NaOH) Acero inoxidable Manganeso Solución de sulfato Acero inoxidable Níquel Solución de sulfato Níquel o acero inoxidable Oro Solución de Cianuro Lana de acero Plata Solución de Nitrato Plata o grafito Teluro Solución de Soda (NaOH) Acero inoxidable Zinc Solución de sulfato Aluminio Tabla 4.1: Algunos de los metales que se recuperan por electro obtención.
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES 3. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO EN REFINERIA: En la Refinería, el proceso comienza con la colección del precipitado proveniente de la planta de Procesos y el cual es retenido en tres Filtros Prensa. La solución filtrada, a la que se denomina Solución Barren y que contiene menos de 0.02 ppm de Au y Ag, se recepciona en un tanque y luego se bombea al Pad de Lixiviación para el riego de las pilas. El sólido retenido se colecta cada 6 o 7 días, dependiendo de la cantidad precipitada, y es recepcionado en bandejas. Este precipitado tiene una humedad de 35% y un contenido promedio de 25% Au, 57% Ag y 10% Hg. Luego, el precipitado se traslada a cuatro Hornos de Retortas. La finalidad de estos es secar el precipitado colectado y recuperar todo el Mercurio que se encuentra en él, por ello se trabaja con rampas de temperatura hasta alcanzar un máximo de 550 ºC. El ciclo total de la Retorta es de 24 horas. y se trabaja bajo una condición de vacío de 7" Hg. El Mercurio removido es colectado por un sistema de condensadores enfriados por agua y se almacena en un colector el cual se descarga al final del ciclo, a contenedores especiales de Hg (flasks) para su almacenamiento seguro. A fin de remover eventuales remanentes de mercurio gaseoso que puedan ir al medio ambiente, el flujo de vacío pasa a través de un post-enfriador enfriado por agua, ubicada inmediatamente después del colector. Luego, este flujo pasa a través de columnas de carbón activado y un separador de agua antes de ir a la bomba de vacío y recién es descargado a la atmósfera. La saturación de los carbones se controla mediante monitoreo constantes. La recuperación de Mercurio está en valores por encima del 99%. El precipitado seco y frío se mezcla con los fundentes necesarios y se carga a dos Hornos de Inducción. Se requiere cerca de 2 horas para que la carga se funda completamente y llegue a una temperatura de 1300º C (aprox.) con el fin de realizar las escorificaciones y la colada final para obtener las barras Doré. Se utiliza el sistema de colada en cascada para la obtención de las barras. Las barras de Doré obtenidas son limpiadas, enumeradas y guardadas en la bóveda hasta el momento de su despacho. Las escorias producidas se tratan para recuperar el poco de material valioso que pudieran contener, para ello se procesan en un circuito de Chancado y se tamiza a –20m para pasarla por una mesa gravimétrica. Las escorias remanentes (relave) son bombeadas al Pad de lixiviación. El concentrado obtenido se funde nuevamente con el siguiente lote. La recuperación promedio es de 99.7% para el Oro y de 99.5% para la Plata.
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES Diagrama de Flujo en Refinería
4. ASPECTOS TEORICOS: 4.1 características de los fundentes: Los fundentes usados en la Refinería, para la formación de escorias se describen brevemente a continuación:
Bórax: El Borato de Sodio usado está en forma anhidra (Na2B4O7). El Bórax se funde a 743º C, lo cual disminuye el punto de fusión para toda la carga. Cuando se funde es muy viscoso, pero en calor rojo se convierte en un ácido fluido fuerte el cual disuelve y capta prácticamente todos los Óxidos metálicos (tanto ácidos como básicos). Las grandes cantidades de Bórax pueden ser perjudiciales causando una escoria dura y poco homogénea. Además un exceso de Bórax puede dificultar la separación de fases debido a la reducción del coeficiente de expansión de la escoria y su acción de impedir cristalización. Sílice: El Dióxido de Silicio (SiO2) funde a 1750°C y es el fundente ácido más fuerte y disponible que se tiene. Se combina con Óxidos metálicos para formar cadenas de
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Silicato estable. Las escorias con alto contenido de Sílice son extremadamente viscosas y retienen excesivamente metálicos en suspensión. Cuando la Sílice se mezcla con Bórax, se forman cadenas Borosilicatadas. El ratio en peso de Bórax a Sílice en presencia de cantidades considerables de Zinc, generalmente no debe ser menor de 2:1.Estas escorias Borosilicatadas no solo tendrán una alta solubilidad para Óxidos metálicos base, sino que ofrecen buena fluidez al fundido.
Nitro: El Nitrato de Sodio (Na2NO3) se añade para oxidar los metales básicos en la carga. Este es un agente oxidante muy poderoso cuyo punto de fusión es de 338ºC. A bajas temperaturas el nitro se funde sin alteraciones; pero a temperaturas entre 500ºC y 600ºC se descompone produciendo Oxígeno, el cual oxida a los sulfuros y algunos metales como el Hierro, Cobre y Zinc. Se debe controlar la adición de Nitro porque al liberar Oxígeno ocasiona una reacción vigorosa y puede ocasionar el rebose en el crisol. El Nitro reacciona con el Grafito, provocando una excesiva erosión del crisol reduciendo su vida. Carbonato de Sodio: El Carbonato de Sodio (Na2CO3), es un fundente básico poderoso que funde a 852°C. En presencia de Sílice, el Carbonato de Sodio forma Silicato de Sodio con el desprendimiento de Dióxido de Carbono. Estos silicatos reaccionan con una variedad de Óxidos básicos para formar silicatos complejos. Además, debido a la facilidad natural para formar sulfatos alcalinos, también actúa como desulfurizante y un agente oxidante. El uso de El Na2CO3 proporciona transparencia a la escoria pero en cantidades excesivas origina escorias pegajosas e higroscópicas que son difíciles de remover del Doré. Fluoruro de Calcio: Conocido como Fluorspar (CaF2), tiene un punto de fusión de 1380°C. Cuando se funde es muy fluido y es capaz de mantener en suspensión partículas sin fundir, sin afectar la fluidez de la escoria. Reduce la viscosidad porque es un eficiente rompedor de cadenas silicatadas. Aun en pocas cantidades, el Fluoruro de Calcio tiende a atacar el crisol y puede causar pérdida del Bórax por volatilización del BF3. 5.- EL DORE El Doré es una aleación de Au y Ag. El objetivo del proceso de fundición o fusión de precipitados de Oro y Plata es obtener metal Doré en presencia de fundentes formadores de escoria a temperaturas que excedan el punto de fusión de todos los componentes de la carga típicamente entre 1200 y 1300ºC. El tiempo que se demora en fundir completamente la carga no solo depende de la calidad de la escoria que se forma sino también de la composición química de la aleación Oro-Plata. El punto de fusión del Oro es de 1064°C, mientras que la Plata funde a 962°C.
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5.1.- FUNDICION DEL DORE:
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES 6.- REFINACIÓN ELECTROLÍTICA (ELECTRO REFINACIÓN)
Utilizado por primera vez al sur del País de Gales, en 1869, la electro refinación es un proceso de purificación del metal que se lleva a cabo en celdas electrolíticas y consiste en la aplicación de corriente eléctrica, para disolver el metal impuro. De esta manera es obtenido en metal más puro posible, con un 99,99% de pureza, lo que permite su utilización como conductor eléctrico. Este proceso de refinación le da un valor agregado al mineral, ya que se utiliza tecnología adecuada para posteriormente poder comercializar el metal refinado, y entonces las distintas empresas que compren estos minerales refinados le darán el uso que estimen conveniente.
El proceso: 1.- La electrólisis: Este proceso de electro refinación se basa en las características y beneficios que ofrece el fenómeno químico de la electrólisis, que permite refinar el metal anódico (ánodo) mediante la aplicación de la corriente eléctrica, obteniéndose cátodos de metal de alta pureza.
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES La electro refinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma alternada un ánodo (que es una plancha de metal obtenido de la fundición) y un cátodo, (que es una plancha muy delgada de metal puro) en una celda. La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por una solución de ácido sulfúrico y agua (…). Los otros componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es bombeado y almacenado para extraerle su contenido metálico (oro, plata, selenio, platino y paladio). 2.- Cosecha de cátodos: El objetivo aquí es obtener cuidadosamente los cátodos y asegurar su calidad para el despacho. Una vez terminado el proceso de refinación del metal por electrólisis. Los cátodos seleccionados son pesados y embalados para su posterior despacho.
7.-REFINACIÓN DEL ORO POR ELECTROLISIS Refinación del oro. El oro obtenido por cualquier procedimiento, puede contener varios metales que lo impurifican, entre estos figuran, el cobre, arsénico, antimonio, bismuto, plomo, zinc, selenio, etc., sin contar la plata que siempre está aleada con oro. En realidad, hay que hacer dos operaciones para obtener el oro fino: la primera, llamada también “purificación del oro bruto” tiene por objeto la eliminación de todos los metales menos la plata, y la segunda, el refino propiamente dicho, que consiste en la separación de estos dos metales. Todas estas impurezas se eliminan mediante una operación preliminar de fundición agregando fundentes como el bórax, el nitro, permanganato de potasio, o mediante la acción del aire o de los óxidos metálicos, los cuales tienen por objeto la oxidación de las impurezas. Una vez eliminados los otros metales mediante los procedimientos de purificación, q u e d a u n a a l e a c i ó n o r o p l a t a q u e d e b e s o m e t e r s e a u n o d e l o s p r o c e s o s d e refinación para obtener el oro en su máxima ley de pureza (99.9% Au).
Por otra parte, la refinación electrolítica (ER), constituye un paso obligado de refinación para proceder a la comercialización final de numerosos metales. Su característica principal radica en que el metal llega como ánodo (soluble) y se disuelve electrolíticamente, mientras en el cátodo se deposita el metal refinado en forma simultánea. Las impurezas quedan disueltas en el electrolito, y también precipitan en los residuos o barros anódicos.
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES Antes de la operación es importante que te asegures de que no hay plomo, selenio, teluro, arsénico, antimonio y bismuto porque son perjudiciales. La solución o electrolito está constituido por cloruro de oro. La solución puede contener 28 gramos de oro por litro. El ánodo lo conforma el oro solamente purificado (método conocido, no refinado) de un décimo de pulgada en espesor. El cátodo lo constituye una lámina de oro puro. El voltaje de uso es de 1.7 voltios. En 24 horas el oro se disolverá a una densidad de corriente de 30 amperios por pie cuadrado. El oro se recoge en el cátodo y algo de oro con el lodo quedará en el ánodo. Se limpia continuamente la superficie del ánodo para exponer más superficie y también se limpia el cátodo con dispositivos mecánicos con escobilla. El oro acumulado se reúne y se funde dando una ley de 999 fino. La electrólisis de oro (Au) consiste en la reducción del (Au(3+) +3e = Au) desde la solución hacia el metal y la oxidación del agua a oxígeno y ácido ( H2O = O2 + H(+)+e) , la reducción sucede en el cátodo , que puede ser de acero u oro y la oxidación en el ánodo de plomo. Debido a que el potencial de reducción del Au es mayor a la del plomo, no es posible reducir el Au de manera directa, una buena opción operacional es obtener AuCl (-1) desde solución empleando en la celda una solución con razón HNO3/HCl = variable (NO es agua regia), debe usarse alto cloro debido a que éste es el que diluye y "secuestra" el Au desde solución. Hecho lo anterior, se puede obtener Au como AuCl(-) por medio de: AuCl(-1, solución) + H (solución) = Au(cátodo) + HCl. Las condiciones de pH y potencial de celda, diferente al termodinámico que se obtiene desde la ecuación de nernst o diagramas de tensión- pH ( Pourbaix ) dependen del mineral o aleación y de las impurezas que éste tenga
8.- REFINACIÓN DEL ORO CON ÁCIDO NÍTRICO
El oro con impurezas se vuelve a fundir aleando con la plata en dos veces su peso. Una vez fundida la aleación se granalla vaciando en agua fría, contenida en un cilindro metálico hasta la mitad de su altura. En una olla de barro, bien recocido se hace hervir en ácido nítrico diluido del 15 al 20% hasta que desaparezcan las granallas de la aleación, cambiando el ácido diluido cuando se satura completamente, procediendo de igual forma hasta terminar con toda la carga y guardando el lodo en otros recipientes. La solución o líquido de nitrato de plata se trasfiere a otro bidón, y tras de clarificarlo se
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES precipita con la sal común o ácido clorhídrico. Después de su lavado con agua caliente y fría, se reduce con sulfúrico y pedazos de fierro, se lava con agua caliente y fría, se seca y se funde. Para recuperar el oro se reúne los lodos, se filtra y se lava con agua caliente y luego con agua fría y se disuelve con agua regia. Se precipita en sulfato ferroso; se vuelve a lavar y una vez secado se funde con bórax y cenizas de hueso. El oro tendrá una ley de 990 a 999 de fino o de refinación del oro es necesario para obtener oro de la mayor pureza posible de numerosas fuentes. 9.- LEYES DE FARADAY Las leyes fundamentales que gobiernan las reacciones electroquímicas fueron formuladas, en 1831, por Michael Faraday, y describen lo siguiente:
La cantidad de cambio químico producido por una corriente eléctrica, es decir, la cantidad disuelta o depositada de una sustancia, es proporcional a la cantidad de electricidad pasada.
Las cantidades de diferentes sustancias, depositadas o disueltas por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus pesos químicos equivalentes.
El postulado se concreta en la siguiente ecuación:
md
Pat ·icell ·At ·t· c Q·[Ci C f ] z·F
Dónde:
md = Masa depositada [Masa/tiempo] Pat = Peso molecular del elemento en estudio. icell = densidad de corriente de la celda. At = Área total expuesta a depositación. t = Tiempo de exposición. ηc = Eficiencia de la corriente (90 – 92 %). z = Numero de electrones intercambiados en la reacción de depositación. F = Constante de Faraday (96.500 [c/g-eq]. Q = Flujo volumétrico de solución. [Ci - Cf]= Variación de la concentración del elemento de interés en la etapa de E.W.
10.- VOLTAJE APLICADO A LA CELDA A partir de la serie electro-química de los metales, se podría deducir con simpleza que para una reacción electroquímica bastaría con aplicar una FEM, equivalente a la suma de los voltajes requeridos por las reacciones anódica y catódica, respectivamente.
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES Sin embargo, en la práctica esto no es así. El valor calculado E0, es el valor de equilibrio de la celda en condiciones estándares, y por lo tanto, es el valor de la diferencia de potencial de una pila formada bajo concentraciones de 1 molar, por lo que no hay circulación de corriente, sólo existe equilibrio bajo condiciones estándares. Para considerar la situación real, entre otras cosas se debe considerar las concentraciones efectivas de los reactantes. A continuación se expondrán otros criterios de voltaje que deben tomarse en cuenta, estudiados para el caso del Cobre.
Entre los ítems que se deben tomar en cuenta tenemos: 1. 2. 3. 4. 5.
Potencial de reacción. Sobre potencial en el cátodo. Sobre potencial en el ánodo. Resistencia óhmica en el electrolito. Caída de voltaje en los contactos.
10.1.- Potencial de reacción El potencial de la reacción debe tomar en cuenta las condiciones reales en que ocurre el fenómeno, los cuales están ligados con la temperatura y la concentración de los iones en solución. Esto se calcula a partir de la ecuación de Nerst:
E E0 E E0 R T Z F Aprod Areac
R·T APr od Ln z·F ARe ac
, donde:
= Potencial de la reacción. = Potencial en condiciones estándares. = Constante de los gases (8,314 [Joule/molºK]). = Temperatura [kelvin]. = Numero de electrones de la reacción. = Constante de Faraday. = Actividad de los iones en el producto. = Actividad de los iones en el reactivo.
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES En el caso del Cobre tendremos
1 Cu 2 H 2 Cu 0 O2 2 H 2 R·T APr od E E0 Ln z·F ARe ac
2 R·T AH E0 Ln 2·F ACu 2
Si este valor es mayor que cero, nos estará indicando que la reacción ocurre espontáneamente en la dirección de izquierda a derecha de la ecuación química planteada. Por el contrario, si el valor es negativo, significa que la reacción ocurre espontáneamente de derecha a izquierda. Para el cobre la reacción de disolución ocurre espontáneamente, por lo que la reacción de depositación deberá ocurrir mediante el uso de alguna fuerza externa, que se le oponga que, en este caso, es la fuerza eléctrica. Otra manera de calcular el potencial requerido en la reacción química es aplicando la regla de Thompson a la ecuación de Gibbs-Helmholtz, quedando una relación en función de la variación de entalpía de la reacción y el número de electrones de la reacción. Esto se ve en la siguiente expresión:
E
H H [volts] n· j·F n·23 .060
10.2.- Sobre-Potencial en el Cátodo Los fenómenos electrolíticos requieren de un cierto sobre voltaje para su ocurrencia. En el caso de cátodo esto se explica ya que en la superficie de este hay una fuerte demanda de iones del metal, lo que hace que el gradiente de concentraciones se vea reducido en la capa límite a valores extremadamente pequeños. La agitación, en este punto, ayuda bastante a resolver el problema y a disminuir la capa límite, proveyendo de nuevos iones con rapidez desde el seno del líquido. En el caso de EW de cobre, los valores son bastante pequeños, del orden de 0.05 a 0.1 volts. 10.3.- Sobre-Potencial en el Ánodo De manera similar en el ánodo también se necesita un cierto sobre voltaje, para la ocurrencia de la reacción anódica, que en el caso del cobre, es la disociación del agua y liberación irreversible de oxígeno. Aquí también la agitación ayuda a resolver el problema parcialmente. Este sobre voltaje depende del material del ánodo. El ánodo más común usado es el de Plomo, el cual tiene uno de los requerimientos más altos de sobre voltaje, llegando hasta 1 volt. Para este se pueden usar aditivos, como el sulfato de cobalto, que además
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES de disminuir la corrosión del plomo ayuda a bajar el sobre potencial en el ánodo hasta en 0.1 volts. 10.4.- Resistencia óhmica en el electrólito Como todo elemento, el electrólito ofrece una resistencia al paso de la corriente, la que está determinada por la ley de Ohm. Las conductividades específicas típicas para varios electrólitos posibles de EW de cobre, son del orden de:
Solución de lixiviación de lata concentración -> 0.2 [ohms-1·cm-1]. Electrólito de extracción por solventes, EW -> 0.6 [ohms-1·cm-1]. Electrólito de refinación electrolítica, ER -> 0.7 [ohms-1·cm-1].
La disminución de resistencia en las actuales soluciones que transitan en EW y EO se debe a la mayor concentración de ácido, que favorece la conductividad del electrólito. Por otra parte, la conductividad del electrólito aumenta al aumentar la temperatura. Sin embargo, por el contrario, disminuye al aumentar la concentración del metal, debido a la menor movilidad que se observa con estos iones en comparación con los iones de hidrogeno. Es importante decir que la calidad del cobre depositado disminuye al bajar la concentración del metal en solución, así como otras importantes consideraciones, tanto de eficiencia de corriente como de corrosión química, que hacen que los electrólitos de EW modernos el cobre se mantenga siempre por encima de los 30 [gpl], y el ácido sulfúrico entre 140 y 180 [gpl]. La resistencia óhmica también depende de la geometría de la celda, en particular de la distancia entre los electrodos, y también del área del electrodo. Esta resistencia se puede estimar según la siguiente formula:
1d R · ac , por lo que el potencial ocupado será V I ·R , donde k A k dac A I
= Conductividad [(ohm·cm)-1]. = Distancia ánodo-cátodo. [cm] = Área superficial del cátodo [cm2] = Densidad de corriente [Amper]
En el caso del cobre el valor de potencial ocupado puede variar entre 0.15 y 0.25 volts, pudiendo llegar incluso hasta 0.50 volts. 10.5.- Caída de potencial en los contactos Los contactos físicos entre barras conductoras (bus bars), barras distribuidoras interceldas, apoyos de cátodos y ánodos, contacto entre barra de cobre y la placa de acero del cátodo permanente (soldadura), etc. representan otra fuente de resistencia, que
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES es posible disminuir con un adecuado aseo, inspección y mantención de la nave electrolítica, pero que no puede desaparecer. En plantas de un descuidado aseo este valor puede llegar a 0.3 volts, es difícil disminuirlo por debajo de un valor estimado de 0.15 volts.
En resumen, del total de potencial externo que hay que suministrar a la salida de los rectificadores de corriente, para lograr efectuar el proceso de EW del cobre, es la sumatoria de los factores anteriores, llegando a tener un valor promedio del orden de 2.0 volts, o un intervalo posible 1.8 a 2.5 volts, variando por el manejo de la planta.
11.- DISEÑO Y CONFIGURACIÓN DE CELDAS Aplicando la ecuación de Faraday expuesta, generalmente, tenemos como datos la producción de cobre fino, la densidad de corriente, que varía entre 250 a 300 [A/m2], y la eficiencia de corriente. Con esto calculamos un área total que requerimos para que se produzca toda la depositación del cobre. A través de esta área estimaremos las dimensiones de la celda y el tamaño de la fuente de poder. Lo primero es estimar el número de celdas que se necesitan, estas dependerán de nuestra configuración de cátodos por celda, que puede ser la que queramos, pero se debe tomar en cuenta que las más comunes en el mercado, y por ende más económicas, son de 30, 45, y 60 cátodos por celda.
N º cell Nºcell At Nºc Ac
At , donde N º c·Ac ·2
= Numero de celdas en la nave. = Área total de depositación. = Numero de cátodos por celda. = Área por cátodo.
Como la depositación ocurre por ambos lados de cada cátodo, el área expuesta se multiplica por 2. La configuración geométrica de estas celdas óptimas en la nave, viene dada por el siguiente esquema:
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Figura 4.3.1 Configuración geométrica optima de las celdas en una nave electrolítica.
Donde vemos que las celdas se distribuyen a lo largo de la nave en dos bancos paralelos de celdas conectadas en serie, con un pasillo por el medio para que pueda caminar el operador. Esto viene dado principalmente porque el ancho de la nave está acotado por el ancho de un puente grúa. 11.1.- Largo de la nave El largo de la nave viene dado por la multiplicación de la mitad de las celdas y el ancho de cada una de estas. Donde el ancho de la celda está compuesto por:
Ancho del electrodo (1 m). Distancia del electrodo a la pared (0.1 m). Ancho de la pared de la celda (0.1 m por lado).
L arg o _ nave
nº celdas nº celdas ·Ancho _ celda ·1.4[m] 2 2
11.2.- Ancho de la nave El ancho de la nave será igual a dos veces al largo de cada celda más el ancho del pasillo central (2 m) más una holgura en cada pared de la celda (1 m c/u). Donde el largo de la celda dependerá de:
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Numero de cátodos más 1 (debido a que existe un ánodo más que cátodo). Numero de ánodos Ancho del cátodo (0.015 m). Ancho del ánodo (0.001 m). Distancia entre ánodos y cátodos (0.1 m). Ancho de las paredes de la celda (0.1 m por lado).
Ancho _ nave 4 2·n º c ·An c n º a ·An a n º c ·d ac 0 .2 , donde 6 1 2 3 4 5 7
1 2 3 4 5 6 7
= Ancho pasillo más holguras laterales. = Porque son dos celdas en la línea transversal de la nave. = Ancho total producto de los cátodos. = Ancho total producto de los ánodos. = Ancho total producto de la separación ánodo-cátodo. = Ancho de las paredes de la celda. = Ancho total por celda.
Tomando las configuraciones señaladas anteriormente, de 60, 45, 30 cátodos por celda, tenemos configuraciones de 18.5, 15, 11.5 metros de ancho de nave, respectivamente.
11.3.- Voltaje, Amperaje totales y fuente de poder Como las en cada celda tenemos una serie de electrodos conectados en paralelo, en toda la celda tendremos la misma caída de potencial que en la reacción, o sea 2 volts. Luego como tenemos todas las celdas conectadas en serie el voltaje de la nave será de:
Vt 2·N º celdas[volts] Como las celdas están conectadas en serie, y solo están conectados los electrodos en paralelo, la corriente total dependerá de la densidad de corriente aplicada por electrodo y el área total por celda.
A I t i 2 ·Acelda [m 2 ] 250 · N º catodos ·Acatodo ·2 A m Luego la potencia del rectificador debe ser Pt I t ·Vt [W ]
INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES 11.4.- Consideraciones de dimensionamiento En el dimensionamiento es importante considerar a priori estos conceptos:
Es importante agregar 5% de voltaje extra. Conviene agregar corriente para operar a un 90% de esta.
11.5.- Ampliaciones Para el estudio de ampliaciones en una planta ya construida, se pueden estudiar dos posibles soluciones: 1
Aumentar la densidad de corriente en la celda. Si tomamos en cuenta esto podremos establecer un máximo de 300 [A/m2], lo que nos genera un aumento aproximado de un 20 % en el consumo de corriente. Lo cual es mucho para el dimensionamiento establecido, y nos genera un cuello de botella con el rectificador.
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Otra forma es aumentando al área total de depositación, donde esta depende del Área del cátodo, el número de cátodos, y el número de celdas. Tanto el primer como segundo ítem no se pueden hacer ya que la planta está construida, además afectan directamente en el consumo de corriente. La tercera opción no genera problemas en lo que corresponde a construcción ya que solo hay que alargar la nave, tampoco repercute en la corriente consumida ya que estas están en serie, pero si repercute en el voltaje total del rectificador, donde topamos nuevamente en su dimensionamiento.
Por estas razones una ampliación en la planta es conflictiva y debe tenerse en cuenta desde antes, ya que existe un gran cuello de botella en el rectificador dimensionado. Ejemplos de cuellos de botellas son:
Chancador primario. Correas principales. Tambor aglomerador. Sistema de carguío principal. Bombas principales. Canaletas principales. Circuito de extracción por solventes (SX). Puente grúa (EW). Equipo despegador de cátodos.
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CONCLUSION Los minerales representa la principal materia prima de gran importancia para la elaboración de objetos y artículos en la vida cotidiana, los mismo al ser explotados generan ingresos al ser comercializados, pero igual su explotación puede generar caos ecológicos y agotamientos de los mismos a ser extraídos masiva e indebidamente sin tomar en cuenta los diversos factores medio-ambientales.
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BIBLIOGRAFIA
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