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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE SAN LUIS POTOSI FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

Electro Refinado de Cobre y Zinc

Profesor: Dr. Antonio Montes Rojas

Pardo Reyes Víctor Ernesto Zapata Cuevas Luis Fernando

30/05/2019

Electro Refinado de Cobre y Zinc

Contenido INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 3 OBJETIVO ................................................................................................................................................. 4 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 4 DEFINICION Y CONCEPTOS ...................................................................................................................... 5 ELECTROREFINACION DE Cu. ................................................................................................................... 6 Propiedades del cobre......................................................................................................................... 6 Inicio De Proceso. ................................................................................................................................ 7 Scrap e impurezas. .............................................................................................................................. 8 Subproductos de la Refinación Electrolítica. ..................................................................................... 10 ELECTROREFINACION DE ZINC .............................................................................................................. 10 Propiedades del Zinc ......................................................................................................................... 10 Proceso de Electro refinación ........................................................................................................... 10 CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 11 Bibliografía............................................................................................................................................. 12

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Electro Refinado de Cobre y Zinc

INTRODUCCIÓN La electro refinación es el último proceso metalúrgico al que es sometido el cobre procedente de materias primas sulfuradas y, por tanto, reviste características especiales de calidad. La electro refinación es utilizada para producir cátodos de cobre de alta calidad a partir de ánodos que contienen una variedad de impurezas. Este proceso es llevado a cabo en un electrolito acuoso que contiene ácido sulfúrico y sulfato de cobre principalmente, a una temperatura cercana a os 65 °C. Durante la electrólisis, los ánodos se disuelven y se deposita cobre metálico sobre el cátodo. Los cátodos de cobre deben reunir criterios de calidad tales como un depósito catódico liso (sin presencia de nódulos ni dendritas), un bajo contenido de impurezas (99,99 % de pureza) y un bajo nivel de porosidad. Los depósitos lisos, sin nódulos y no porosos contienen muy pocas impurezas. Estos, además, deben ser obtenidos bajo altas eficiencias de corriente (>90 %). Esta es una tarea compleja ya que el crecimiento de los cátodos está influenciada por muchos parámetros tales como densidad de corriente, temperatura del electrolito, composición del electrolito, composición del ánodo, espaciamiento ánodo-cátodo, flujo de electrolito y probablemente una de las más importantes: la dosificación y concentración de aditivos. En el Zinc existen varios procesos que conducen a la obtención del cinc metal: procesos de reducción térmica, proceso de retortas horizontales, proceso de retortas verticales, proceso electro térmico, proceso ISF y el proceso electrolítico que, actualmente, acapara la producción de mayor tonelaje de metal produciendo el 85% del cinc mundial. El Zinc se obtiene partir de concentrados sulfurosos, de forma más común, por el método del electrólisis, es un proceso muy utilizado, y existen más de 70 refinerías de zinc en el mundo con este tipo de proceso. El refinado de cobre es un paso muy necesario para la eliminación de impurezas con el fin de lograr las propiedades deseadas para una aplicación específica. El aumento de la densidad de corriente en el refinamiento electrolítico de los ánodos de cobre ha dado como resultado un aumento en la tasa de producción de cobre y, por lo tanto, una reducción de costos.

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Ilustración 1: Industria de Electro refinado

OBJETIVO La electro refinación tiene como objetivo eliminar las impurezas que dañan las propiedades eléctricas y mecánicas del cobre, además de separar las impurezas valiosas del cobre. Estás pueden ser recuperadas en un proceso de electro refinación, el ánodo es el metal impuro y sus impurezas deben de ser eliminadas durante el paso del metal proveniente del ánodo al cátodo a lo largo de la electrólisis. Usualmente el objetivo de la electro refinación es separar uno de los metales en forma pura a partir de una aleación que contiene un alto porcentaje del metal deseado, por ejemplo, cobre y varios otros metales disueltos en el cobre o íntimamente mezclados con ella. Las impurezas pueden clasificarse en dos grupos: a) los metales que pueden ser más fácilmente que el cobre oxidado, por ejemplo, hierro, níquel, y b) los metales oxidados con menos facilidad de cobre -por ejemplo, oro, plata.

ANTECEDENTES  La electro refinación es un proceso antiguo. Este fue primeramente demostrado experimentalmente por Von Leuchtenber en 1847. Sin embargo, Elkington patentó el proceso en 1865 y desarrolló la primera planta exitosa en Pembrey, Wales en 1869. La producción comercial de la electrólisis de los metales tuvo su origen hace un siglo, cuando James Elkington, un inglés, inventó un proceso para la refinación de cobre electrolítico.  La Primera Guerra Mundial hizo aumentar la producción de cinc y fue entonces cuando el proceso electrolítico se desarrolló de forma industrial.

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 A mediados del siglo XVIII los ingleses importaron de China la tecnología de fabricación de cinc y montaron en Bristol un horno similar a los utilizados para vidrio que podía alcanzar 1000ºC.  En la electro refinación del zinc, la primera planta comercial fue la de Anaconda, en

Montana (EEUU), y tenía una capacidad de 25 tm/día, en 1915. En 1916, se hicieron plantas mayores en Great Falls, también en Montana, y en Trail (British Columbia, Canadá), y en 1918 en Pisdon (Tasmania). El proceso creció desde entonces hasta la capacidad actual que ronda las 100000 ton/año. DEFINICION Y CONCEPTOS Todas las operaciones electrolíticas dependen de dos factores fundamentales: la primera es el volumen o cantidad factor que está relacionado con amperios; la segunda es la energía o factor de presión que está relacionado a voltios. La cantidad de metal depositado desde un electrolito está en conformidad con las leyes enunciadas por Faraday, que establecen: que la cantidad es proporcional al número de amperios-hora, y que un número determinado de amperio-horas depositará una cantidad equivalente de cualquier metal, el equivalente se determina dividiendo el peso atómico por la valencia.

Las reacciones se llevan a cabo según se ilustra 

Reacción en el ánodo M → Mn+ + ne-



Reacción en el cátodo Mn+ + ne- → M

El proceso de electrorefinación usa sal fundida o bien un electrolito en estado no acuoso con el objetivo de optimizar el desarrollo. Esto se debe a las posibilidades que ofrecen para aumentar las densidades de corriente y refinar a través de estados de oxidación más bajos que no son estables en el agua. Sin embargo, los procesos acuosos predominan actualmente debido a su facilidad de manejo y química más desarrollada Usualmente la refinación electrolítica tiene dos objetivos fundamentales: a) Eliminar las impurezas que dañan las propiedades eléctricas y mecánicas del cobre. b) Separar las impurezas valiosas del metal. Estas pueden ser recuperadas después como subproductos metálicos.

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La separación de impurezas se logra a partir de una aleación que contiene un alto porcentaje del metal deseado, por ejemplo, cobre y varios otros metales disueltos en el cobre o íntimamente mezclados con ella. Las impurezas pueden clasificarse en dos grupos: 

Los metales que pueden ser más fácilmente que el cobre oxidado, por ejemplo, hierro, níquel



Los metales oxidados con menos facilidad de cobre -por ejemplo, oro, plata

ELECTROREFINACION DE Cu.

Propiedades del cobre Las propiedades del cobre pueden resumirse en que tiene alta conductividad eléctrica, alta conductividad térmica, bajo nivel de corrosión, de baja toxicidad para los humanos. El uso más recurrente del cobre en los tiempos modernos es como conductor eléctrico y cerca del 50% de su demanda es para usos eléctricos. Los ánodos de cobre prácticamente impuros deben ser sometidos a un último proceso para eliminar las impurezas remanentes. Para esto, se sumergen en un baño ácido (60-65ºC) donde se facilita la migración de iones de cobre hacia el cátodo. El resultado es Cobre 99,99% de pureza. Así, el objetivo fundamental de la refinación electrolítica es la obtención de un cátodo de cobre de elevada pureza, prácticamente libre de impurezas y que es adecuado para ser transformado en función de futuras aplicaciones.

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Ilustración 2: Representación esquemática del proceso de electro refinación de cobre

Inicio De Proceso. Las láminas iniciales de cátodo son planchas delgadas de cobre electrolítico de aprox. 2mm; estos son fabricados por deposición electrolítica sobre planchas de titanio Aceitadas, en celdas electrolíticas especiales. El depósito catódico se acumula a ambos lados de estas láminas hasta alrededor de 1 cm. Un cátodo pesa entre 70 - 150 Kg y así se usan para producir 2 a 4 cátodos de cada para de ánodos. Los estanques son hechos de madera o concretos revestidos con plomo con un orificio en el fondo para extraer el barro anódico (subproducto del proceso), la última tecnología permite tener celdas del tipo poliméricas permitiendo ahorro en espacios y de costo.

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Ilustración 3: Cátodos de cobre

Scrap e impurezas. Los ánodos se disuelven electroquímicamente hasta que sólo quedan las orejas y pequeña parte de la hoja de ánodo original, esta parte vuelve como chatarra al horno de ánodos y se denomina “scrap”.

Ilustración 4: Scrap anódico

De las impurezas presentes, oro, plata, plomo, platino selenio, teluro, antimonio y algo de arsénico se juntan en el electrolito. El barro anódico es extraído del estanque a intervalo y tratado para recuperar el oro, plata y otros metales. La refinación electrolítica es el único modo práctico de remover el oro y plata del cobre.

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Los electrolitos de refinación contienen CuSO4 y H2SO4 libre usualmente alrededor de 40 g de cobre y 200 g de ácido libre por litro. Para obtener un cátodo puro la cantidad disuelta de hierro, níquel y arsénico debe mantenerse un valor mínimo y esto se hace periódicamente descartando una parte del electrólito a una planta de purificación de soluciones y reemplazando por un volumen igual de solución fresca.

Ilustración 5: Comportamiento de las impurezas anódicas.

Ilustración 6: Diagrama de flujo del refinado de cobre

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Subproductos de la Refinación Electrolítica. Como subproducto de la refinación electrolítica se puede identificar a los barros anódicos, que pueden ser procesados en una planta de metales nobles para la recuperación de oro, plata, selenio, teluro, platino y paladio. También, estos pueden ser simplemente descobrizados y embarcados al extranjero para su posterior tratamiento. En forma adicional al electrolito se le agregan substancias que retardan o impiden el proceso catódico y otros que mejoran la morfología de los cátodos de cobre. En general a estas substancias se les denomina “aditivos”.

ELECTROREFINACION DE ZINC Propiedades del Zinc

El zinc es buen conductor del calor y la electricidad. Como conductor del calor, tiene una cuarta parte de la eficiencia de la plata. A 0.91ºK es un superconductor eléctrico. El zinc puro no es ferromagnético. Los usos más importantes del zinc los constituyen las aleaciones y el recubrimiento protector de otros metales. El hierro o el acero recubiertos con zinc se denominan galvanizados, y esto puede hacerse por inmersión del artículo en zinc fundido (proceso de hot-dip), depositando zinc electrolíticamente sobre el artículo como un baño chapeado (electrogalvanizado), exponiendo el artículo a zinc en polvo cerca de su punto de fusión (sherardizing) o rociándolo con zinc fundido (metalizado).

Proceso de Electro refinación Al usar una producción electrolítica, los costos de producción son menos elevados y se recuperan los metales secundarios tales como Cu, Pb, Cd, Ni en una mayor proporción comparado con otros métodos además de que el Zn obtenido y los metales secundarios tienen una mayor pureza.

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La solución lixiviada (líquido resultante del proceso de percolación) del sulfato de zinc se bombea después de la purificación a tanques de almacenamiento y de allí pasa a las cubas electrolíticas para la precipitación del zinc por electrólisis. Dicha precipitación se realiza mediante la aplicación de corriente eléctrica usando ánodos insolubles; se produce la descomposición del electrolito y el zinc metálico se deposita en los cátodos. En una disolución acuosa se puede resumir en la reacción: ZnSO4 + H2O → Zn + H2SO4 + ½ O2

CONCLUSIONES En este trabajo de investigación comprendimos más a fondo el funcionamiento de la electro refinación de cobre y Zinc; como se mencionó anteriormente es un proceso muy utilizado para la obtención de diversos metales. A pesar de que existen diversos procesos basados en propiedades electroquímicas para obtener metales, este resalta en particular por sus muchos beneficios entre los que se encuentran la alta pureza con que el metal de interés y los metales que funcionan como impurezas salen al final del proceso, además de su bajo costo y alto rendimiento. En este proceso de electro refinado se entiende que los metales tienen un alto grado de impureza En este trabajo de investigación se pudo reforzar más los conocimientos adquiridos en el curso de Electroquímica considerando los conceptos de otros cursos llevados en la carrera para mayor entendimiento del tema y así poder llevar a cabo con éxito este proyecto.

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Bibliografía (s.f.). Carl H. Hamann, A. H. (1998). Electrochemistry. Electrochemistry Wiley-VCH. David. (27 de septiembre de 2016). 911 Metallurgist. Obtenido de https://www.911metallurgist.com/metalurgia/refinacion-electrolitica/ Lilius, O. F. (1987). The Electrorefining and Winning of Copper. Warrendale: J.E. Hoffmann et al. Manager, L. (s.f.). Copper, Leand and Zinc Smelting and Refining. Obtenido de http://www.iloencyclopaedia.org/part-xiii-12343/metal-processing-and-metal-workingindustry/smelting/copper-lead-and-zinc-smelting-and-refining. Schloen, J. (1987). The Electrorefining and Winning of Copper. Warrendale: J. E. Hoffman et al.

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