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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA CENTRO DE MINERIA IMM2025 – Procesos Metalúrgicos.

Laboratorio 2:

“Electroobtención y Electrorefinación”

Integrantes:

Andrés De Larraechea Y. Felipe Sánchez Ll.

Profesor: Fecha:

Álvaro Videla. 3 de Noviembre de 2010.

Introducción: Los metales como el cobre, oro, Níquel y zinc se refinan utilizando el proceso de electroobtencion o son recuperados a través de electroobtencion. Electroobtención: La Electroobtención busca recuperar de una solución ácida los iones Cu++ que ésta contenga. Un electrolito (solución ácida) típico contiene 45 g/l de cobre y 180 g/l de H2SO4. La reacción que ocurre en el cátodo es la siguiente: Es decir en él ocurre la reducción del cobre (se deposita el cobre antes disuelto sobre el cátodo). La reacción en el ánodo (éste típicamente de plomo) es la siguiente: En el ánodo por ende se forman burbujas de oxígeno y los 2 electrones que se requieren para la reducción en el cátodo (los electrones viajan del ánodo al cátodo). Ver Figura 1 La reacción en este caso requiere potenciales que superen los 3V. Electrorefinación: Los ánodos provenientes de la refinación a fuego contienen un 99.5% de cobre. Esa pureza no es suficiente para fines industriales por lo que se debe aumentar a 99.999%. La única forma de lograr esto es mediante un proceso de Electrorefinación. En él se disuelve electrolíticamente el cobre del ánodo para luego depositarlo sobre un cátodo de cobre de 99.999% de pureza. Todas las impurezas son retiradas del electrolito o se quedan en el ánodo. Ver Figura 2 La reacción que ocurre en el ánodo es la siguiente: Los iones de cobre viajan por el electrolito hacia el cátodo, en el cuál ocurre la siguiente reacción: En resumen lo que ocurre: En el caso de la Electrorefinación, el potencial que se aplica es inferior, y rodea los 0.3V.

Figura 1: Electroobtención

Figura 2: Electrorefinación

Ley de Faraday La ley de faraday de la electrólisis indica que la masa depositada es proporcional a la carga eléctrica que pasa por la celda.

Donde:

I = Corriente que pasa por la Celda t = Tiempo de depositación M = Masa Molar F = Constante de Faraday = 96485 n = número de valencia de la sustancia como ion en la solución.

Materiales y Equipos requeridos:               

350ml de Sulfato de Cobre (55 g/l de Cu y 180 g/l de H2SO4) 1 placa de plomo de dimensiones 6.5cm x 9.5cm x 0.8cm 1 placa de acero inoxidable de 6.5cm x 10cm x 0.4mm 2 placas de cobre de 6.5cm x 10cm x 0.2mm Balanza de precisión 1mg 1 celda de 500cc de capacidad 1 vaso de 500ml Cinta aisladora Fuente de poder para fijar corriente y voltaje Cables (rojo y negro) Embudo Guantes plásticos Delantal blanco Reloj o cronómetro Regla para medir cm

   



Tijera para cortar cinta aislante y papel metálico Placa calefactora (para calentar solución) Pinza metálica Termómetro Papel metálico (para aislar celda)

Procedimiento experimental: Electrorefinación: 1. 2. 3. 4.

Se utiliza la cinta aisladora para aislar el cátodo y el ánodo de plomo. Se pesa el cátodo Se cubre la celda con papel aluminio y luego se rellena con la solución de sulfato de cobre. Se conecta la fuente de poder, el potencial positivo va al ánodo y el negativo al cátodo y luego se fija la corriente asignada. 5. Luego se retira el cátodo, cada cierto tiempo, se seca y se vuelve a pesar, adicionalmente se toma la temperatura en cada minuto que dura el experimento. Electroobtencion: 1. Se toman dos láminas de cobre y se pesan. 2. Luego se colocan las láminas en la solución de sulfato de cobre y se conectan los cables, tal como en la parte anterior. 3. Luego cada cierta cantidad de tiempo se retira el ánodo y el cátodo para secarlos y luego pesarlos, esto se hace en los minutos 10, 20 y 35, adicionalmente se anota la temperatura de cada minuto del experimento. 4. Una vez finalizado el experimento se mida el área de depositación de las láminas de cobre.

Análisis de Resultados. Presentamos a continuación los resultados obtenidos por los distintos grupos. Específicamente utilizaremos los de los grupos 1, 2, 3, 8, 18, 22, 24, 25. Intentaremos estudiar el efecto de la Concentración de Cobre (g/l), Concentración de H2SO4 (g/l), Intensidad de Corriente (A) (idealmente deberíamos trabajar con la densidad de corriente pero no contamos con la información acerca de las dimensiones de las placas de todos los grupos) y Temperatura (°C), sobre la energía requerida por libra de Cobre depositada sobre el cátodo, tanto en el proceso de Electroobtención, como en el de Electrorefinación. Para esto, al momento de analizar una de las variables, solo variaremos ésta y el resto se mantendrá constante. 1. Concentración de Cu (g/l):

Energía [kWh/lb]

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Concentración de Cu = 35 g/l Concentración de Cu = 45 g/l

0

10

20

30

40

Concentración de Cu = 55 g/l

Tiempo [min] Gráfico 1: Electroobtención, Energía vs. Tiempo a distintas concentraciones de Cu

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo Energía [kWh/lb]

0,1 0,08 Concentración de Cu = 35 g/l

0,06 0,04

Concentración de Cu = 45 g/l

0,02

Concentración de Cu = 55 g/l

0 0

10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 2: Electrorefinación, Energía vs. Tiempo a distintas concentraciones de Cu

Observamos que tanto en la Electroobtención como en la Electrorefinación la tendencia es que al aumentar la concentración de Cu en la solución, se requiere menos energía por cada libra depositada.

2. Concentración de H2SO4 (g/l):

Energía [kWh/lb]

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Concentración de H2SO4 = 180 g/l Concentración de H2SO4 = 220 g/l 0

10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 3: Electroobtención, Energía vs. Tiempo a distintas concentraciones de H2SO4

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo 1 Energía [kWh/lb]

0,8 0,6

Concentración de H2SO4 = 180 g/l

0,4

Concentración de H2SO4 = 220 g/l

0,2 0 -0,2 0

10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 4: Electrorefinación, Energía vs. Tiempo a distintas concentraciones de H2SO4

Con la concentración de H2SO4 ocurre totalmente lo opuesto. En ambos procesos se observa que mientras menor es la concentración de este compuesto, en general se requerirá menos energía por libra depositada de Cu.

3. Intensidad de Corriente (A):

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo Energía [kWh/lb]

1 0,8 0,6 I = 0,25 A

0,4

I = 0,5 A

0,2

I = 0,75 A

0 0

10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 5: Electroobtención, Energía vs. Tiempo a distintas Intensidades de Corriente

Energía [kWh/lb]

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0

I = 0,25 A I = 0,5 A I = 0,75 A 10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 6: Electrorefinación, Energía vs. Tiempo a distintas Intensidades de Corriente

Si nos fijamos en el gráfico 5 de Electroobtención notamos que el óptimo se da a una intensidad de corriente de 0,5 A (ni la más alta ni la más baja). Mientras que en el gráfico 6 de Electrorefinación, podemos notar que la peor eficiencia se obtiene por lejos cuando se aplica la mayor intensidad de corriente.

4. Temperatura (°C):

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo Energía [J/lb]

3000000 2500000 2000000 T = 18°C

1500000 1000000

T = 19°C

500000

T = 68°C

0

T = 70°C 0

10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 7: Electroobtención, Energía vs. Tiempo a distintas Temperaturas

Energía [J/lb]

Energía por libra de Cu depositada vs. Tiempo 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0

T = 18,5°C T = 19,8°C T = 40°C T = 45°C 0

10

20

30

40

Tiempo [min] Gráfico 8: Electrorefinación, Energía vs. Tiempo a distintas Intensidades de Corriente

Las temperaturas indicadas (sobre todo las más altas) corresponden a las temperaturas a las que si iniciaron los procesos, sin embargo, es importante mencionar que están van disminuyendo mientras se lleva a cabo el experimento. En ambos gráficos observamos que los procesos son más eficientes (energéticamente hablando) mientras ocurren a una mayor temperatura. Puesto que la energía requerida por libra de Cu depositada es mayor mientras menor es la temperatura.

Las diferencias de potencial entre EO y ER, se debe primordialmente a la corriente efectiva que pasa por los ánodos y cátodos:  

ER: las eficiencias de corriente efectivas, pueden ser muy altas -entre 95 y 98%-, ya que se trata de un proceso con muy pocas reacciones secundarias que puedan hacer mal uso de dicha energía. EW: hay muchas reacciones posibles -tanto catódicas como anódicas-, potencialmente competitivas a la reacción principal, de modo que la desviación del 100% de uso teórico de la corriente se explica por varias razones.

Siempre hay que recordar que el metal sólo puede depositarse con la corriente que efectivamente pasa por el electrolito.

5. Ley de Faraday

Cu depositado vs Tiempo 1,2

Cu Depositado

1 0,8 Intensidad 0,25 A (grupo 8)

0,6

Intensidad 0.5 (grupo22) 0,4 Intensidad 0.75 A (Grupo24)

0,2 0 0

10

20

30

40

Tiempo

Tabla – Cu depositado vs Tiempo Gráfico 9: Cu depositado vs. Tiempo a distintas Intensidades de Corriente

Tiempo 0 10 20 35 Intensidad

Grupo 8

Grupo 22

Grupo 24

Cu depositado [gr] 0 0,095 0,103 0,178 0,25 A

Cu depositado [gr] 0 0,27 0,36 0,57 0,5 A

Cu depositado [gr] 0 0,33 0,57 1,063 0,75 A

La pendiente del gráfico “Cu depositado vs tiempo” es igual a la masa depositada dividida en el tiempo transcurrido:

En nuestro experimento la única variable seria la corriente que pasa por la celda (I [A]). Según eso, I es directamente proporcional a la pendiente del grafico 7.

Conclusiones: A través de esta experiencia fuimos capaces de presenciar algunos de los procesos más cotidianos en la obtención de Cobre, Electroobtención y Electrorefinación, que aún así no dejan de ser extremadamente llamativos. Ver “aparecer” el Cobre sobre el cátodo resulta fascinante para nosotros, que no estamos tan familiarizados aún con estas prácticas. Sin embargo, el objetivo del laboratorio no yace simplemente en el hecho de observar estos fenómenos, si no en estudiar los factores que tienen influencia en su desarrollo. Si bien no era posible determinar las condiciones óptimas en las que se deberían llevar a cabo estos procesos, los resultados obtenidos arrojan una idea general de cómo las concentraciones de Cu y H2SO4, la intensidad de corriente y la temperatura afectan la eficiencia de cada proceso. A partir de los gráficos que representan los resultados de algunos grupos, podemos concluir que:  A mayor concentración de Cu, se requiere menos energía por libra de Cu.  A menor concentración de H2SO4 también se requiere menos energía por libra de Cu.  Una mayor intensidad de corriente no necesariamente significa que el proceso sea más eficiente. El óptimo debe estar en el medio y los datos obtenidos no son suficientes para inferir más sobre su condición.  A mayor temperatura se requiere menos energía para liberar de Cu. Sin embargo, la solución no es simplemente seguir estas indicaciones, ya que al igual que en todo proceso industrial, hay algunas que casi no se pueden controlar (concentración de H2SO4, por ejemplo) y otras que obedecen a un trade-off entre las medidas que favorecen la eficiencia y sus costos. Por ejemplo, aumentar la intensidad de corriente (hasta cierto punto) o la temperatura podría hacer más eficiente el proceso, pero también lleva un costo asociado.