Informe 3 De Electro.docx

UNIVERSIDAD CATOLICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y MINAS

LABORATORIO N°3 “MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UNA CIRCUITO CONTINUO DE ELECTROOBTENCIÓN” Paulina Morales Cerezo [email protected] Marcelo Bertoglio Herrera [email protected] INGENIERIA CIVIL METALURGICA Resumen: El presente informe tiene como objetivo principal montar, poner en funcionamiento y controlar un circuito continuo de electroobtención, para ello se realizaron los cálculos de la intensidad específica, la masa de cobre teórica y la intensidad de corriente, para proceder con el montaje del circuito, usando dos ánodos de plomo y un cátodo de acero inoxidable, a una densidad de corriente de 250 [A/m2] y un amperaje acorde a cada densidad de corriente, y un electrolito rico y otro circulante con un tiempo de deposición de una hora y media, para finalmente pesar el cátodo de acero inoxidable. Concluyendo que los resultados obtenidos son la eficiencia del proceso que fue de 159,49%, la masa real igual a 3,78 [g], masa teórica de 2,37 [g] y el consumo de corriente 0,95 [g]. Introducción: El proceso de electroobtención de cobre constituye la etapa terminal del proceso de beneficio de “minerales oxidados y mixtos de cobre”. El cobre es depositado desde soluciones purificadas por medio de una electrólisis directa. El objetivo del proceso es producir cátodos de cobre de alta pureza. Para lograr este objetivo, la solución proveniente de la etapa de lixiviación es purificada y concentrada en cobre en la planta de extracción por solventes, para posteriormente ser conducida a una serie de celdas de electrodeposición donde se producen los cátodos de cobre con una pureza de 99,99%. En este tipo de procesos, la tecnología actual contempla el uso de cátodos permanentes de acero inoxidable 316L y ánodos insolubles laminados de una aleación Pb-Ca-Sn. Las semirreacciones que ocurren para la deposición del cobre son las de reducción del ion cúprico y la hidrolisis del agua. [Benavente O, 2015].

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Objetivo de la experiencia: 

Montar, poner en funcionamiento y controlar un circuito continuo de electro obtención, además de realizar mediciones de concentración y corriente para el control de esta.

Desarrollo Experimental: Materiales:

 Electrolito rico 45 [g/L]  Electrolito Circulante     

Dos ánodos de plomo Un cátodo de acero inoxidable Lija de metal Matraz de Kitasato Mangueras de plástico

Equipos: 

 

Celda de laboratorio de electroobtención Rectificador (fuente de poder) Bombas

Elementos de Protección Personal:   

Delantal de laboratorio Zapatos de seguridad Guantes

Para el montaje y puesta en marcha del circuito continuo de electroobtención se deberán seguir los siguientes procedimientos, de acuerdo con las indicaciones, fórmulas y precauciones entregas a continuación:

 Rellenar la celda y el matraz de Kitasato con E.C.  Medir el área catódica y determinar el amperaje para una densidad de  

     

corriente de 250 [A] Instalación del circuito eléctrico además de conectar las mangueras a sus respectivos equipos. Calibrar las bombas para su correcto funcionamiento Instalación de electrodos (ánodos y cátodo). Poner en funcionamiento la celda de E.O por una hora y media. Controlar cada 10 min la concentración de cobre y ácido en el matraz de Kitasato (E.C). Retirar los cátodos (acero inoxidable) y lavarlos con abundante agua. Tomar fotografías de la superficie de los cátodos. Determinar la eficiencia de corriente y consumo de corriente.

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Resultados y discusiones: Ecuaciones utilizadas:

𝜂=

𝑀𝑟 𝑀𝑡

𝐼𝑒𝑠𝑝 = 𝑀𝑐𝑢 =

∗ 100

(Ec. 1)

𝐼

(Ec. 2)

𝑀𝑐𝑢 𝑃𝑀∗𝑡∗𝐼

(Ec. 3)

𝐹∗𝑒𝑞

𝐼 =𝑖∗𝐴 𝐶𝑒𝑠𝑝 =

(Ec. 4)

𝐼∗𝑉

(Ec.5)

𝑀𝑟

[𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝑃 =

[𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝐶 ∗𝑉𝐸.𝐶 −[𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝑅 ∗𝑉𝐸.𝑅 𝑉𝐸.𝑃

(Ec.6)

Donde:

𝜂: Eficiencia 𝐼𝑒𝑠𝑝 : Intensidad específica [A/g] 𝑀𝑐𝑢 : Masa de cobre [g]

[𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝐶 : Concentración de cobre electrolito circulante. [𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝑅 : Concentración de cobre electrolito. rico.

𝐼: Intensidad de corriente [A]

[𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝑃 : Concentración de cobre electrolito. pobre.

𝐶𝑒𝑠𝑝 : Consumo específico de corriente [W/g]

𝑉𝐸.𝐶 : Volumen electrolito circulante

𝑀𝑟 : Masa real de cobre [g]

𝑉𝐸.𝑅 : Volumen electrolito rico.

𝑀𝑡 : Masa teórica de cobre [g]

𝑉𝐸.𝑃 : Volumen electrolito pobre.

PM: Peso molecular de cobre [gr/mol] t: Tiempo [s] F: Constante de Faraday [C/eq] Eq: Número equivalente [eq/mol] i: Densidad de corriente [A/𝑚2 ] A: Área de la celda [𝑚2 ] 3

A continuación, se muestran los resultados obtenidos de la experiencia de electroobtención.

Tabla 1. Masas obtenidas tanto teóricamente como experimentalmente además del consumo de corriente teórico calculado. Densidad de corriente [A/m2] Masa teórica [g] Masa real [g] Consumo de corriente [W/g]

180

250 2,37 3,78 0,95

159.49

Eficiencia [%]

160 140 120 100

Eficiencia

80 60 40 20 0 250

Densidad de corriente [A/m2] Gráfico 1. Eficiencia del proceso de electroobtención en función de la densidad de corriente teórica utilizada.

En Tabla 1 se puede observar la masa teórica 2,37 [g] y real 3,78 [g] de cobre obtenida en la experiencia, a una densidad de corriente de 250 [A] al igual que su consumo de corriente de 0,95 [W/g]. La principal razón de la diferencia entre la masa teórica y la de la masa experimental lo que conlleva a una eficiencia de corriente alta de 159,49% (Consultar gráfico 1). Se debe a que mientras el cobre se deposita sobre el cátodo existe un atrapamiento de electrolito como también una deposición de impureza como oxido de plomo que es producido por la disolucion del ánodo, lo cual contribuye a un aumento de la masa depositada en el cátodo. Sin embargo, este 4

aumento en la masa quita estabilidad a la capa superficial del cátodo obteniendo un cátodo rugoso y que presenta perdidas de masa al ser lavado. [Benavente O, 2015].

40 35

Concentración [g/L]

30

25 20

Concentración [Cu+2] E.P. [g/L] Concentración [Cu+2] E.C. [g/L]

15 10 5 0 0

20

40

60

80

100

120

Tiempo [min]

Gráfico 2. Variación de la concentración de cobre en un electrolito circulante y electrolito pobre a través del tiempo.

Grafica 2 fue obtenida a partir del balance de masa realizado con los datos obtenidos en la experiencia Tabla 3 (Ver apéndice), estas curvas poseen un comportamiento relativamente lineal además de ser constantes, esto es debido a que en un circuito continuo de electro obtención el electrolito pobre que sale de la celda presenta una pérdida de iones cobre el cual se deposita en el cátodo de cobre. Este electrolito pobre al ingresar al matraz de Kitasato entra en contacto con electrolito Rico y circulante con los cuales se efectúa una reposición de los iones de cobre perdidos desde el electrolito pobre. [Grágda M, 2007].

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Ilustración 1. Aspecto físico del cátodo de cobre obtenidos mediante el circuito continuo de electroobtención a una densidad de 250 [A/m2]. En Ilustración 1. Se puede observar el cátodo de cobre que fue obtenido de la experiencia. Destacando que este presentaba cualidades físicas como una superficie un tanto rugosa y deforme, principalmente estas deformidades son generada por la electrolisis del agua la cual consiste en la descomposición del agua en O2 y H2 de forma gaseosa, las burbujas de oxígeno al subir hasta la superficie aumentan la turbulencia de la celda lo cual provoca que el depósito se efectué de forma irregular, lo cual provoca un atrapamiento del electrolito y oxido de plomo el cual queda en la superficie del cátodo volviéndolo poroso y con tendencias a desprenderse como fue visto al lavar el cátodo obtenido. Otras de las posibles causas son de la baja concentración de cobre que presentaba el electrolito circulante Tabla 3 (Ver apéndice), siendo comúnmente usadas concentraciones cercanas a 40-45 [g/L] en procesos de electroobtención industrial. [Arriagada P, 2006].

Conclusiones: Se obtuvo una masa teórica de 2,37 [g] y real de 3,78 [g], a una densidad de corriente de 250 [A/m2] la cual incide en el aumento en la deposición del cobre en el cátodo. Además, se obtuvo una eficiencia de corriente de 159,49% y un consumo de corriente de 0,95[W/g]. El aumento de masa presentado en el cátodo en comparación al calculado teóricamente se debe a los atrapamientos de electrolito y deposición del óxido de plomo. El comportamiento de la concentración de el electrolito circulante dentro de la celda es tender a mantenerse constante en todo momento para garantizar una buena deposición del cobre en el cátodo. 6

Referencias: [1] BENAVENTE OSCAR. Apunte de electrometalurgia, Ingeniería Metalúrgica, Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chile, 2015.

Civil

[2] ARRIAGAFA PABLO, Diseño, construcción y optimización de una celda de electro obtención de cobre con cátodos particulado móvil basada en electrodiálisis reactiva, Ingeniería Civil de Minas, Universidad de Chile, Santiago, Chile, 2006. [3] GRÁGEDA, MARIO. Diseño, desarrollo experimental y modelación matemática de una celda de electro obtención de cobre pasada en E.D.R y caracterización fisicoquímica de electro deposito, Universidad de Chile, Santiago, Chile, 2007.

Apéndice: Ejemplo de cálculo:

𝜂=

𝑀𝑟 3,78 ∗ 100 = ∗ 100 = 159,49% 𝑀𝑡 2,37 𝐼𝑒𝑠𝑝 =

𝑀𝑐𝑢 =

𝐼 1,2 𝐴 = = 0,51 [ ] 𝑀𝑐𝑢 2,37 𝑔

𝑃𝑀 ∗ 𝑡 ∗ 𝐼 63,6 ∗ 6000 ∗ 1,2 = = 2,37[𝑔] 𝐹 ∗ 𝑒𝑞 96485 ∗ 2

𝐼 = 𝑖 ∗ 𝐴 = 250 ∗ 0,0048 = 1,20 [𝐴] 𝐶𝑒𝑠𝑝 = [𝐶𝑢+2 ]

𝐼 ∗ 𝑉 1,2 ∗ 3 𝑊 = = 0,95 [ ] 𝑀𝑟 4,08 𝑔

[𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝐶 ∗ 𝑉𝐸.𝐶 − [𝐶𝑢+2 ]𝐸.𝑅 ∗ 𝑉𝐸.𝑅 = 𝑉𝐸.𝑃 34,94 ∗ 0,1184 [𝑔] − 45 ∗ 0,0053 [𝑔] 𝑔 = = 34,47 [ ] 0,1131[𝐿] 𝐿

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Tabla 2. Parámetros utilizados para la puesta en marcha de la celda de electroobtención. Densidad de corriente [A/m2]

250

159,49

Eficiencia [%] Intensidad especifica [A/g]

0,51

Intensidad de corriente [A]

1,20

Área [cm2]

48,00

Voltaje [v]

3,00

Tabla 3. Concentraciones de Cobre presente en el electrolito circulante y pobre a flujos de E.R de 0,53 [mL/min], flujos de E.C de 18,58 [mL/min] a distintos tiempos. TIEMPO

Concentración

Concentración

Concentración [Cu+2]

(min)

[Cu+2] E.P. [g/L]

[Cu+2] E.C. [g/L]

E.R. [g/L]

10

34,47

34,94

45,00

20

34,33

34,81

45,00

30

33,68

34,19

45,00

40

34,59

35,06

45,00

50

34,01

34,50

45,00

60

33,09

33,62

45,00

70

34,79

35,25

45,00

80

33,36

33,88

45,00

90

35,19

35,63

45,00

100

33,75

34,25

45,00

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