UNIVERSIDAD ANDRÉS BELLO FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL EN MINAS
LABOR ATORIO N°5 LABORA N° 5 Electro obtención y Electro refinación
INDICE RESUMEN .................................................. ............................................................................ .................................................... .................................. ........ 3 INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 4 OBJETIVOS ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 5 ANTECEDENTE TEÓRICOS ................................................ .......................................................................... .................................. ........ 6 ............................................................................ .................................. ......... 6 Electro-Obtención (EW)................................................... ............................................................................... ...................... 7 Descripción del proceso. ......................................................... .................................................................................... .................. 8 Electro-Refinación (ER) ................................................................... ............................................................................... ...................... 9 Descripción del proceso. ......................................................... MATERIALES Y EQUIPO ............................................................. ..................................................................................... ........................ 10 DESARROLLO EXPERIMENTAL .............................................................. ......................................................................... ........... 12 RESULTADOS Y DISCUSIONES ............................ ..................................................... ............................................. .................... 14 CONCLUSIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... ............................ .. 16 BIBLIOGRAFIA ................................................... ............................................................................. .................................................. ........................ 17 ANEXO................................................ ......................................................................... ................................................... ......................................... ............... 18 Fotografías de Electro-Obtención ...................................... ............................................................... ................................ ....... 18 Fotografías de Electro-Refinación ..................................................................... ..................................................................... 20 Cálculos para Electro-Obtención ....................................................... ....................................................................... ................ 21 Cálculos para Electro-Refinación................................................... ....................................................................... .................... 22
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RESUMEN En los laboratorios de hidrometalurgia de la universidad Andrés Bello se realizaron las experiencias de Electro-Obtención (EW) y Electro-Refinación (ER) de cobre, todo a nivel de laboratorio por lo que no son ensayos representativos los cuales no se puedan usar para algún análisis industrial, sino que más bien son para entender y comprender a menor escala estos procesos que son utilizados en la industria. Las dos experiencias se realizaron en días diferentes ya que tomaban cierto tiempo en su desarrollo, la primera fue la de electroobtención en la cual se extrajo cobre de alta pureza en forma de cátodo, mediante energía eléctrica gene rada por una fuente de corriente continua aplicada a una solución ácida de sulfato de cobre (Cu 2SO4) proveniente de la extracción por solvente, donde se utilizaron dos placas, un ánodo (polo positivo) de aleación de plomo, calcio y estaño, y es por donde ingresaba la energía, y un cátodo (polo negativo) de acero inoxidable y es por donde salía la energía, el cobre es atraído hacia el polo negativo, por lo que comienza a depositarse por lo que al final del proceso se pudo obtener cátodo de cobre. La segunda experiencia fue la de electrorefinación la que consistió en obtener al igual que la experiencia anterior, cátodo de cobre puro en un disolución de cobre impuro desde un ánodo, el proceso se hace a través de inyección de energía eléctrica mediante una fuente de corriente continua. En cada proceso el cobre disuelto en la solución es atraído al cátodo donde se deposita, mientras que las impurezas permanecen en la solución. En cada proceso la intensidad de energía fue algo distinta ya que en la electroobtención se le aplicó una corriente continua (I) de 1.0 [A] y una potencia (V) entre los 2.05 a 2.16 [volt] mientras que en la elec trorefinación se le aplico la misma corriente continua (I), pero una potencia menor que está en el rango de 0.20 a 0.27 [volt] Al final de cada experiencia se obtienen cátodos de alta pureza los cuales deben ser pesar, en la electroobtención se obtuvo un cátodo de 2.4 [g], mientras que en el de electrorefinación se obtuvo un cátodo de 2.3 [g].
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INTRODUCCIÓN La electroquímica, se refiere a las reacciones químicas que suceden entre un conductor eléctrico, o un electrodo y un conductor iónico, el cual puede presentarse como una solución o un sólido. En todos los procesos electroquímicos, están involucradas las trasferencias de electrones y por lo tanto, las reacciones redox, o de óxido-reducción, perdiendo y ganando electrones. En la electroobtención de cobre se produce la recuperación del cobre como metal a partir de una solución en una celda electroquímica. Se utiliza la corriente eléctrica para la extracción y refinación de metales. Otro de los procesos utilizados es la electrorefinación de cobre dond e se produce la purificación de cobre por disolución y posterior recuperación sobre un cátodo a través de la electroquímica. La aplicación industrial masiva de la electricidad como medio de extracción de metales no ferrosos mediante la electro-obtención, se inició a comienzos del siglo XX. En 1912, se utilizó en la obtención de cobre, en la minera “Chuquicamata”, y
desde esa fecha se utiliza en procesos de minería extractiva. El cobre, uno de los primeros metales en ser utilizados por el ser humano en la prehistoria y uno de los más usados en la actualidad ocupando el tercer lugar. Se caracteriza por ser uno de los mejores conductores eléctricos, además de poseer una gran maleabilidad y ductilidad, convirtiéndolo en la mejor opción para la fabricación de cables eléctricos y otros componentes electrónicos. Presenta un estado de oxidación mayormente bajo, siendo el más común +2, por lo que en el presente informe llevaremos a cabo un experimento realizando un proceso de electro-obtención de cobre, aplicándole una corriente eléctrica continua, entre 2 electrodos (el cátodo negativo y el ánodo positivo). De esta manera el Cu +2 de la solución es atraído por la carga negativa del cátodo y se reduce a Cu 0, depositándose como metal en él.
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OBJETIVOS Objetivos Generales: -
Obtener cátodo de cobre a través de la Electro-Obtención y la Electro-Refinación de cobre.
Objetivos Específicos: -
Comprender los dos procedimientos y la finalidad de cada uno. Conocer los elementos necesarios para el proceso de Electrólisis. Trabajar y aprender cual es la función de cada material en el procedimiento. Observar y analizar el experimento. Reunir la información para la producción de un informe.
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ANTECEDENTE TEÓRICOS Electro-Obtención (EW) En la electroobtención, la solución electrolítica que contiene el cobre en forma de sulfato de cobre (CuSO 4), es llevada a las celdas de EW, que en su interior tienen en orden ánodos (+) y cátodos (-). El ánodo es una placa de plomo que corresponde al polo positivo por donde entra la corriente eléctrica, mientras que el cátodo es una placa constante de acero inoxidable y corresponde al polo negativo por donde sale la corriente. En estas se aplica una corriente eléctrica continua, de muy baja intensidad. El cobre de la solución de Cu +2 es atraído por la carga negativa del cátodo y migra hacia él, depositándose en la superficie del cátodo. La EW es un proceso de gran importancia económica, ya que permite recuperar metales como, Au, Cu, Ag, etc. A partir de recursos lixiviables. La precipitación por reducción electrolítica, comúnmente llamada electro-obtención o electro-depositación, es uno de los procedimientos para recuperar en forma pura y selectiva metales en solución, donde se producen cátodos de cobre con una pureza de 99.99% Consiste en recuperar el metal desde una solución de extracción por solvente y depositarlo en un cátodo, utilizando un proceso de electrólisis.
Fi g ura 1: E s quema de los proces os para la recuperación del cobre.
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Descripción del proceso El proceso de electroobtención de cobre consiste básicamente en la transformación electroquímica del cobre disuelto en un electrolito en cobre metálico depositado en un cátodo, mediante la utilización de energía eléctrica proveniente de una fuente externa. El cobre iónico (Cu 2+) del electrolito es depositado selectivamente sobre la superficie del cátodo y a la vez se descompone agua en oxígeno y ácido sulfúrico en la superficie de ánodos insolubles de plomo. Este proceso electrolítico se presentan esquemáticamente en la figura 2. Dado que el cobre es más bien un metal noble (E°= 0.34 V), el proceso de electroobtención es r elativamente simple y puede ser realizado sin peligro de desprendimiento de hidrogeno (E° = 0V).
Fi g ura 2: Pr oces o de electroobtención de cobre.
Las reacciones electroquímicas que se producen cuando la corriente pasa a través de los electrodos son las siguientes:
Reacción anódica: (Oxidación del Agua)
Reacción catódica:
(Reducción del ion Cu 2+)
Reacción de Celda (Global): (Forma iónica)
→ 12 2+ 2−
E° = 1.23 V
+ 2 − →
E° = 0.34 V
+ → 12 2+
E° = 0.89 v pág. 7
Resultados del proceso electrolítico:
Depositación del cobre en el cátodo Evolución de oxígeno en el ánodo El electrolito se enriquece en ácido y se empobrece en cobre
El proceso de EW, se lleva a cabo en una celda electrolítica, donde circula continuamente el electrolito acuoso que contiene disuelto CuSO 4 y H2SO4 y que proviene de la planta de extracción por solvente. En la celda ocurren reacciones electroquímicas de oxidación - reducciones provocadas por la energía eléctrica. En el cátodo el ion cúprico es reducido a cobre por los electrones suplidos por la corriente y que vuelven dicho electrodo de polaridad negativa. En el electrodo positivo hay un déficit de electrones, y se descompone agua generándose oxigeno gaseoso que burbujea en la superficie del ánodo y además ácido sulfúrico, de acuerdo a la reacción neta global:
Reacción Global: (En forma molecular)
→ 12
Electro-Refinación (ER) La electrorefinación de un metal consiste en la disolución anódica del metal impuro y el posterior depósito catódico de este metal puro. El proceso de refinación acuosa del cobre es el más importante, pues prácticamente toda la producción de cobre por pirometalurgia es electrorefinada. A menor escala, se practica también la electrorefinación de Pb, Ni, Ag, Au y otros metales menores. La electrorefinación de cobre tiene dos objetivos:
Eliminar las impurezas que perjudican las propiedades eléctricas y mecánicas del cobre, tales como: As, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Fe, Co, Ni y Pb. Recuperar las impurezas valorizables, como: Au, Ag, metales del grupo del Pt y Se.
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Descripción del proceso Los ánodos se moldean en la fundición y son de cobre impuro (99.4 a 99.8 % Cu) y los cátodos son láminas de cobre puro (99.98 % Cu) o de acero inoxidable sobre el cual se va a depositar el cobre puro. Las reacciones que se producen en el procedimiento son:
Reacción anódica: (Disolución de cobre)
Reacción catódica: (Precipitación de cobre)
Reacción de Celda (Global): (En forma iónica)
→ + 2−
E° = 0.34 V
+ 2 − →
E° = 0.34 V
→
ΔE = 0 V
Resultados del proceso electrolítico:
Depositación de cobre puro en el cátodo Disolución de cobre impuro en el ánodo El electrolito se enriquece en impurezas y en cobre
El electrolito es una solución ácida de sulfato de cobre que contiene entre 40 y 50 g/L de Cu2+ y 180 a 200 g/L de H 2SO4. La temperatura de trabajo es del orden de 60 °C y la densidad de corriente varía entre 180 y 250 A/m 2.
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MATERIALES Y EQUIPO Materiales utilizados para las experiencias:
Vasos precipitados (200 mL): Contiene el electrolito rico, en el cual se procede a realizar la experiencia (Ilustración 1). Electrolito rico (Ilustración 2). Termómetro (ilustración 3). Ánodo: Utilizado en el polo positivo, es una aleación de plomo, calcio y estaño (Ilustración 5). Cátodo (Utilizado en el polo negativo, es una placa de acero inoxidable) sus medidas son de 5x5 cm, y en la parte de atrás está recubierta para que no se produzca el deposito en esa parte (Ilustración 4). Agua Desionizada (Ilustración 6)
Ilustración 1
Ilustración 4
Ilustración 2
Ilustración 5
Ilustración 3
Ilustración 6
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Equipos Utilizados: -
Fuente de corriente continuar , “Marca Eureka” (Ilustración 7 ). Calentador magnético (Ilustración 8). Tester (Ilustración 9). Balanza (Ilustración 10).
Ilustración 7
Ilustración 9
Ilustración 8
Ilustración 10
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DESARROLLO EXPERIMENTAL La primera experiencia consistió en obtener cátodo de cobre por electroobtención En primera instancia se cuenta con un electrolito (solución de sulfato de cobre, con una concentración ± 1.50 g/L, y una temperatura ± 47°C) Se pone la solución contenida en un vaso precipitado sobre un agitador magnético para que se produzca una agitación (Ver Imagen 1, Anexo). Alcanzada la temperatura de la condición (± 47°C) se procede a colocar el ánodo y el cátodo en el vaso que contiene el electrolito, y luego se coloca el separador de electrodos (Ver Imagen 2, Anexo). Se instalan las conexiones eléctricas (Ver Imagen 3, Anexo): -
Se tiene el polo positivo (cable color rojo), donde se hace una conexión desde la fuente de poder al ánodo y desde el tester al ánodo. En el polo negativo (cable color negro), se hace la conexión desde la fuente de poder al cátodo y desde el tester al cátodo. Las conexiones de la fuente de poder deben estar al mismo lado del cátodo y ánodo, y las conexiones del tester deben estar en el lado contrario de las conexiones de la fuente de poder en el ánodo y cátodo.
(Al vaso se le hecho más electrolito, con el propósito de subir el nivel y tener más depósito de cobre) Se enciende la fuente de poder y el tester. Una vez hecho esto se inicia con la toma de datos, donde inicialmente se le aplicó una corriente (I) de 1.0 [A] y 2.05 [V] en la fuente de poder y 1.7 [V] en el tester con una temperatura de 43°C. Una vez iniciada la experiencia se deben tomar los valores de la fuente de poder que corresponde a la corriente I [A] y de la diferencia de potencial V [v], mientras que en el tester se toma el valor de la diferencia de potencial de las celdas V[v]. Los valores fueron tomados cada 15 minutos durante 2 horas. Trascurrida las 2 horas y haber obtenido todos los datos se procede a la cosecha, donde la experiencia se para, los equipos fueron apagados y el cátodo es retirado de la solución (Ver Imagen 4, Anexo). El cátodo es lavado con agua desionizada, luego se procedió a retira una lámina que fue la que se depositó, y a la que llamamos cátodo de cobre. Una vez obtenido el cátodo de cobre, se procede a pesar (Ver Imagen 5, Anexo).
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La segunda experiencia consistió en obtener cátodo de cobre por electrorefinación Primero la solución contenida en un vaso precipitado se debió colocar sobre un agitador magnético para que se produzca la agitación. Alcanzada la temperatura de la condición (± 60°C) se procede a colocar el ánodo y el cátodo en el vaso que contiene el electrolito, y luego se coloca el separador de electrodos (Ver Imagen 6, Anexo). Se instalan las conexiones eléctricas: -
Se tiene el polo positivo (cable color rojo), donde se hace una conexión desde la fuente de poder al ánodo y desde el tester al ánodo. En el polo negativo (cable color negro), se hace la conexión desde la fuente de poder al cátodo y desde el tester al cátodo. Las conexiones de la fuente de poder deben estar al mismo lado del cátodo y el ánodo, y las conexiones del tester deben estar en el lado contrario de las conexiones de la fuente de poder en el ánodo y cátodo.
Se enciende la fuente de poder y el tester. Una vez hecho esto se inicia con la toma de datos, donde inicialmente se le aplicó una corriente (I) de 1.0 [A] y 0.27 [V] en la fuente de poder y 0.15 [V] en el tester con una temperatura de 64°C. La experiencia se inicia a las 9:50 hr de la mañana, se deben tomar los valores de la fuente de poder que corresponde a la corriente I [A] y de la diferencia de potencial V [v], y del Tester la diferencia de potencial de las celdas V[v]. Los valores se tomaran cada 30 min desde la hora que se puso en la marcha la experiencia durante 2 horas. Trascurrida las 2 horas y obtenido los datos se procede a la cosecha, donde se para la experiencia. EL cátodo es retirado para ser lavado con agua desionizada y luego con alcohol, esto para que se seque más rápido, posteriormente obtenemos una lámina que es el depósito el cual se llama cátodo de cobre y el que luego se procede a pesar (Ver Imagen 7, 8 y 9, Anexo).
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RESULTADOS Y DISCUSIONES Tabla 1: Datos Experimentales de la Electro-Obtención.
Hora 6 1 0 2/ 0 1/ 6 2 aí D
11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00
Tiempo (min) 0 15 30 45 60 75 90 105 120
I [A] 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
F.C.C. V [volt] 2.05 2.14 2.15 2.16 2.14 2.13 2.12 2.12 2.12
Tester V celda [volt] 1.70 1.85 1.87 1.87 1.88 1.88 1.88 1.88 1.88
T(°C) 43 44 44 43 43 44 44 44 44
Tabla 2: Datos Experimentales de la Electro-Refinación.
F.C.C Tester Tiempo T(°C) (min) I [A] V [volt] V celda [volt] 1 0 2/ 9:50 0 1.0 0.27 0.15 64 1 10:20 30 ----1/ 3 10:50 60 ----aí 11:20 90 1.0 0.22 0.14 60 D 11:50 120 1.0 0.20 0.13 63 Obs: no se obtuvieron todos los datos por el simulacro de tsunami decretado para ese día. 6
Hora
Tabla 3: Peso (g) del Cátodo de Cobre.
Experiencia Electro-Obtención Electro-Refinación
Peso real (g) 2.4 2.3
En la Tabla 3, se muestran los pesos reales de cada cátodo de cobre obtenidos en el laboratorio por los métodos de la electroobtención y electrorefinación. Tabla 4: Resultados de los cálculos.
Electroobtención Electrorefinación
Peso Teórico [g] 2.37 2.37
Eficiencia de Corriente [%] 101.3 97.04
Error Relativo [%] -1.26 2.95 pág. 14
En la Tabla 4, se muestran los cálculos de la electroobtención donde se puede apreciar el peso teórico (2.37 g) el cual fue menor que el peso real (2.4 g), por lo que se obtuvo una eficiencia de 101,3%, un valor alto ya que la eficiencia normalmente en las celdas de la electroobtención son del orden del 77-90%, además se obtuvo el error relativo, resultando un valor negativo de 1.26% En cambio, en los cálculos para la electrorefinación se puede apreciar que el peso teórico (2.37 g) fue mayor que el real (2.3 g), por lo que se obtuvo una eficiencia del 97.04%, valor que está dentro del rango de la eficiencia de la electrorefinación 9598% Para obtener una buena eficiencia en la electroobtención y electrorefinación, se deben controlar variables como la temperatura y la agitación, donde la temperatura debe variar en los ±47°C para el primero y en los ±60°C para el segundo, mientras que la agitación debe ser controlada por las revoluciones del agitador magnético.
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CONCLUSIÓN A través de esta experiencia se tuvo la capacidad de presenciar algunos de los procesos más cotidianos en la obtención de Cobre, la electroobtención y electrorefinación, que aun así no dejaron de ser extremadamente llamativos. Se pudo observar la depositación del cobre sobre el cátodo como el propósito principal de las experiencias, a parte de las reacciones que se pudieron. Además el objetivo del laboratorio no fue simplemente el hecho de observar estos procesos, si no en analizar 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 arrojaron una idea general de cómo las concentraciones de Cu y H 2SO4, la intensidad de corriente y la temperatura afectan la eficiencia de cada proceso. En la electroobtención se pudo apreciar que la solución burbujeaba al igual que en la electrorefinación, pero en la primera experiencia se desprendió un gas conocido como nube acida, la cual se pudo sentir en el laboratorio ya que en cierto momento se sintió un ambiente muy denso producto de esto.
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BIBLIOGRAFIA
https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/tecnicos_electrorrefinaci on.asp https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_electroobtenc ion.asp https://www.codelcoeduca.cl/movil/pr_electrorefinacion.asp
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ANEXO Fotografías de Electro-Obtención
Imagen 1
Imagen 2
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Imagen 3
Imagen 4
Imagen 5
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Fotografías de Electro-Refinación
Imagen 6
Imagen 8
Imagen 7
Imagen 9
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Cálculos para Electro-Obtención Según la Ley de Faraday el peso teórico para el cátodo de cobre se calcula:
= . ∗∗ ∗ Donde: W: Peso teórico [g] P.M: peso molecular [g/mol] I: Corriente [A]=[C/s] t: Tiempo [s] n: Electrones transferidos F: Constante de Faraday [coulombios]
∗1,0[ ] ∗7200[] 63,546 = 2 [] ∗96500[] = 2,37 [] Luego de las 2 horas se obtuvo el peso real del cátodo, el cual fue 2,4 [g]. Con este valor y el peso teórico se puede obtener la eficiencia de corriente.
= ∗100% 2,4[g] ∗100% ρ = 2.37[g] ρ = 101,3 %
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El error relativo porcentual cometido en la experiencia:
∗100 % =
Donde:
E(r%): Error relativo porcentual. PEt: Peso equivalente teórico del cobre PEex: Peso equivalente experimental.
% = 2,372,4 2,37 ∗100 % = 1,26% Cálculos para Electro-Refinación Según la Ley de Faraday el peso teórico para el cátodo de cobre se calcula:
= . ∗∗ ∗ Donde: W: Peso teórico [g] P.M: peso molecular [g/mol] I: Corriente [A]=[C/s] t: Tiempo [s] n: Electrones transferidos F: Constante de Faraday [coulombios]
∗1,0[ ] ∗7200[] 63,546 = 2 [] ∗96500[] = 2,37 [] pág. 22
Luego de las 2 horas se obtuvo el peso real del cátodo, el cual fue 2,4 [g]. Con este valor y el peso teórico se puede obtener la eficiencia de corriente
= ∗100% 2,3[g] ∗100% ρ = 2.37 [g] ρ = 97,04 % El error relativo porcentual cometido en la experiencia:
∗100 % = Donde:
E(r%): Error relativo porcentual. PEt: Peso equivalente teórico del cobre PEex: Peso equivalente experimental.
% = 2,372,3 2,37 ∗100 % = 2.9 5%
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