UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Facultad de Química e Ingeniería Química Paper informativo. Física III
Obtención y Purificación electrolítica del Cobre Profesor
:
Percy Paz Retuerto
Alumnos
:
Casas Rios, Ronald
13070105 13070105
Echevarria Urbizagastegui, Enzo
13070169 13070169
Lima-Perú 2015-0
Resumen En el presente trabajo notaremos que minerales como el cobre que están vinculado en su mayor parte a minerales sulfurados y oxidados. Hablaremos sobre el sometimiento de varios procesos (chancado, molienda, flotación, fundición, refinación electrolítica) que son etapas del procesamiento del cobre desde su extracción hasta su purificación electrolítica, que tienen como finalidad incrementar progresivamente la concentración, pureza y aumentar la calidad de la refinación electrolítica, mediante la reducción esparcimiento entre electrodos reduciendo impurezas que no se depositan en el fondo de la celda(escoria) ,se consigue mejorar la calidad y apariencia del cobre electrolítico, aparte de poder aumentar la eficiencia de corriente.
Finalmente, con el proceso electrolítico obtendremos el cobre con una pureza de hasta 99.99%, esto se logra mediante el uso de ánodos y cátodos de cobre, los cuales son electrodos activos en el proceso electrolítico, ya en la parte final se muestra un esquema general de cómo se realiza la purificación del cobre.
INTRODUCCION El desarrollo de la electroquímica se remonta al siglo XVII cuando en 1805 GROTHUSS explica el fenómeno de la descomposición de las soluciones mediante el uso de corriente eléctrica. Para el caso del agua, por ejemplo, nos explica que en el polo negativo se desprendía oxígeno, mientras que en el polo positivo, se desprendía hidrogeno, cuando al agua se le sometía a una diferencia de voltaje. Ya para 1834, un ingenioso Michael Faraday formula las leyes de dicho fenómeno, al cual llamo electrolisis. Faraday aporto de tal manera que su nomenclatura empleada en ese tiempo es usado hoy en día en la electroquímica. En lugar de la palabra “polo”, creo la palabra electrodo, llamando así ánodo al positivo y cátodo al negativo. Acuño también el termino electrolito a toda sustancia capaz de descomponerse bajo la acción de corriente eléctrica continua. Finalmente, a los iones los clasifico en aniones y cationes, según migren hacia el ánodo o el cátodo durante una electrolisis. Ahora, se conoce como electrolisis a la descomposición de los electrolitos por medio de la corriente eléctrica, lo cual genera una reacción REDOX no espontanea, lo cual genera nuevas sustancias simples o compuestos. Son muy importantes los métodos electrolíticos de obtención industrial de metales de soluciones acuosas (Cu, Zn, Pb) o sales fundidas(Al, Mg), la producción de ₂ y NaOH de la sal común; y la oxidación y reducción de sustancias orgánicas. Sabemos que las reacciones espontáneas van acompañadas de la disminución en energía libre; no obstante, por vía electroquímica pueden realizarse reacciones con aumento en el ΔG del sistema, siempre que se les pr oporcione la energía requerida, siendo un caso la descomposición del agua a temperatura ambiente. Entonces, como vemos, la importancia de la electrolisis radica, primordialmente, en su aplicación industrial, y en torno a ello es lo que radica el presente trabajo. Dicho trabajo que tiene como objetivo ver una de las tantas aplicaciones que tiene el vasto conocimiento de la electroquímica, la purificación del cobre.
Obtención y pre-refinación del cobre Todo el proceso de la refinación del cobre, empieza desde su obtención, y la pre-refinación hasta el sometimiento de una corriente eléctrica continua que nos ayudará a realizar la electrorefinacion del cobre. Con el total refinamiento y purificaion, prácticamente al 100% el cobre obtendrá un mayor valor agregado, y es de amplia aplicación. En primer lugar, cabe destacar que el cobre se encuentra en la corteza terrestre en forma de minerales Sulfurados como calcopirita (CuFeS2), bornita( Cu5FeS4) y Calcosina (Cu2S), y se observa que el contenido del cobre en estos minerales es bajo, alrededor de un 0.5%, en minas a cielo abierto, y hasta un 2% en minas subterráneas. Y aunque también se encuentre asociado el cobre con minerales oxidados que se encuentran en forma de roca, el ‘boom’ en la actualidad radica principalmente en la obtención y purificación del cobre asociado a minerales sulfurados.
Mineral Sulfurado de Cobre
Mineral Oxidado de Cobre
Como segundo paso para la obtención del cobre, todo este cobre en ‘bruto’ que se ha obtenido de la mina pasa a un proceso de chancado, etapa en la cual grandes máquina reducen las rocas a un tamaño uniforme de no ma s de 1.2 cm, aproximadamente. Una vez que ya el cobre en ‘bruto’ ha pasado por un proceso de chancado, este es sometido a molienda, para esto se debe superar el valor de Ϭy (Esfuerzo máximo de comportamiento elástico del material). El material logra llegar a unos 0.18 mm, con el que se forma una pulpa con agua y reactivos que es llevada a flotación, en donde se obtiene cobre concetrado. Después, el proceso pasa a lo que se llama flotación, y es en esta etapa donde se genrea espuma, cuyas burbujas atrapan el cobre y otro minerales sulfurados contenidos en la pulpa. Luego de varios ciclos, se recolecta y se seca esta espuma para obtener el concentrado de cobre que continua su purificación. Luego se pasa a una purificación en base a la fundición del cobre. Una vez que se realiza la flotación, servirá para transportarlo al lugar donde se realizará la fundición, aquí se recupera el cobre, eliminando el azufre y el hierro, principalmente, mediante oxidación en estado fundido a una temperatura entre 1200 y 1300° C. Entonces, este proceso el Asufre se convertirá en SO2, mientra el cobre,el hierro y otras impure-
zas, se depositan en la parte inferior de la caldera de fundición(esto debido a su mayor densidad), este producto, denominado ‘mata de cobre’, contiene 62% de cobre, mientras que en la parte superior se forma lo que se llama ‘escoria’( se deposita en la parte superior debido a su bajo peso específico), esta ‘escoria’ se extrae del horno, y se elimina, ya que su contenido es de apenas 0.8% de Cu y lo demas son impurezas. Esta mata pasa luego a un convertidor, esto para incrementar su pureza, donde se comete a una gran oxidación en un proceso discontinuo llamado“Batch”, consiguiendo un producto intermedio denominado blister con un contenido de cobre de 96-98% aprox. Este producto se moldea en forma de ánodos y se envía a una refinería electrolítica donde se obtendrá finalmente un cátodo de cobre. Las reacciones que ocurren en el convertidor son:
Electroquímica del cobre Como vimos anteriormente, el cobre el cual se va a tratar mediante electro refinación, es el llamado ‘Cobre Blíster’, este cobre impuro parcialmente, se ha convertido en moldes en forma de ánodos, lo cual va a servir, valga la redundancia, como ánodos en el proceso electrolítico. Entonces la electro refinación va a consistir en el siguiente esquema: se pondrá en forma alternada un ánodo ( que es la plancha de cobre blíster), y un cátodo( que es una plancha muy delgada de cobre puro, así hasta completar 30 ánodos y 31 cátodos en cada celda.
2Cu2S + 3O2 2Cu2O + 2SO2 Cu2S + 2Cu2O 6Cu + SO2 Entonces, como vemos el azufre contenido en nuestra mezcla es eliminada por oxidación, y los gases que se producen y contienen azufre( en este caso el SO2), cabe destacar que estas reacciones son exotermicas, por ende el convertidor no necesitará de combustible.
Convertidor
Luego que ya se tiene lista las planchas del ánodo y cátodo, se va a hacer pasar una corriente eléctrica continua, por una solución de CuSO4(aq) y H2SO4. Ahora, el ácido sulfúrico agregado a nuestra solución, es esencial, ya que este ácido le dará el medio necesario para que ocurra de manera eficiente nuestra electrolisis. Dará un medio ácido a nuestra solución, debido a las propiedades oxidantes que el H2SO4 posee nos ayudará en la oxidación del cobre
ya que como se sabe el H 2SO4 es un agente oxidante fuerte, además también el H 2SO4 tiene como propiedad química el conducir la electricidad. Tomando todas estas consideraciones, se procede a la electrolisis, como mencionamos, se somete esta solución a una corriente continua, durante casi 20 días. Al día 10 del proceso electrolítico, se van extrayendo los cátodos y se reemplazan por otros y los ánodos se dejan 10 días más y se reemplazan por otros. De esta manera, al final del día 20, nuevamente se extraen los cátodos y se renuevan los ánodos. Finalmente, 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 se bombea y almacena para extraerle su contenido metálico (oro, plata, selenio, platino y paladio)
Ya para terminar, se mostrará las reacciones que ocurren en la celda:
CÁTODO: Reducción *Reducción del Cu2+ proveniente del CuSO4: Cu2+ + 2e-
Cu
ÁNODO: Oxidación *Aquí en el cátodo, las posibles reacciones que pueden ocurrir son:
2SO42- 2S2O42- + 2e2H2O O2(g) + 4H+ + 4eCu(s) Cu2+ + 2e-
Así como vemos, la reacción que finalmente ocurre es la oxidación del Cu(s). Y es este Cu del cátodo el cual posee una pureza del 99.99%.
Conclusiones
El pre-refinado al fuego es muy fácil, una vez adquirida la suficiente experiencia, ya que este tiene muy alta pureza, con excepción de los problemas que causaría su alto contenido de agua libre.
Se Produce muy poca cantidad de escoria durante el proceso de prerefinado al fuego.
La pureza de los cátodos es de 99.99% de C.
La cantidad promedio de lodos anódicos producen expresando en porcentaje de ánodos corroídos es de 21%.
En el proceso electrolítico, el ‘barro anódico’ no se desperdicia para nada, sino se aprovecha para la extracción de oro, plata, selenio, platino y paladio
Lo que podemos afirmar de esta investigación es que hemos adquirido una gran experiencia en esta rama de la ingeniería química; es decir la pirometalurgia del cobre, mediante la refinación(al fuego y electrorefinación ).
Bibliografía
Pons Muzzo. Fisicoquímica 6.ª Edición Ed. Universo, Lima, 1985.
Edward Palomino. Tesis en Ingeniería Química: Refinación del Cobre. Antamina, 2004.
CodelcoEduca. Electrorefinación del cobre[en línea]. [Consulta:25 de febrero del 2015]. Disponible en:
