Cementación Cobre

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERíA INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES INFORME LABORATORIO # 3

CEMENTACIÓN DE COBRE

ASIGNATURA:

HIDROMETALURGIA

DOCENTE:

ING. AGUSTIN CARDENAS

AUXILIAR:

UNIV. CARLOS DELGADO

ESTUDIANTE:

JORGE QUISPE AGUIRRE

FECHA:

27 de abril de 2016

Contenido

RESUMEN ............................................................................................................................................ 3 1.

INTRODUCCION .......................................................................................................................... 4

2.

OBJETIVOS ................................................................................................................................... 4 2.1.

OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................ 4

2.2.

OBJETIVO ESPECÍFICO ......................................................................................................... 4

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................................................ 4 3.1.

Tratamiento del Producto de Lixiviación ........................................................................... 6

3.2.

Recuperación de cobre a partir de soluciones de lixiviación diluidas por cementación . 7

4.

3.2.1.

Termodinámica de Cementación ............................................................................... 9

3.2.2.

Cinética de la Cementación ...................................................................................... 11

3.2.3.

La pureza del Precipitado de Cobre ......................................................................... 12

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................................................................ 13 4.1.

Equipo, Materiales y Reactivos ........................................................................................ 13

4.2.

Procedimiento Experimental ........................................................................................... 13

5.

DATOS ADQUIRIDOS ................................................................................................................. 14

6.

CÁLCULOS .................................................................................................................................. 14

7.

RESULTADOS ............................................................................................................................. 15

8.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................................................... 16

9.

CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 16

10.

RECOMENDACIONES ............................................................................................................ 16

11.

BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 16

HIDROMETALURGIA [MET-213]

Univ. Jorge Quispe Aquirre

CEMENTACIÓN DE COBRE RESUMEN

La producción de precipitado de cobre o cemento de cobre, es una tecnología conocida y sencilla a partir de minerales oxidados, se obtiene a partir de soluciones provenientes de lixiviación ácida de cobre, o soluciones ácidas de agua de mina, para obtener un producto aceptable en su comercialización, debe tener características establecidas en sus impurezas, se requiere caracterizar el mineral oxidado, que se va a utilizar para obtener el precipitado de cobre, debe conocerse el contenido de hierro, carbonatos, y otras impurezas, para procesar a pequeña escala debe tener un contenido aceptable de cobre. En el presente laboratorio se realizó las pruebas de cementación de cobre en la PLS obtenida en el anterior laboratorio de lixiviación de Cobre por agitación, la PLS trabajada tiene un contenido de Cobre inicial de 46.62 g/L. Se trabajó con dos muestras de PLS de un volumen de 250 ml, a estas se añadió una masa de Hierro de 12.6 gramos en forma de virutas para aumentar el área superficial de contacto entre la PLS y el cementante, así también favoreciendo a la cinética de cementación (velocidad de reacción). Una vez introducida la viruta de hierro a las soluciones PLS se las agito por un determinando tiempo, se trabajaron a temperaturas diferentes una solución a 24 °C y la otra a 50°C, produciéndose la reacción de precipitación de cobre sobre las virutas y el hierro pasando a solución, efectuándose la siguiente reacción química: CuSO4 + Fe → FeSO4 +Cu Después de realizar la cementación se filtró los cementos de cobre obtenidos y se procedió a secarlas para luego pesarlas obteniendo una masa de cemento de cobre de 16.13 gramos ( a T = 24°C) y 18 gramos de cemento ( T= 50°C).

3

1. INTRODUCCION

La cementación del cobre con chatarra de hierro es una técnica muy utilizada en la industria minera de mediana y a pequeña escala para recuperar el metal que se encuentra en las soluciones acuosas ricas provenientes de la lixiviación, de ahí la importancia de estudiar este proceso. Se obtiene a partir de soluciones provenientes de lixiviación ácida de cobre, o soluciones ácidas de agua de mina, para obtener un producto aceptable en su comercialización, debe tener características establecidas en sus impurezas, se requiere caracterizar el mineral oxidado, que se va a utilizar para obtener el precipitado de cobre, debe conocerse el contenido de hierro, carbonatos, y otras impurezas, para procesar a pequeña escala debe tener un contenido aceptable de cobre(ley de cabeza), que presente un tipo de mineralogía que facilite una buena recuperación o extracción de cobre. Una de las limitaciones para los pequeños productores, es el precio del metal y excesivo costo de los insumos, como la chatarra de fierro, y el ácido sulfúrico.

2. OBJETIVOS 2.1.OBJETIVO GENERAL 

Obtener el cobre en forma de cemento a partir de una solución PLS de cobre añadiendo hierro en forma de viruta, profundizando así los conceptos y fundamentos teóricos de la cementación de cobre.

2.2.OBJETIVO ESPECÍFICO  

Conocer los mecanismos del proceso de cementación Identificar las variables que influyen en este proceso y como afectan cada una de ellas.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO La lixiviación se presenta actualmente, como una de las vías más importantes en la recuperación de metales, debido a las ventajas comparativas que presenta dentro de la industria minera del cobre, oro y zinc, entre otros metales. Entre las ventajas más destacables figura la producción limpia, debido a la ausencia de polución por gases contaminantes, tema



muy relevante considerado en los procesos productivos actuales. Otro punto de interés, es la factibilidad del tratamiento de minerales de baja ley, lo cual sería inviable con otras vías de producción; además, en el aspecto químico, el proceso presenta alta selectividad y alto grado de separación en las reacciones involucradas, obteniendo un producto de alta pureza. El tema económico es, sin duda, uno de los más atractivos para la industria, debido a que la línea hidrometalúrgica completa ofrece menores costos de producción que se reflejan en el producto final. Existe una constante en la búsqueda de nuevas tecnologías que considera incrementar la productividad de las distintas partes del proceso, reducir los costos de operación, reducir los impactos ambientales adversos de las efluentes del proceso y en caso de la necesidad de una nueva capacidad de planta, desarrollar procesos nuevos, simples, limpios y más económicos. La lixiviación es todo proceso aquel que el metal o metales beneficiables se recuperan extrayéndolos con un reactivo adecuado que no ataca a la ganga o material residual. Este proceso se descubrió como fenómeno natural, en donde el agua produce el desplazamiento de sustancias solubles o dispersables (arcilla, sales, hierro, humus, etc.); y es por eso característico de climas húmedos en un principio. Esto provoca que los horizontes superiores del suelo pierdan sus compuestos nutritivos, arrastrados por el agua; se vuelvan más ácidos, ya que queda compuestos insolubles; y a veces, también se origine toxicidad. También se pierden grandes cantidades de fertilizantes, al igual que los compuesto nutritivos, por lo tanto se convierte en un clima desértico. Entonces se entiende que todos los minerales oxidados de cobre pueden ser tratados y transformados en sulfato de cobre (CuSO4) mediante la adición de ácido sulfúrico, provocando una reacción rédox y obteniendo como producto una solución rica en cobre disuelto PLS (pregnant Leaching Solution). El proceso se inicial al igual que el de la flotación – fundición, donde el material es extraído selectivamente de la mina y enviado a la planta de chancado para la preparación. El producto final de la preparación es llevado a grandes tambores de aglomeración (acondicionado con agua y ácido sulfúrico), con la finalidad de permeabilizar por completo el material y cumplir con las características ideales para la siguiente etapa. Luego este material curado es instalado en “Pilas de Lixiviación”, en donde se produce en sí la

reacción de lixiviación. Estas pilas suelen estar dispuestas, en patios al aire libre, con forma trapezoidal y dimensiones calculadas dependiendo el tipo de mineralogía asociada. En esta etapa las pilas son regadas con una solución preparada de comúnmente de ácido sulfúrico y agua, para que esta pueda percollar mineral y a través de reacciones químicas con la roca pueda enriquecerse de cobre. El PLS se recolecta en la base de la pila para su posterior recuperación.

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3.1. Tratamiento del Producto de Lixiviación Las soluciones saturadas provenientes de las operaciones de lixiviación son de dos tipos, de acuerdo a su contenido de cobre: 



Concentradas, contienen de 30 a 50 kg Cu/m3, provenientes de la lixiviación en tanque o por agitación. Estas soluciones contienen una concentración suficiente para la separación por electrólisis directa de cobre de alta pureza. Diluidas, 1 a 5 kg de cobre por m3, provenientes de lixiviación in situ, pilas y terreros. Estas soluciones son demasiado diluidas en cobre para la separación por electrólisis directa de cátodos de alta pureza.

Las soluciones con 30 a 50 kg de Cobre/m3 sólo necesitan una purificación antes de la separación por electrólisis. En general, para lograrlo, se precipitan los iones férricos de soluciones aereadas utilizando cal viva (burnt lime) a un pH 3 ó 3.5 y desviando una porción de electrolito del circuito para el decobrizado y descarga. Ambos tipos de soluciones contienen impurezas del mineral principalmente Fe, Cd, Pb, y Zn, estas impurezas pueden eliminarse por dos métodos principales: - Cementación

Figura 1. Tratamiento de la PLS mediante el proceso de Cementación

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- Extracción con disolventes

Figura 2. Tratamiento de la PLS mediante el proceso de extracción con solventes orgánicos.

Un problema más complicado es la recuperación efectiva del cobre a partir del tipo diluido de solución de lixiviación original.

3.2.RECUPERACIÓN DE COBRE A PARTIR DE SOLUCIONES DE LIXIVIACIÓN DILUIDAS POR CEMENTACIÓN La precipitación, es un fenómeno físico-químico, algunas sustancias que se encuentran en la fase liquida (solución) como las sales metálicas disueltas en agua en medio acida, en contacto con otro metal, realizan un intercambio de electrones de valencia, por este efecto el metal disuelto como sal en el líquido es reducido y como partícula neutra es fondeado a la base del recipiente que lo contiene, estas partículas fondeadas se les precipitado. El precipitado de cobre metálico, es un producto que industrialmente se obtiene a partir de las soluciones lixiviadas acidas, o sea líquidos que en su composición contienen disueltos sales de sulfato de cobre (CuSO4), obtenidos a partir de minerales oxidados de cobre por lixiviación acida, este método se conoce como cementación.

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Figura 3 Flujograma de la precipitación de cobre

El método importante de recuperación de cobre es la cementación sobre chatarra de acero (unas 350 000 toneladas de cobre anuales). Este método es simple y efectivo, pero el cobre obtenido es impuro y debe ser enviado a una instalación pirometalúrgica para su fundición y refinación. La cementación del cobre en solución está descrita por la reacción: Fe°+ Cu2+ → Cu0 + Fe2+

Fe°: chatarra de hierro o retallas de fierro Cu2+: cobre en solución como sulfato Cu0: Precipitado de cobre metálico Fe2+: Fierro en solución como sulfato ferroso Además del fierro, podrían utilizarse otros metales para la cementación, por ejemplo, el aluminio o el zinc pero a un costo considerablemente más alto. Por consiguiente, el fierro (como desperdicio de acero) es el único medio de cementación práctico. Como se hace en la industria del cobre, la solución de lixiviación original se hace fluir a través de una pila de desperdicio de acero y el cobre precipita sobre las superficies de hierro. El precipitado de cobre se desprende en escamas o en forma de polvo bajo la influencia del flujo de la solución, pero invariablemente está contaminado con el fierro sobre el cual precipita (análisis típico: 85 a 90% de Cu, 0.2 a 2% de Fe, 0.5% de SiO2, oxígeno remanente).

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Figura 4. Precipitación de iones Cobre

La ventaja principal de la cementación es su sencillez. Virtualmente se puede remover todo el cobre de la solución en una serie corta de tanques o de canales de contacto. Contra esta sencillez se debe considerar el hecho de que el producto de cobre se purificará posteriormente. El método más común de tratamiento del cobre cementado es por fundición en hornos de fundición o convertidores a partir de los cuales sigue la ruta estándar de electro refinación de ánodos. Otro método poco usado, es disolver el cobre cementado en una solución acuosa básica y luego reducirla con hidrógeno. La impureza de hierro precipita de la solución básica como hidróxido férrico, mientras que el cobre es reducido por la reacción: H2° + Cu2+ →Cu0 + 2 H+

El producto de esta reacción es cobre en polvo (<150 μm) y de 99.9% de pureza

3.2.1. Termodinámica de Cementación Cuando una pieza de fierro metálico es sumergida en una solución acuosa con iones cobre, el hierro tiende a entrar en solución mientras que el cobre metálico tiende a precipitar. La fuerza motriz para el proceso es el potencial electroquímico de la reacción. Este potencial es la diferencia entre los potenciales de media celda del cobre y del fierro, es decir

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Figura 5. Diagrama de estabilidad de cobre y Hierro

Como vemos en el diagrama el catión Fe+2 es mucho más estable es el catión Cu +2 , lo que significa que el Fe reduce al Cu en la solución.

Cu+2 + 2 e- === Cuo

Ev = 0.34 volt

Fe+2 + 2 e- === Fe0 Ev= -0.41 volt Mediante la ley de Hess

Cu+2 + Fe0 === Cuo + Fe+2 Ev = 0.75 volt Según el valor de Ev nos indica que la reacción procederá, lo que significa que será espontanea.

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(T = temperatura, 0K; F = Constante de Faraday, 96 500 culombios por peso equivalente gramo, R = constante de los gases, 83.14Joules/gmol°K) de los cuales potenciales estándar de reducción. La reacción procederá hasta que el potencial se aproxime a cero volt, condición en la que los 

metales y iones han alcanzado el equilibrio. La relación de equilibrio iónico  + puede calcularse +

con la condición de 0 volt aplicada a la ecuación. A 25°C la relación es 10 25. Esta relación extremadamente grande indica que la reacción de precipitación puede proceder hasta que casi todos los iones cobre precipitan de la solución, lo cual está de acuerdo con la práctica de cementación industrial según la cual más del 90% del cobre es retirado de las soluciones saturadas antes de que sean recicladas al circuito de lixiviación. También podemos demostrar que la reacción de la cementación procederé mediante el valor de su energía libre CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

∆G=-38.883 Kcal/mol

Lo cual nos confirma que la reacción si se llevara a cabo. La ecuación establece que 1 mol de fierro (55.85 kg) debe precipitar 1 mol de cobre (63.54 kg), que equivale a 0.88 kg de hierro por kg de cobre. En la operación industrial son necesarios 1.5 a 2.5 kg de hierro. En gran parte como consecuencia de las dos reacciones secundarias: Fe0+ 2Fe3+ → 3Fe2+ Fe0 + 2H+ → Fe2+ + H2°

El oxígeno atmosférico contribuye a que se consuma fierro en exceso porque lo oxida directamente o puede producir iones Fe3+ que consumen hierro metálico según la reacción. Alguna parte del cobre también se puede oxidar y disolver nuevamente, lo cual hace necesaria una nueva precipitación.

3.2.2. Cinética de la Cementación En la reacción de cementación se transfieren electrones entre el hierro que se disuelve y el cobre que precipita. Esto hace que el cobre se deposite en la superficie del fierro en vez de permanecer en la solución. Por consiguiente es necesario que las condiciones en el flujo de fluido y en la superficie del hierro sean las adecuadas para que el precipitado sea fácil de separar de la superficie de éste. Parece no haber una norma absoluta para la obtención de un depósito granular denso, pero parece que las altas velocidades del flujo de la solución a través del acero y los bordes pronunciados (aristas vivas) dan el mejor tipo de precipitación para su colección y transporte.

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El paso que controla la velocidad de la reacción es la difusión de los iones cobre a la superficie del acero; el cambio de concentración de los iones cobre en la lixiviación está dado por

Dónde: C Cu+2 = concentración del Cu (kg/m3) en la solución al tiempo t k = constante específica de velocidad la cual depende de las condiciones de flujo de fluidos y temperatura; está dada en (m/seg). A = área expuesta de hierro (m2). La velocidad de cementación se puede elevar al aumentar la temperatura y el grado de agitación, además minimizando la presencia de iones Fe3+ y del oxígeno atmosférico para bajar el efecto de las reacciones laterales. En 1972 Biswas y Reid mostraron experimentalmente que, bajo una atmósfera de nitrógeno, la cantidad de hierro para la cementación se aproxima mucho a la cantidad estequiometria.

3.2.3. La pureza del Precipitado de Cobre El cobre de la precipitación sobre el hierro tiene algunas impurezas por lo que es necesaria una refinación posterior, casi siempre en un ciclo de fundición-refinación normal. Recientemente ha sido concedida una patente australiana, por lo cual se produce un cobre con 99.8% de pureza llevada a cabo la reacción de precipitación en presencia de nitrógeno, seguida por un lavado con ácido sulfúrico y desecación en atmosfera de nitrógeno. Este proceso ha alcanzado un éxito, produciendo un material apropiado en la metalurgia, para aplicaciones directas como polvo de cobre metálico. Se ha realizado pruebas experimentales y estudios cinéticos de la precipitación de cobre, a partir CuO en presencia de hierro y sílice, se ha concluido en mejores condiciones óptimas se llega a recupera hasta máximo de 95%, pero en condiciones normales dependiendo la ley de cabeza del mineral y la composición una recuperación de 90% es bastante aceptable, con una pureza de 85 a 92% de cobre en el precipitado.

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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1.Equipo, Materiales y Reactivos

-

Equipos Estufa

-

Materiales Balanza Probeta de 1 L Matraz Erlenmeyer 500 ml Varilla de Vidrio Papel filtro Embudo

-

Reactivos PLS de cobre Viruta de hierro

4.2.Procedimiento Experimental

PLS (250 ml) Hierro 12.6 gramos Forma de virutas Agitación

Cemento de Cobre

Solución de FeSO4

Filtrar

Secar y Pesar

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5. DATOS ADQUIRIDOS

Cu PLS = 46.62 g/L Exceso = 20 % Cementación de Cobre a T= 24 °C

Volumen PLS = 250 ml MHIERRO = 12.6 g MCEMENTO DE COBRE = 16.13 g Cementación de Cobre a T= 50 °C

Volumen PLS = 250 ml MHIERRO = 12.6 g MCEMENTO DE COBRE = 18 g

6. CÁLCULOS

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

∆G=-38.883 Kcal/mol

Cantidad teórica de HIERRO cementante

0.25   24 ∗

46.62   1   24

∗

56   64  

∗ 1.2 = 12.23  

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7. RESULTADOS Resultados Análisis Químico N°

Código

Producto

Elemento

Unidades

1

M-4

PLS

Cu Fe

2

M-11

Cemento Cu

Cu Fe Cu

g/L

46.62 1.75 60.33 17.98 2.53

Cu Fe Cu

% % mg/l

59.45 14.05 3.12

(T=24 °C)

3

M-12

PLS

g/l g/l % %

Contenido

(T=24 °C)

4

M-13

Cemento Cu (T=50 °C)

5

M-14

PLS (T=50 °C)

Balance Hidrometalurgico Cementación de Cobre

Cementación de Cobre

T = 24 °C

Productos

Peso (g)

% Peso

Vol. l

Cu mg /l

Ley % Cu

UF Cu

% Rec. Cu

Cemento Cu solución estéril Cabeza Calculada Cabeza Ensayada

16.13

100.00

0.25 0.24 0.25

2.53 40549.42 46620.00

60.33

9.73 0.00 9.73

99.99 0.01 100.00

Cementación de Cobre

T = 50 °C

Productos

Peso (g)

% Peso

Vol. l

Cu mg /l

Ley % Cu

UF Cu

% Rec. Cu

Cemento Cu solución estéril Cabeza Calculada Cabeza Ensayada

18.00

100.00

0.25 0.24 0.25

3.12 44590.75 46620.00

59.45

10.70 0.00 10.70

99.99 0.01 100.00

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8. DISCUSIÓN DE RESULTADOS La recuperación obtenida es alta, según bibliografía la recuperación del Cobre por cementación es cercana al 90 % en nuestro caso obtuvimos recuperación de 99.99 %, pudiendo deberse a un mal análisis químico, la concentración de la solución estéril esta expresada en mg siendo muy poca si la concentración fuera expresada en gramos la recuperación estaría cercana a la teórica. Se obtuvo una mayor cantidad de cemento de cobre en la solución a mayor temperatura, comprobándose la teoría de que a mayor temperatura, mayor recuperación.

9. CONCLUSIONES 



 

Se obtuvo el cemento de cobre a partir de la solución PLS con la introducción de hierro en forma de viruta con un exceso del 20%. Se comprobó que la temperatura afecta de forma significativa en el proceso, siendo mayor la recuperación a temperaturas mayores. Se identificaron las variables que intervienen en el proceso de cementación. Se identificó el mecanismo en el proceso de cementación.

10. RECOMENDACIONES Se debe tener un cuidado con los análisis químicos realizadas, ya que afectan de gran estos datos al momento de analizar la recuperación en nuestro proceso de cementación y al momento de identificar los parámetros óptimos para el proceso. Una vez realiza la cementación de cobre se debería trabajar con la solución estéril existente ( FeSO4) y precipitar el Fe en forma de Fe(OH)3 al obtener un pH de 3 y creando condiciones oxidantes, tal y como sucede en la industria. Se debería realizar el experimenta el experimento de cementación d cobre modificando el cementante para analizar la recuperación obtenida

11. BIBLIOGRAFIA Ph.D.H.H. Haung, HIDROMETALURGIA; Perú Ing. Alberto Alejo Terrazas, PROCESOS HIDROMETALURGICOS; La Paz-Bolivia 2011

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Dra. María Elisa Taboada Meneses, ESTUDIO DEL EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO DE SISTEMAS ACUOSOS DE MINERALES DE COBRE CON AGUA DE MAR, APLICADO A PROCESOS DE LIXIVIACIÓN; Universidad de Antofagasta, 2013. M. C. Jorge Ornelas Tabares, LIXIVIACIÓN ÁCIDA DE MINERALES OXIDADOS DE COBRE (CRISOCOLA); UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO; 2012

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