UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas
INFORME FINAL Xxxxxxxxxxxxxxxx
RAÚL PÉREZ MORALES LORENA PIZARRO OSSANDÓN
Profesor Cátedra: Norman Toro Villarroel Profesor Laboratorio: Rossina Mena Olivares METALUGIA EXTRACTIVA II
Antofagasta, Chile 14 de Diciembre del 2017 1
RESUMEN (1 (1 PAGINA)
2
INDICE
3
INDICE TABLAS INIDICE ILUSTRACIONES
4
Nomenclatura CEE:
Consumo de Energía
CuFeS₂:
Mireral Calcopirita
Cu₂O:
Mineral Cuprita
Cu₂S:
Mineral Calcosina
−:
Electrones
F:
Coeficiente de Faraday
FeS:
Sulfuro de Hierro
FeS₂:
Mineral Pirita
FeO
Óxido de Hierro
I:
Intensidad de corriente de la celda.
O/A:
Razón orgánico- acuoso
SiO₂:
Oxido de Silicio
SO₂:
Mineral de Cuarzo (Sílice)
:
Masa final de la muestra de concentrado de cobre.
:
Masa inicia de la muestra de concentrado de cobre.
η:
Eficiencia de corriente.
5
CAPITULO 1. 1.1.
INTRODUCCIÓN (2 PAGINAS)
Objetivo General
Aplicar los conocimientos teóricos en los laboratorios metalúrgicos para analizar el proceso de lixiviación por agitación, fusión de concentrado de cobre y poner en marcha una celda de electroobtencion
1.2. o
Objetivos Específicos
Conocer
los principales parámetros metalúrgicos involucrados en el
proceso de lixivianción. o
Evaluar y analizar el comportamiento de un mineral de cobre oxidado a los procesos de lixiviación por agitación mecánica, empleando como agente lixiviante H2 SO4 .
o
Estudiar el efecto de la agitación mecánica (rpm), razón de fase (O/A) y continuidad de fases, en relación al tiempo de separación de las fases orgánica y acuosa, además de analizar las gráficas de altura de la fase acuosa v/s tiempo para cada prueba.
o
Visualizar la formación de las fases de escoria y mata en el proceso de concentrado de cobre.
o
Montar y poner en funcionamiento una celda de laboratorio de electro obtención, además de realizar mediciones de potencial e intensidad e corriente utilizando multitester.
1.3.
Descripción Problemática
1.4.
Hipótesis
6
CAPITULO 2. 2.1.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Hidrometalurgia
La hidrometalurgia es la rama de la Metalurgia Extractiva que estudia todos los procesos extractivos que ocurren en medios acuosos, que permiten la extracción y obtención de metales y/o compuestos desde sus minerales o materiales de reciclaje. (Simpson & Schulz, 2003)
2.2.
Lixiviación
La Lixiviación es la operación unitaria fundamental de la hidrometalurgia y su objetivo es disolver en forma parcial o total un sólido con el fin de recuperar algunas especies metálicas contenidas en él. En el caso del cobre se utiliza el ácido sulfúrico para la lixiviación de minerales oxidados, siendo más fácil de disolver los sulfatos y sulfatos básicos, luego los carbonatos. (Simpson & Schulz, 2003)
2.2.1 Métodos de lixiviación Los métodos de lixiviación corresponden a la forma en que se contactan las soluciones lixiviantes con las menas con contenidos metálicos de interés. Los métodos más conocidos son: 1.- Lixiviación In Situ, lixiviación en botaderos, lixiviación en pilas. 2.- Lixiviación en Bateas o por percolación. 3.- Lixiviación por agitación 4.- Lixiviación a presión. 7
Los diferentes métodos disponibles para ejecutar la operación del proceso de lixiviación buscan obtener el máximo beneficio económico con el mínimo de costos y complicaciones posibles. En cualquier sistema de lixiviación es inevitable la co-disolución de otros elementos e impurezas, generándose soluciones poli-iónicas que deben ser purificadas antes de recuperar el cobre desde las soluciones. (Simpson & Schulz, 2003)
2.3.
Extracción por Solventes
La extracción líquido-líquido o extracción por solventes es un proceso que implica el paso de una serie de metales disueltos en forma de iones en una fase acuosa a otra fase líquida, inmiscible con ella, conocida como fase orgánica. Durante el contacto líquido-líquido se produce un equilibrio en el cual las especies en solución se distribuyen en las fases acuosas y orgánicas de acuerdo con sus respectivas solubilidades. Esta técnica se emplea en metalurgia con tres fines fundamentales: concentrar, purificar y separar los elementos o metales disueltos. Los procesos de extracción por solventes se llevan a cabo con dos soluciones inmiscible entre sí la fase acuosa y la fase orgánica. La fase acuosa es una solución proveniente de lixiviación, concentrada en cobre y con un alto nivel de impurezas, que imposibilita su tratamiento de precipitación de cobre, sin antes remover las impurezas presentes o separar el cobre de esta solución y de alguna manera, traspasarlo a otra solución acuosa libre de impurezas; que es lo que se realiza en extracción por solventes. La fase orgánica corresponde a una solución la cual generalmente se compone de un Extractante (compuesto que contiene un grupo funcional que es capaz de reaccionar químicamente con una especie particular en la fase acuosa) y un diluyente (material orgánico que se usa para diluir el extractante) (Simpson & Schulz, 2003) 8
2.4.
Electroobtención
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 electrodepositación donde se producen los cátodos de cobre con una pureza de 99,99%. (Vargas & Schulz, 2003)
2.5.
Fusión de Concentrado de Cobre
El proceso de fusión de concentrados de cobre se ha realizado por largos años por calentamiento directo del material. Este proceso consiste en aportar calor al sistema, a través de la combustión de un combustible (petróleo), el que aporta el calor suficiente para fundir el concentrado El simple proceso de fusión, se elimina azufre gaseoso, el que se denomina azufre pirítico. Se forma además un material fundido compuesto por Cu2 S y FeS que recibe el nombre de eje o mata. La ganga que acompaña al concentrado también se funde y se denomina escoria. La escoria y la mata son líquidos inmiscibles y además tienen distinta densidad, por esta razón se separan por gravedad. El eje, más pesado se va al fondo del horno y la escoria (más liviana) flota sobre el eje. (Bustamante & Schulz, 2003)
9
CAPITULO 3. 3.1.
PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL
Lixiviación por agitación – Separación de fases
Procedimiento de Agitación Se efectúa una lixiviación por el método de agitación para mineral de cobre oxidado, con una razón sólido líquido 1:2 y solución lixiviante de ácido sulfúrico.
Depositar en un vaso precipitado 400 mL de solución lixiviante de concentración 40 [g/L].
Instalar el vaso precipitado debajo del agitador y encender para agitar a 600 rpm.
Agregar 200 [g] de mineral al vaso.
Tomar muestras de 25 [ml] en vasos precipitados a los tiempos de 15, 30, 45 y 60 minutos, las cuales se deben filtrar y titular para análisis de cobre (Cu2+) y ácido libre (H+).
Procedimiento Separación de fases Se cuenta con una fase orgánica y otra fase acuosa inmiscibles entre sí en un agitador con una razón 1:1 donde se debe:
Posicionar el agitador en la fase acuosa y dispersar hacia la fase orgánica y viceversa.
Para ambas fases en agitación se identifica si existe conductividad por medio de un puente eléctrico.
Identificar las respectivas continuidades de fase (orgánica o continua) en función de la conductividad. 10
3.2.
Fusión de concentrado de cobre
Se funden 70 [g] de concentrado de cobre seco en un horno a una temperatura de 1.200°C por un tiempo de 180 [min], en posiciones en donde el crisol está expuesto al flujo de aire directo. Transcurrido el tiempo, se espera el enfriamiento de la muestra para retirarla del horno al siguiente día, luego se coloca en ladrillos refractarios para finalmente romper el crisol cuando esté completamente frío. Una vez roto el crisol en una lupa se puede observar las distintas fases formadas y los minerales contenidos en ellas, además de calcular el porcentaje de variación los pesos.
11
3.3.
Montaje y pureza en marcha de una celda de electroobtención
Para obtener una celda de cobre a escala laboratorio por una celda de electro obtención se deben realizar los siguientes pasos: -
Preparación el electrolito con 40 [g/L] de + y 160 [g/L] de 4 .
-
Calcular la intensidad de corriente para las densidades de corriente de 250 [A/ ] y 320 [A/ ].
-
Instalación de circuito eléctrico y los electrodos (ánodos y cátodos)
- Adición del electrolito -
Colocar en funcionamiento la celda de electo obtención de acuerdo a los cálculos realizados anteriormente.
-
Medir la intensidad de corriente y potencial con un multitester.
-
Se debe calcular la masa teórica a depositar.
-
Se revisan los conceptos de Eficiencia de corriente y Consumo de energía.
3.3.1 Materiales
Cátodos de acero inoxidable Ánodos de plomo
Celda electrolítica
Fuente de poder
4
Lija de metal
Multitester
12
CAPITULO 4.
RESULTADOS,
ANÁLISIS
DE
RESULTADOS
Y
DISCUSIONES (7 PAGINAS) 4.1.
Lixiviación por agitación – Separación de fases
Tabla 1: Resultados de la extracción de Cobre en un tiempo determinado. Tiempo [min]
Concentración [g/ L]
Volumen [L]
Masa [g]
Recuperación [%]
1
2,63
0,40
1,05
33,08%
15
4,00
0,38
1,50
47,17%
30
4,50
0,35
1,58
49,53%
45
4,88
0,33
1,59
49,87%
60
5,00
0,30
1,50
47,17%
60.00% 50.00%
] % [ 40.00% n o i c 30.00% a r e 20.00% p u c e 10.00% R
0.00% 0
15
30
45
60
Tiempo [min]
Ilustración 1. Extracción de Cobre v/s Tiempo .
13
Tabla 2: Resultados de la extracción de Acido en un tiempo determinado. Tiempo [min]
Concentración [g/L]
Volumen [L] Masa [g]
Masa Consumida [g]
[Kg H/t]
1
33,66
0,40
13,46
10,54
52,68
15
30,13
0,38
11,30
2,17
10,83
30
26,65
0,35
9,33
1,97
9,86
45
26,22
0,33
8,52
0,81
4,03
60
25,83
0,30
7,75
0,77
3,86
60.00
] t / H 50.00 g K [ o 40.00 d i c a 30.00 e d o 20.00 m u 10.00 s n o C 0.00
0
15
30 45 Tiempo [min]
60
Ilustración 2: Consumo de Acido [KgH/t] v/s Tiempo [min]
14
4.2.
Fusión de concentrado de cobre
Tabla 3: Resultados del cálculo de masa y moles de cada componente del concentrado Componentes
Formula Química PM [g/mol]
[%]
Masa [g] Moles [n]
Calcopirita
CuFeS2
184
38,20%
26,74
0,1453
Calcosina
Cu2 S
160
38,60%
27,02
0,1689
Pirita
FeS2
120
10,70%
7,49
0,0624
Oxido de silicio
SiO2
60
6,50%
4,55
0,0758
Otros
-
-
6,00%
4,2
-
Tabla 4: Requerimientos de SiO2 y O2 para la formación de escoria y oxidación de los componentes Requerido SiO2
O2
Moles [n] 0,1039
0,8091
Masa [g]
25,8912
6,234
Tabla 5: Resultados, cálculo del porcentaje de variación de peso en las muestras analizadas. Crisol
Masa Concentrado [g]
% SiO2
Wo [g]
Wf [g]
∆W
%W
1
70
40
98,00
96,71
1,29
1,32%
2
70
20
84,00
68,71
15,29
18,20%
3
70
5
73,50
62,50
11,00
14,97%
15
20.0% 18.0% ) %16.0% ( o14.0% s e P12.0% e d10.0% n o i 8.0% c a i 6.0% r a 4.0% V 2.0% 0.0%
18,20%
14,97%
1,32% 1
2 Crisol
3
Ilustración 3: Porcentaje de variación de peso para cada muestra analizada. Tabla 6: Resultados de cálculos de exceso de SiO2 en los crisoles 1, 2 y 3. Muestra
Total
Requerido
Moles
Masa [g]
Crisol 1
0,5425
32,55
Crisol 2
0,3092
18,55
Crisol 3
0,1342
8,05
Moles 0,1039
Masa [g] 6,23
Exceso Moles
Masa [g]
0,4386
26,32
0,2053
12,32
0,0303
1,82
En la ilustración 3 se observa la comparación de la variación de los pesos en las tres muestras las cuales el crisol 2 es la que tienes mayor variación en su peso, por lo que se asume que fue la que elimino más azufre, esto se debe a que el proceso de fundición elimina el azufre en estado gaseoso acompañado de partículas de polvo el cual consiste en pequeñas partículas de concentrado y material semihundido, lo que hace que exista estas variaciones en sus pesos (Simpson & Schulz, 2003).
16
4.3.
Montaje
y
pureza
en
marcha
de
una
celda
de
electroobtención. Tabla 7: Resultado de la Masa Real, Masa Teórica, Eficiencia y Consumo de Energía Densidad [A/m^2] Masa Real [g] Masa Teórica [g]
ɳ [%]
CEE [KWh/kg]
250
3,28
2,84
115,30
1,61
320
3,96
3,64
108,75
2,17
116
115,30 %
114 ] 112 % [ a i c n e i c i f E
110
108,75 %
108 106 104 250
320
Densidad de Corriente [As/m^2]
Ilustración 4: Eficiencia v/s Densidad de Corriente Se puede observar de los resultados que a medida que densidad de corriente aumenta (250[A/ ]. 3,96
320
[A/]) la masa de los cátodos aumenta (3,28 [g]
[g]), la cantidad de corriente que se suministra es proporcional a la
masa de cobre que se obtiene.
17
En la Ilustración 1 se observa la comparación de la eficiencia de las dos densidades de corriente que se entregaron en las cuales se analizaron y dan eficiencias mayores a 100 % siendo que la electroobtención no supera ese valor estando siempre entre 95% y 98% ya que se trata de un proceso con muy pocas reacciones secundarias que puedan hacer mal uso de la energía. (Simpson & Schulz, 2003)
18
CAPITULO 5.
CONCLUSIONES (2 PAGINAS)
19
CAPITULO 6.
RECOMENDACIONES (1 PAGINA)
20
CAPITULO 7.
BIBLIOGRAFÍA
Alfaro Cortes, R. (s.f.). Procesoss Electro Obtencion de Cobre EW. Bustamante, R., & Schulz, B. (2003). Departamento Ingeniería Metalúrgica Obtenido de USACH. http://metalurgia.usach.cl/sites/metalurgica/files/paginas/capitulo13.pdf Castillo Dintrans, E., & Catallopts Araya, J. (2015). Tecnologias en fundicion de cobre. Ministeria de Mineria, Dirección de Estudios y Políticas Públicas, Santiago. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – Universidad de Santiago de Chile. (s.f.). Obtenido de http://metalurgia.usach.cl/: http://metalurgia.usach.cl/sites/metalurgica/files/paginas/capitulo13.pdf Domic Mihovilovic, E. (2001). Hidrometalurgia: Fundamentos, procesos y aplicaciones. Santiago, Chile . Guajardo, R., & Zamorano, M. (2017). Diseños de Horno de Fundicion de cobre. Investigacion, Pontificia Universida Católica de Chile, Departamento de Ingenieria Ciivil de Minas, Santiago. Simpson, J., & Schulz, B. (2003). Departamento de Ingeniería Metalúrgica USACH. Obtenido de http://metalurgia.usach.cl/sites/metalurgica/files/paginas/capitulo14.pdf Torres, D. A. (2011). Consumo de Ácido Sulfúrico y Cinética de Lixiviación de un Mineral Oxidado de Cobre. Universidad de Chile, Santiago. Vargas, C., & Schulz, B. (2003). Departamento Ingeniería Metalúrgica - USACH. Obtenido de http://metalurgia.usach.cl/sites/metalurgica/files/paginas/capitulo15.pdf
21
CAPITULO 8. 8.1.
ANEXOS
Lixiviación por agitación – Separación de fases
Tabla 8. Resultados de los gastos de Titulación. Tiempo
1
15
30
45
60
Cobre [mL] 2,10 3,20 3,60 3,90 4,00 Acido [mL] 8,60 7,70 6,80 6,70 6,60
Formula de Concentración de Cobre :
[+] =
Formula Concentración de Acido
[+] =
6,25 ×
19,5681 ×
Tabla 9. Resultados para extracción de cobre con reposición de muestras. Concentración Cu con
Cobre
Ácido
reposición de muestra
perdido
perdido
[g/L]
[g]
[g]
2,63
0,07
0,84
1,05
0,33
3,91
0,10
0,75
1,57
0,49
4,35
0,11
0,67
1,74
0,55
4,66
0,12
0,66
1,86
0,59
4,75
0,13
0,65
1,90
0,60
Masa Cu con reposición [g]
Extracción con reposición de muestra
22
4 3.5 ) % ( s a d i d r e P
3 2.5 2 1.5
1 0.5 0 1
15
30
45
60
Tiempo (min) Perdida de cobre (%) Perdida de acido (%)
Ilustración 5. Pérdidas de cobre y ácido vs tiempo Se observa que las pérdidas de ácido y cobre no son proporcionales. A medida que la concentración aumenta las pérdidas de cobre aumentan, y las pérdidas de ácido disminuyen, lo que explica el descenso en el porcentaje de extracción.
n ) o % c (
n n ó ó i i c c i c s a o r p t x e E R
0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.00
y = 0,1258x + 2E-15
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
Concentración con Reposición (g/L)
Ilustración 6. Extracción con reposición vs Concentración con reposición
Se demuestra que al considerar la reposición de la muestra se cumple que la extracción y concentración de Cu son directamente proporcionales, se observa 23
también como la extracción se mantiene ascendente pero su crecimiento disminuye con el tiempo.
8.2.
Fusión de concentrado de cobre
8.2.1 Fórmulas utilizadas
[] = % ∗ [] [] [] = [] %∆ =
( )
8.2.2 Calculo de requerimientos de cada componente
24
Observación: Los moles de FeO son considerados como la sumatoria de todo el FeO producido en las reacciones anteriores, suponiendo que todo el FeO se convierte en escoria, cosa que no siempre suele suceder.
Observación: Los moles de Cu2 S son considerados como la suma del Cu2 S producido en la primera reacción química del proceso de fundición (0.0727 mol) y los moles de Cu2 S presentes en el concentrado (0,1689 mol).
25
1.1.1 Imágenes
Separación de mata y escoria.
Pirita presente en la escoria
Oxido de cobre presente en la mata
Ilustración 7: Fases de escoria y mata analizadas (Archivo personal)
8.3.
Montaje y pureza en marcha de una celda de electroobtención
8.3.1 Datos Tabla 10: Datos utilizados para los cálculos. Densidad
Voltaje
Masa
Masa
Tiempo
[A/m^2]
[V]
Inicial [g]
Final [g]
[Hr]
250
2,20
195,29
198,57
320
2,80
195,59
199,55
2
F [As/mol] 96.500
− 2
Área [m^2] 0,0024
I [A] 1,20 1,53
8.3.2 Formulas
= ó =
∗ ∗ ° − ∗
[%] =
∗ 100% ó 26
í =
∗
Á = ∗ = ∗ 2 ∗ 8.3.3 Formula Química de la Reacción:
+ 2 − → → 1⁄2 2+ 2 −
27