Pontificia Universidad Catlica de Valparaso

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Qumica

EIQ 544: Procesos Electroqumicos

Electro refinacin de Cobre

Integrantes Fernanda Aranda Valentina Concha Gabriel Gonzlez Francisco Lobos Carolina Vergara

Profesor Horacio Aros

Fecha de Experiencia 2/Mayo/2014

Fecha de Entrega 28/Marzo/2014

Pgina | 2

Introduccin

La electro refinacin de cobre es de gran importancia en la industria minera, ya que sta es la

ltima etapa del proceso de obtencin de los minerales de cobre sulfurados. sta es

antecedida por la flotacin (separacin de cobre en espumas) y la fundicin (aplicacin de

altas temperaturas al cobre flotado).

La electro refinacin procesa los nodos de cobre obtenidos mediante fundicin y su posterior

vertido en moldes para formar placas. El proceso se lleva a cabo por medio de la aplicacin de

corriente en celdas electrolticas, alcanzando un 99,99% de pureza en las placas catdicas del

mineral.

La electro refinacin es un proceso que a medida que avanzan los aos va mejorando su

eficiencia, mediante el uso de distintos tipos de electrolitos y aditivos que mejoran la eficiencia

de proceso.

En este laboratorio se realizara la simulacin de varias celdas de electro refinacin con

cantidades distintas de aditivos, para luego comparar la eficiencia del proceso y el tipo de

grano de cobre obtenido.

Pgina | 3

Objetivo

Electro depositar cobre metlico, mediante el proceso de electro refinacin.

Pgina | 4

Materiales

1. 5 vasos de precipitado de 250 [mL].

2. Un bao termosttico.

3. Una fuente de poder.

4. Cables para conexin nodo-ctodo

5. Un voltmetro.

6. 5 ctodos de acero.

7. 10 nodos de cobre.

8. Soportes para nodo y ctodo.

9. Un termmetro.

Los materiales empleados pueden observarse en la foto 1 y foto 2:

Foto 1: De arriba hacia abajo: Cables para conexiones nodo ctodo, Vasos de precipitado, Soportes

para nodo ctodo, nodos de cobre, Ctodos de acero.

Pgina | 5

Foto 2: Solucin con termmetro, Bao termosttico con termo regulador.

Reactivos

1.

2.

3. Cola animal

4. Tiorea

5.

Pgina | 6

Procedimiento

1. Preparar la solucin electroltica de cido sulfrico de 180 [g/l].

2. Calcular el rea en la que los ctodos deben ser sumergidos en el electrolito para lograr la

intensidad de corriente requerida, posteriormente limpiar y pesar cada ctodo.

3. Fijar el bao termosttico a 65C y usarlo para calentar la solucin electroltica.

4. Preparar las celdas con dos nodos y un ctodo por cada vaso precipitado.

5. Colocar cada celda, con sus respectivos electrodos y electrolito, en el bao termosttico.

6. Conectar las celdas a la fuente de poder, fijar el amperaje al valor adecuado para obtener la

intensidad de corriente deseada.

7. Medir la temperatura de cada celda para comenzar la electro refinacin.

8. Encender la fuente de poder y medir voltaje en cada celda durante dos horas cada 5 minutos.

9. Observar el tipo de grano de cobre depositado en cada ctodo una vez finalizadas las 2 horas.

El proceso montado se puede apreciar en las fotos 3 y 4.

Foto 3: Plano general de la experiencia montada.

Pgina | 7

Foto 4: Detalle de conexiones por celda.

Consideraciones experimentales

1. Las reacciones qumicas que se llevan a cabo en el proceso son las siguientes:

[ ]

[ ]

2. La temperatura promedio del proceso fue de 65C, oscilando entre 67C y 63C.

3. Las reas de las placas se calcularon de forma tal que la corriente aplicada para cada celda

fuera la misma. Esto fue aproximando todos los anchos de los nodos a uno igual para todos.

4. A las celdas que se le agreg cola de animal fue en cantidades no recomendadas, si no que

hubo un exceso de estas.

Pgina | 8

Resultados

Para determinar el rea que se debe sumergir en cada celda del sistema, es necesario notar la

densidad de corriente de cada una y calcular la razn entre rea para luego determinar las

dimensiones de la zona a sumergir de ctodos y nodos. Esto se realiza con las ecuaciones y

condiciones entregadas en las instrucciones:

Celda T [Cu] [gr/L] Aditivo [ppm] J [A/m2]

1 65 40 0 300

2 65 40 5 cola 300

3 65 40 0 600

4 65 40 5 cola 600

5 65 40 5 cola + 5 tiourea 300

Tabla 1. Datos entregados en la gua de laboratorio

Al tener dos densidades de corriente, se vuelve necesario calcular el rea para cada una de

estas densidades, de manera que se presente la misma corriente en cada sistema, esto se

puede calcular mediante la ecuacin:

Donde el rea del ctodo debe estar en metro cuadrados y la densidad de corriente (J) en

Ampere por metro cuadrado.

As, se pueden plantear dos ecuaciones,

Despejando ambas, se obtiente

Como la corriente debe ser igual en todo el sistema pues se debe generar de la misma fuente

de poder, ambas ecuaciones se pueden igualar obteniendo as una relacin entre reas.

Tomando en cuenta que el ancho de los ctodos es igual para todos, y es equivalente a 4 [cm],

la relacin se reduce a que la altura de los nodos y ctodos que presentan densidad de

corriente 600 [A/m2] debe ser la mitad de los de densidad 300 [A/m2], as, las dimensiones

quedan:

Pgina | 9

Celda Aditivo [ppm] J [A/m2] Ancho [cm] Alto [cm] rea [cm2]

1 0 cola 300 4 5 20

2 5 cola 300 4 5 20

3 0 cola 600 4 2,5 10

4 5 cola 600 4 2,5 10

5 5 cola + 5 tiourea

300 4 5 20

Tabla 2. Resumen de las dimensiones obtenidas para los nodos y ctodos de cada celda

En el momento de la instalacin de las celdas, y pese a tener ordenado todo el material para

cada celda, se gener una confusin y la celda 4 fue confundida con la 5, en cuando a

dimensiones, por lo que el experimento quedo, con la celda 4 a 300 [A/m2] y la celda 5 a 600

[A/m2].

Adems, la intensidad de corriente obtenida, calculada con la misma frmula resulta ser 1,2

[A]

As, durante un transcurso de 2 horas del experimento, se tomaron medidas al voltaje entre

cada nodo y su ctodo central, cada 5 minutos en un principio, y luego de media hora cada 10

minutos, puesto que el sistema ya se encontraba ms estable luego de dicho tiempo. Los

resultados de las mediciones se presentan en la tabla 3.

Grficos de Voltaje vs. Tiempo para cada celda del sistema.

Tabla 3. Datos obtenidos de diferencia de Voltaje nodo-ctodo en el tiempo

Tiempo Celda 1 Celda 2 Celda 3 Celda 4 Celda 5

1-C 2-C 9-C 8-C 4-C 7-C 10-C 3-C 5-C 6-C

0 0,09 0,149 0,295 0,33 0,2 0,195 0,39 0,175 0,45 0,45

5 0,08 0,15 0,25 0,35 0,21 0,18 0,39 0,17 0,46 0,46

10 0,063 0,166 0,272 0,311 0,211 0,184 0,389 0,169 0,46 0,46

15 0,075 0,156 0,274 0,335 0,186 0,213 0,396 0,175 0,445 0,446

20 0,086 0,155 0,28 0,34 0,22 0,19 0,408 0,19 0,448 0,449

25 0,103 0,147 0,289 0,347 0,225 0,202 0,422 0,2 0,449 0,452

30 0,105 0,149 0,197 0,445 0,225 0,213 0,43 0,213 0,453 0,455

40 0,115 0,159 0,206 0,459 0,237 0,23 0,44 0,201 0,461 0,464

50 0,125 0,172 0,214 0,47 0,247 0,226 0,447 0,203 0,465 0,467

60 0,115 0,174 0,274 0,387 0,241 0,206 0,421 0,185 0,032 0,032

70 0,134 0,165 0,312 0,36 0,229 0,235 0,448 0,206 0,46 0,46

80 0,15 0,146 0,309 0,373 0,211 0,22 0,421 0,19 0,45 0,45

90 0,14 0,133 0,289 0,354 0,205 0,198 0,396 0,172 0,443 0,443

100 0,14 0,132 0,274 0,356 0,195 0,204 0,387 0,157 0,434 0,431

110 0,121 0,142 0,282 0,361 0,19 0,208 0,391 0,156 0,418 0,418

120 0,126 0,14 0,273 0,374 0,19 0,208 0,392 0,156 0,414 0,414

Pgina | 10

Grfico 1. Comportamiento del voltaje en la celda 1

Grfico 2. Comportamiento del voltaje en la celda 2

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e [V

]

Tiempo [min]

Celda 1

2-C

2-C

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e [V

]

Tiempo [min]

Celda 2

9-C

8-C

Pgina | 11

Grfico 3. Comportamiento del voltaje en la celda 3

Grfico 4. Comportamiento del Voltaje en la celda 4

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e [V

]

Tiempo [min]

Celda 3

4-C

7-C

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e [V

]

Tiempo [min]

Celda 4

10-C

3-C

Pgina | 12

Grfico 5. Comportamiento del voltaje en la celda 5

En los grficos presentados anteriormente, la diferencia entre el voltaje medido desde cada

nodo a su ctodo comn debiese ser la misma pues, conducen la misma cantidad de corriente

y cada uno de los nodos presenta caractersticas similares de peso y tamao entre ellos.

Ahora, si bien sus caractersticas son similares, de todas formas presentan diferencias en la

cantidad de cobre e impurezas, por lo que la resistencia entre ellos va a variar, produciendo as

cadas de voltaje mayores que las pensadas para cada sistema nodo-ctodo aunque se

encuentren en la misma celda, explicando as las grandes diferencias presentes en algunos

sistemas, como lo son las primeras 4 celdas, produciendo diferencia apreciables durante la

experiencia.

De todas formas, se aprecia un comportamiento levemente parecido, aumento leve de voltaje

en un comienzo hasta la cada abrupta de su valor seguido de un aumento drstico para luego

comenzar a decaer lentamente. Este comportamiento del voltaje en cada celda se puede

observar a la perfeccin si se detiene en el grfico Voltaje vs. Tiempo de la celda 5, la cual

adems de presentar una diferencia prcticamente nula entre las mediciones de sus nodos

con el ctodo comn, sus resultados en el desarrollo de este laboratorio fue excelente,

reflejndose en los resultados de eficiencia, donde la celda en cuestin obtuvo el valor ms

alto, y desde esta se genera un patrn que deban seguir el resto de las celdas, pero que no se

cumpli por razones a analizar en la conclusin de este informe.

Buscando una explicacin al fenmeno observado a eso de una hora transcurrida luego de

iniciado el proceso de electro refinacin, se observa un aumento casi imperceptible en el

voltaje pues se mantiene relativamente constante, a medida que avanza la reaccin se genera

un aumento en la resistencia del ctodo, que luego de un tiempo se vuelve considerable. As el

sistema se encuentra con esta nueva resistencia producto del cobre depositado, generando

una cada abrupta en el voltaje, que luego se estabiliza y se generan una cada leve el resto del

proceso.

Para el planteo de este razonamiento se realiz el estudio del voltaje total del sistema y su

variacin a travs del tiempo, a continuacin se presenta sus valores y la grfica

correspondiente:

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e [V

]

Tiempo [min]

Celda 5

5-C

6-C

Pgina | 13

Tiempo Voltaje total

0 2,72

5 2,70

10 2,69

15 2,70

20 2,77

25 2,84

30 2,89

40 2,97

50 3,04

60 2,07

70 3,01

80 2,92

90 2,77

100 2,71

110 2,69

120 2,69

Tabla 4. Variacin del Voltaje del sistema de celdas en el tiempo

Grfico 6. Variacin del voltaje total a lo largo del experimento

Lo que nos indica un comportamiento similar al observado en las celdas con una cada de

voltaje a una hora de iniciado el proceso.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e [V

]

Tiempo [min]

Voltaje total v/s Tiempo

Pgina | 14

Clculo de la eficiencia

Lo siguiente a analizar es la eficiencia de las celdas, cuyos valores se calculan gracias a la

formula entregada en la gua de laboratorio:

Donde W es la masa terica a depositar en gramos, en un tiempo t medido en segundos, a una

corriente I medida en Ampere, y con un nmero de equivalente n, en este caso 2.

I [A] t [seg] n [eq] Pm [gr/mol] Masa terica [gr]

1,2 7200 2 63,5 2,843

Tabla 5. Clculo de la masa terica a depositar en el ctodo.

As, la eficiencia de cada celda se calcula con:

En la tabla 6 a continuacin, se presentan las masas reales depositadas en cada celda y su

eficiencia correspondiente:

Ctodo Peso inicial [gr]

Peso final [gr]

Depositado [gr]

Eficiencia [%]

1 46,9 49,1785 2,2785 80,153

2 28,61 31,094 2,484 87,382

3 28,6 31,0975 2,4975 87,857

4 29,24 31,7655 2,5255 88,842

5 28,62 31,1832 2,5632 90,168

Tabla 6. Clculo del porcentaje de eficiencia para cada celda, segn la ecuacin anterior.

Segn los resultados obtenidos en el procedimiento, la eficiencia de corriente es directamente

proporcional a la densidad de corriente aplicada a la celda. Esto es a causa de que al existir una

mayor densidad de corriente, el rea de depsito requerida es ms pequea, lo que significa

una concentracin de corriente mayor en estas reas, produciendo que los iones de cobre

reciban un golpe de corriente mayor, aumentando la eficiencia con la cual la corriente llega a

hacer contacto con el electrolito.

Por otro lado, Los resultados tambin nos permiten concluir sobre el efecto de la adicin de

cola y tiorea al proceso, los cuales demuestran un claro aumento en la eficiencia al estar

estos presentes en las celdas. Esto porque los aditivos lo que hacen es mejoran la forma de

depsito del grano de cobre, logrando finalmente una capa fina de granos pequeos y

ordenados. Esta capa uniforme, inhibe el efecto de pasivacin, el cual disminuye la eficiencia.

Pgina | 15

Teniendo claras las condiciones de las celdas, y los resultados de sus eficiencias, es posible

realizar a comparacin entre cada una:

Existe una variacin considerable de los voltajes entre electrodos de la misma celda, esto es a

causa de que en la prctica la conexin entre nodo y terminal no hizo el contacto

correspondiente y en varias ocasiones se debi desconectar y apagar la fuente lo que altero los

resultados finales de la experiencia.

Sobre las condiciones de cada celda:

a. Los electrodos de cobre puro, no estaban totalmente purificados, tenan restos

de otros tipos de metales.

b. La placa numero 4 presento durante todo el proceso una diferencia de

potenciales que se acercaba al doble entre placas.

c. A medida que el tiempo iba transcurriendo, las celdas 2 y 3 iban disminuyendo

la diferencia entre semi celdas.

Pgina | 16

Comparacin de depsitos

Ctodo N1:

En esta celda no fue agregado ningn aditivo, por lo que el grano obtenido no presenta una

forma uniforme y es de gran tamao, lo que favorece al fenmeno de pasivacin, afectando la

eficiencia de la celda. Esto se ve reflejado en los resultados de clculos, ya que la celda uno es

la de menor eficiencia.

Figura N1: Imagen microscpica ctodo celda 1.

Ctodo N2:

La densidad de corriente de esta celda es igual a la anterior, solo se diferencian en el aditivo de

cola que se agrega en este caso. El grano formado en esta celda es ms pequeo y por lo

mismo la capa de cobre formada es uniforme. Lo anterior concuerda con los resultados de

eficiencias obtenidos, ya la eficiencia de la celda es mayor a la anterior.

Figura N2: Imagen microscpica ctodo celda 2.

Pgina | 17

Ctodo N3:

Si bien esta celda no presenta adicin de cola, lo que la hace similar a la celda 1, la diferencia

se encuentra en la densidad de corriente, la cual es mucho mayor y por ende, el rea del

ctodo menor, por lo que los granos resultado del proceso no son tan grandes como los de la

primera celda, pero si se encuentran en menor tamao y conllevan una textura rugosa.

Como se indic anteriormente, este ctodo tiene una mayor densidad de corriente, es decir,

mayor cantidad de corriente por unidad de rea, logrando una mayor eficiencia en la

deposicin de cobre.

Figura N3: Imagen microscpica ctodo celda 3

Ctodo N4:

En la imagen se puede notar una similitud con la celda anterior, pero que por la adicin de cola

se notan ms ordenados y de granos ms pequeos. La eficiencia de este proceso es mayor a

la de la celda uno y a las anteriores ya que existe una mayor rea de depsito.

Nota: Al momento de montar el experimento hubo un error de celdas y la conexin entre las

celdas 4 y 5 quedo intercambiada.

Figura N4: Imagen microscpica ctodo N4.

Pgina | 18

Ctodo N 5:

Esta celda en su electrolito contena de aditivos tiorea y cola animal. Los efectos positivos de

esas dos condiciones se demuestran en el tipo de depsito obtenido, y en la eficiencia. Ya que

a menor densidad de rea, pero con ambos aditivos, se logra una eficiencia de casi igual

magnitud a la obtenida en la celda anterior. La imagen muestra granos ordenados y de tamao

medio, lo que nos indica un proceso con ausencia de pasivacin y por lo tanto sin prdidas de

cobre en el barro andico.

Figura N 5: Imagen microscpica ctodo 5.

Pgina | 19

Conclusiones

El laboratorio no se desarroll en su totalidad de la forma correcta, ya que se cometieron

errores de procedimiento que si bien no afectaban a grandes rangos el desarrollo de la

prctica si produjeron efectos en los resultados. A pesar de esto el objetivo de la electro

refinacin se logr y tambin se logr obtener las diferencias correspondientes a las

condiciones de proceso de cada celda. Con respecto a esto, cabe destacar que la presencia de

aditivos es un aporte importante al proceso ya que logra suplir casi la mitad de densidad de

corriente requerida para un mismo caso, lo que conlleva a gastos econmicos menores y

aumento en la eficiencia del proceso, ya que no se produce efecto de pasivacin.

Habiendo cometido errores de procedimiento y no logrando la conexin correcta en todas las

celdas, la eficiencia del proceso sigue siendo rentable, lo que nos lleva a concluir finalmente la

importancia de este en los procesos de refinacin de cobre, ya que si bien los gastos de

energa son superiores en comparacin a otros procesos del mismo tipo, la eficiencia de este

es una de las mayores en el mercado de la refinacin.