ELECTROMETALURGIA(EMT) Profesor: German CceresDepartamento de MetalurgiaUniversidad de Atacama

CONTENIDO:1. INTRODUCCION 1.1 DEFINICION 1.2 IMPORTANCIA 1.3 FUNDAMENTOS.2. ELECTROOBTENCION DE METALES 2.1 INTRODUCCION 2.2 REACCIONES 2.3 DIFERENCIA DE POTENCIAL 2.4 CONSUMO DE ENERGIA 2.5 ASPECTOS TECNOLOGICOS.

3. ELECTROREFINACION DE METALES 3.1 INTRODUCCION 3.2 REACCIONES 3.3 DIFERENCIA DE POTENCIAL 3.4 CONSUMO DE ENERGIA 3.5 ASPECTOS TECNOLOGICOS4. DISEO DE PLANTAS 4.1 PREMISAS BASICAS 4.2 DETALLES DE DISEO.

CAPITULO 1

INTRODUCCION

1.1 DEFINICION.EMT en Solucin AcuosaEMT en Sales FundidasEnergaElctricaDeposito MetlicoProcesoElectrometalrgico

PROCESOS EMT:

ELECTROOBTENCION DE METALESELECTROREFINACION DE METALESGALVANOPLASTIAELECTROCONFORMADO

1.2 IMPORTANCIAPRODUCCION MUNDIAL APROXIMADA DE METALES POR ELECTROLISISFUENTE: JOURNAL OF METALS - ENERO 1985

CODELCO 1988: 1.1 MILLONES DE TON59% - 671.000 TON COBRE ELECTROLITICO

ENAMI: APROX 200.000 TON

SMP: APROX 100.000 TON

TOTAL Cu ELECTROLITICO: 1 MILL TONVENTAS: APROX 3.000 MILL US $DEUDA EXTERNA: APROX 25.000 MILL US $

1.3 FUNDAMENTOSTERMODINAMICOS:

ESCALA NORMAL DE POTENCIALES, e , ph = 0

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO e - phCONDICIONES DE POTENCIAL Y PH PARA LA ELECTRODEPOSITACION

b) CINETICOS: CURVAS DE POLARIZACION e = f (i)

DA LAS VELOCIDADES DE LAS REACCIONES DE:- REDUCCION: DEPOSITO DE M- OXIDACION: OXIDACION DEL SOLVENTE

CURVA DE POLARIZACION

CAPITULO 2

ELECTROOBTENCION DE METALES

2.1 INTRODUCCIONEO DE M: EXTRAER M CONTENIDO EN SOLUCIONES DE LIXIVIACION, EN FORMA DE CATODOS POR ELECTRODEPOSITACION.

MINERALLIXIVIACIONSXOCSTODSPSREWEREPCATODO

2.2 REACCIONESAVFCCeI+-IANODO(+)INSOLUBLECATODO (-)ELECTROLITO

CELDA DE ELECTROLISISa) REACCION CATODICA (-):M + ne Mn+b) REACCION ANODICA (+):2 H O O + 4H + 4 e22+2 Cl Cl + 2e-2

2.3 DIFERENCIA DE POTENCIAL

COMPONENTES DEL VOLTAJEE = e - e ththth+-DIFERENCIA DE POTENCIALTERMODINAMICOn : SOBREPOTENCIAL ANODICO, > 0an : SOBREPOTENCIAL CATODICO, < 0cE = E + n + n thacDIFERENCIA DE POTENCIALV = E + R *I + PERDIDASel.DIF. DE POTENCIAL REAL EN LOS BORNES DE LA CELDA1. 2.3.V = f(i)

2.4 CONSUMO DE ENERGIA (W)W = KWH/KgW= POTENCIA PROD. HORARIAW= V*I*10 KW m real Kg./hm real = * M * I *3600 * 10 Kg./h nFDonde : eficiencia de corriente = m real m tericaI-3I-3

REEMPLAZANDO:W= 26.81 * n * V KWh / Kg M IW = f (V, ) para:

M + ne MIn+

2.5 Aspectos Tecnolgicos de la EO de Metalesnodos insolubles para Electrowinning

Electrolito sulfato: Aleaciones Pb

EW Cu: Pb Sb (~ 5% Sb) Pb Ca (~ 0.05% Ca)Pb Ca Sn (laminados)

2.5 Aspectos Tecnolgicos de la EO de Metalesb) Ctodos: 90*100 cm

Placas reutilizables: Al, Ss, TiHojas de partida : Cu, Ss, Pb

2.5 Aspectos Tecnolgicos de la EO de MetalesCeldas Electrolticas:Estanques Rectangulares: Concreto/PbPVCDPCResinas MoldeablesPre- moldeadas

Banco de Celdas: 10 20 celdas

FUNDICION - ELECTROREFINACIONCONCENTRADO CuFUNDICIONELECTROREFINACIONCOBRE DE ALTA PUREZA

ELECTROREFINACION DE COBRECOBRE IMPUROMOLDEO DE ANODOSELECTROLISISCuSO4 - H2SO4CATODOS DE COBRE CON ALTA PUREZA

CAPITULO 3ELECTROREFINACION DE METALES

3.1 INTRODUCCION El metal impuro se disuelve anodicamente en un electrolito y el metal puro se deposita en el ctodo

El proceso de ER fue introducido hace 100 aos aprox. para Cu

Actualmente, casi toda la produccin mundial de Cu es electrorefinado, constituyendo la industria mas grande de refinacin electroltica

3.1 INTRODUCCION Menor escala: Pb, Ni, Ag, otros metales menores.

nodos solubles en ER de Ni pueden ser moldeados desde un eje o matte de Ni que contiene ~ 20%S: EW con ANODO SOLUBLE

3.2 Reaccionesa) Reaccin Andica: Disolucin del Metal ImpuroM M + ne ,ein+e = e + RT ln M nF M+thn+i

b) Reaccin Catdica: Deposito del metal puro

e = e + RT ln M nF-thn+

Curva de PolarizacionEicecE ~ 0theaM + ne Mn+M M + nen+iae, volticiai, A/m

3.3. DIFERENCIA DE POTENCIAL DE EQUILIBRIO

Entonces: E = + Y acV = + + RI + PrdidasacPor lo tanto, el consumo de energa es mucho menor que en el caso de la electro obtencin, ya que E th ~ 0Si a no es muy elevada , la reaccion de disolucion solo afecta al METAL a REFINAR y a las IMPUREZAS menos nobles que el.

Los RESIDUOS INSOLUBLES, llamados BARROS ANODICOS, contienen los metales mas nobles que el metal a refinar, las impurezas insolubles y los precipitados del electrolito.Las impurezas menos nobles que el metal a refinar no se depositan en el CATODO y por lo tanto se acumulan en el ELECTROLITO y deben ser eliminados.

3.4 Comportamiento de Impurezas

Pm Au Ag Se Te S Cu Sb As Bi Ni Co Fe Pb ZnAuE-S---E------S-AgSeS--S-E--S---sE-CuSSSSSS-SsEsEsE-ESENiSSS--SsE-E--EESe-PbSSSSS-SSeSSEEE-E

Leyenda:

PM: Metales del grupo del Platino S: Barro Andico (slime) E: ElectrolitosE: en su mayor parte al ElectrolitoSe: en su mayor parte al Barro Andico.

Proceso de Electro refinacin de CobreCobreImpuroMoldeo denodosElectrolisisElectrolitoCuSO4-H2SO4Ctodo deCobre de Alta PurezaBarro AndicoTratamiento de Barro AndicoAu, Ag, MPt, Se

Comportamiento y control de Impurezas en Electrorefinacion de CobreCapitulo 4:

1. IntroduccinObjetivo:

Ctodos de alta pureza y bajo costo.

a) Telurio > Selenio > Bismuto > Antimonio > ArsnicoEfecto negativo sobre el recocido y temperatura de recristalizacion: alambron, colada continuab) Metales Preciosos y metales del grupo del platino: importancia econmica. c) Plomo, azufre, Metales del grupo del Fierro.

d) Contaminacin de Ctodos: - Barro andico - Electrolito - Co - depositacine) Impurezas en: - nodos - Electrolito - Ctodos

2. Comportamiento Y Control De ImpurezasCu Cu + 2e e = 0.34V+2MPt Au Ag Se Te S Pb Sb As Bi Ni Fe Zn B B B B B B B B pE pE E E EDonde:B: barro andicopE: principalmente electrolitoE: electrolito

Metales del grupo del Platino (Pt, Pd), Oro y PlataAu Au + e e = 1.70 VAu Au + 3 e e = 1.50 VAg Ag + e e = 0.80 V++3+MPt y Au:No se disuelven.No se encuentran en el electrolito.No se depositan en el ctodoPasan al BARRO ANODICO.Ag:Pequea cantidad se disuelve(Ag, Se, Te: Selenuros y teluros de cobre y plata)Algo precipita como AgCl(30 mg/l de Cl-)- Algo se deposita en el ctodo

b) S, Se y TeAg Se

Cu Se

Ag Te

Cu S22242 Muy Refractarios a la Disolucin e = 0.5 0.6 V No se disuelven. Pasan al Barro AndicoCu S 2 Cu + S + 4 e ; e = 0.6 VCu Se 2 Cu + Se + 4e ; e = 0.5 V22+2+2

c) As. Sb y BiAs + 2H O HAsO + 3H + 3e ; e = 0.25V22+Sb + H O SbO + 2H + 3e ; e = 0.21V2++Bi + H O BiO + 2H + 3e ; e = 0.32V2++e < 0.34 se disuelven

c) As. Sb y BiSe disuelvenParte precipita como: Arsenatos de Sb y Bi: * en suspensin contaminan el ctodo * barro andico

Parte eliminada en circuitos de purificacin: * Barros Arsenicales.

d) Fe, Co y NiFe Fe + 2e ; e = - 0.44 VCo Co + 2e ; e = - 0.28 VNi Ni + 2e ; e = - 0.25 V+2+2+2 Se disuelven. Pasan a la solucin. No se co depositan con el Cu Son eliminados en circuitosde purificacin.

e) Plomo.Pb Pb + 2e ; e = - 0.13 VPb + SO PbSO + 2e ; e = - 0.36 V+24-24 Se disuelven. Precipita como PbSO Pasa al Barro Andico 4

3. Rangos de contenidos de impurezas en nodos Electrolito y Ctodos.36 Refineras / 16 PasesComposicin de nodos.Cu (%)Ag (ppm)SeTeAsSbBiPbNiO2Au98.090812033714130sd 99.8 7.0 2.2 1.0 2.7 2.2 300 4.3 6.7 4.0sd

Rangos de contenidos de impurezas en nodos Electrolito y Ctodos.Composicin del ElectrolitoCu (g/l)H SOAsSbBiNiCl24-35 50130 2100.01 200.01 0.50.01 0.31 300.02 0.06

Rangos de contenidos de impurezas en nodos Electrolito y Ctodos.Composicin de CtodosCu (%)Ag (ppm)SeTeAsSbBiPbNi99.991 20< 1< 10.1 30.1 150.1 10.5 100.3 - 20

Diseo de PlantasCapitulo 5

Consideraciones de Diseode PlantasDisear una refinera electroltica de cobre paraproducir 120.000 t/ao ( Capacidad de la Refinera De Potrerillos)

Calculo de la cantidad de corriente requerida I:Se calcula a partir de la Ley de Faradaym = M I * t * I nF Donde:m : masa en gramosn : n de electronesF: constante de Faraday, 96500 Coulomb (A*s)t : tiempo (seg)I: eficiencia de corrienteM: peso molecularI = m * n* F M * t * I

Calculo de la cantidad de corriente requerida I:En nuestro caso seria

m = 120.000t * 1000 Kg/t * 1000 gr/Kg = 120.000*10 gn = 2 (Cu + 2e Cu)F = 96500 A*st = 1 ao =360*24*3600 sI = 0.98

Por lo tanto:I = 120.000*10 *2*96500 = 11957738 A =1.2*10 A 63.54*360*24*3600*0.98667

I = 1.2*10 A Es razonable este valor?7No, esto seria verdad si solo se usara una celda.Rectificadorcelda12*10 A6

Si nosotros usamos 2 celdas con la misma corriente,podramos duplicar la produccin; o bien, producir la misma cantidad a de I.

En la practica, los rectificadores no entregan una cantidad de I tan elevada.

Supongamos que el rectificador tiene una capacidad de 10.000 A

Por lo tanto el numero de celdas es:

N de celdas = 11958738 A 10.000 A/celda

N celdas= 1.196 celdas, conectadas en serierectificador

Calculo del voltaje requeridoSi solo se tiene una celda, se requerira 0.25 a 0.30 Volts; pero, como se tiene 1196 celdas, se requiere:

0.30 * 1.196 = 359 VEste valor es un poco elevado, a pesar que los valores normales de rectificadores varan entre 200 y 400 V. Se puede usar varios rectificadores de una misma corriente; pero, con voltajes mas pequeos. Por ejemplo:

Por ejemplo:

I = 10.000 A

Una alternativa seria usar dos rectificadoresde V = 180 V o un rectificador de mayor corriente y menos voltaje, por ejemplo:

I = 40.000 AV = 90 V

La eleccin depende del diseo y del costo de la planta.

Calculo del rea catdica por celda.Densidad de corriente: es la segunda premisa bsica del diseo; y su valor normal en refineras electrolticas varia entre 200 y 250 A/m2

Si nosotros elegimos i = 225 A/m2; el rea catdica requerida, si solo se usa una celda, ser de:

11.957.738 A = 53.146 m2 225/m2

Pero, como se tienen 1156 celdas, esa area catdica se reparte entre estas celdas y entoncesSe tiene que el rea catdica por celda ser de:

53.146 m2 = 44.44 m2/celda 1196 celdasPor lo tanto, cada uno de las 1196 celdas tendr una rea catdica de 44.44 m2

Calculo del numero de ctodos por celda y del rea de cada ctodo La tercera premisa bsica del diseo es la cantidad de corriente que puede ser transportada por cada electrodo. Con una barra conductora triangular, en la lnea de contacto pueden pasar alrededor de 500 A como mximo.

Por lo tanto se elige por seguridad un valor de 350 a 400 A por electrodo; lo cual determina que el numero de ctodos requeridos en cada una de las 1196 celdas, ser de:

10.000 A = 29 ctodos por celda 350 A/ctodo

El rea de cada ctodo ser de:

44.44 m2 = 1.53 m2/ctodo 29 ctodos

O sea 0.77 m2 por cada cara del ctodo, con lo cual se calcula las dimensiones del ctodo. Por ejemplo, un ctodo de 0.80 * 0.96 m = 0.77 m2.

Las tres premisas bsicas del diseo- Ley de Faraday- Densidad de Corriente y Corriente por electrodo,

analizadas anteriormente, determinan esencialmente, el diseo de la nave electroltica.

Esto quiere decir:La capacidad del rectificadorEl numero de celdasEl numero de electrodos en cada celda, yLas dimensiones de cada electrodo.

Otros factores, tales como el layout de las celdas, la distancia entre electrodos y el sistema de circulacin del electrolito pueden ser considerados como detalles del diseo.

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