Variables que controlan la Electro obtención y parámetros operacionales asociados

Resumen Ejecutivo

        Las distintas variables y parámetros operacionales en la electro obtención son vitales para su funcionamiento, los cuales serán explicados de manera detalla y será posible observar la necesidad de ellos para realizar el proceso y así obtener cátodos de cobre de alta pureza. El concepto de la electroquímica será utilizado de manera recurrente debido a la importancia de variables como voltaje, corriente y potencial de reacción. Además, se estudiará el concepto de nave en la cual ocurre la electro obtención y se detallaran las distintas medidas a utilizar para llevar a cabo un optimo proceso. Es necesario aclarar que, si bien se demostrara los distintos beneficios de este método para obtener cobre puro de una manera económicamente aceptable, es necesario un manejo optimo de las distintas variables y parámetros ya que un mal uso puede llevar consecuencias ambientales o para los trabajadores de suma importancia. Es por esto, por lo que se detallara cada concepto para así tener claridad del proceso de electro obtención y demostrar porque cada vez esta aumentando su uso en distintas plantas.

Introducción

En simples palabras, la electro obtención es un proceso donde se recupera el cobre el cual esta distribuido es una solución proveniente desde una lixiviación (Hidrometalurgia), donde se busca producir cátodos de alta pureza de cobre (99,99%) y así llevarlos al mercado.

        Básicamente, la solución electrolítica de sulfato de cobre () proveniente desde la extracción por solventes es llevado a las celdas de electro obtención donde se ubica un ánodo y un cátodo. El ánodo corresponde a una barra de plomo la cual se define como el polo positivo y por ende es donde entra la corriente eléctrica, por otro lado, el cátodo es una placa de acero inoxidable definida como el polo negativo y es por donde sale la corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica por lo general es de muy baja intensidad y actúa de manera continua entre ánodo y cátodo. De manera más específica, el ion cobre proveniente desde el sulfato de cobre es atraído por la carga negativa del cátodo generando un desplazamiento hacia él, por consiguiente, todo el cobre queda depositado en la superficie de acero inoxidable. (CodelcoEduca, s.f.)[pic 3]

        Una vez transcurridos siete días en las celdas de electro obtención, se comienza a cosechar los cátodos con 99,99% de cobre. Es importante destacar que este método es actualmente uno de los procedimientos más sencillos para recuperar Cobre en forma pura y con una concentración menor de impurezas, además posee una gran importancia económica al permitir el beneficio de recursos lixiviables como el cobre, donde el tratamiento por otros procesos suele ser una opción económicamente inviable.

Las impurezas encontradas en la electro obtención pueden ser: arsénico, selenio, bismuto, antimonio, plomo, azufre y fierro. Donde las ultimas tres son las que presentan mayores problemas y provienen desde la practica operacional empleada en las plantas de electro obtención. Además, se debe tener en cuenta que en todo momento se está trabajando con plomo y azufre ya que son elementos fundamentales para llevar a cabo la operación y así generar la reducción electrolítica. (CodelcoEduca, s.f.)

Generalmente la electro obtención se lleva a cabo en celdas de 6 a 8 [m] de largo, 1 a 1,5 [] de profundidad y 1 a 1,5 [] de ancho, por lo que se puede suponer un volumen aproximado de 10 []. Aproximadamente tanto los cátodos como los ánodos tienen un tamaño laminar de 1  de superficie por lado y se colocan de manera alternada al interior de la celda para generar la electrolisis. La distancia entre ánodo y cátodo es de aproximadamente 45 [] con el fin de disminuir al máximo la caída de tensión que se produce por la resistencia del electrolito, pero además manteniendo una distancia prudente para evitar cortocircuitos. (Arriagada, 2006)[pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8]

        Sin embargo, es importante aclarar que hay distintos parámetros operacionales y variables las cuales afectan la electro obtención, los cuales se detallarán de manera específica en el desarrollo.

Desarrollo

        Dicho anteriormente la electro obtención es un proceso muy útil para conseguir cobre de alta ley de una forma económica, pero existen bastantes parámetros y variables que se debe tener en cuenta para lograr un aprovechamiento optimo en todo el sistema:

        Conceptualmente, la teoría que se esta aplicando principalmente en las celdas electroquímicas son las leyes de Faraday las cuales se relacionan con la corriente eléctrica expuesta en el liquido a través de un campo eléctrico externo, se logra efectuar un movimiento adecuado de los iones, este fenómeno se conoce como electrolisis. La primera ley indica que la masa desprendida desde el electrodo es directamente proporcional a la carga eléctrica que pasa por el líquido (electrolito), el coeficiente de proporcionalidad es numéricamente igual a la masa de sustancia desprendida al pasar la corriente eléctrica por un determinado tiempo. Por otro lado, la segunda ley relaciona a los equivalentes electroquímicos y químicos de manera directamente proporcional. (Avila, 2011) Donde finalmente es posible obtener una ecuación que relaciona la masa depositada: (Olivares, 2006)

[pic 9]

Donde:

•  Masa depositada.[pic 10]
•  Peso molecular del elemento en estudio.[pic 11]
•  Intensidad de corriente en la celda.[pic 12]
•  Área total expuesta para el depósito del elemento.[pic 13]
•  Tiempo de exposición.[pic 14]
•  Eficiencia de la corriente entre 90-92%[pic 15]
•  Cantidad de electrones intercambiados en la reacción.[pic 16]
•  Constante de Faraday.[pic 17]

Otro parámetro importante que destacar es el voltaje aplicado en la celda, donde se podría deducir que para llevar a cabo la electrolisis solo es necesario aplicar una FEM (fuerza electromotriz), lo cual es equivalente a la suma de los voltajes necesarios para las reacciones a ejecutar. Sin embargo, en el proceso no se evidencia una situación tan fácil debido a que el potencial inicial esta calculado para el caso especifico de equilibrio en la celda bajo condiciones estándares. Para considerar al momento de una situación real es necesario considerar las concentraciones efectivas de los reactantes, seguido a esto se explicarán las variables a tomar para el voltaje en la celda más relevantes que son necesarios tomarlos en cuenta:

Potencial de reacción:

El potencial de reacción debe considerar las condiciones reales a las que ocurre una electrolisis, como por ejemplo la temperatura y la concentraciones de los iones presentes en la solución, el potencial necesario se puede calcular a través de la siguiente ecuación:

[pic 18]

Donde:

•  Potencial necesario.[pic 19]
•  Potencial para condiciones estándares.[pic 20]
•  Constante de los gases ideales.[pic 21]
•  Temperatura[pic 22]
•  Numero de electrones de la reacción.[pic 23]
•  Constante de Faraday.[pic 24]
•  Actividad de los iones en el producto.[pic 25]
•  Actividad de los iones en el reactante.[pic 26]

Para el caso especifico del cobre la ecuación queda expresada de la siguiente manera:

[pic 27]

[pic 28]

Si el potencial calculado tiene un valor negativo significa que la reacción está ocurriendo espontáneamente de derecha a izquierda de la ecuación electroquímica planteada. Por el contrario, si el potencial es positivo se traduce en una reacción espontanea de izquierda a derecha y exactamente esto es lo que se busca para la reacción del cobre, para así lograr que el cobre solido () se deposite en el cátodo y así lograr la electro obtención. (Olivares, 2006)[pic 29]

Sobrepotencial en el cátodo:

Generalmente los procesos electrolíticos necesitan un cierto sobrevoltaje para llevarlos a cabo. En este caso se debe a que en la superficie del cátodo hay una fuerte demanda de iones del metal, lo que genera un disminución del gradiente de concentración en la capa limite a valores demasiado pequeños. Para resolver este problema es necesario recurrir a una agitación para lograr un mejor movimiento de los iones. En el caso de la electro obtención del cobre, los valores están aproximadamente entre 0,05 y 0,1 [.[pic 30]

Sobrepotencial en el ánodo:

De manera análoga al cátodo, es necesario un sobrevoltaje para generar la reacción anódica (para el caso de la electro obtención del cobre es la disociación del agua y liberación irreversible del oxígeno.), donde también la agitación puede ayudar con este problema. Por el contrario del cátodo, es necesario un potencial bastante alto debido al plomo cercano a 1 [], una de las formas para solucionar este aumento del voltaje es usar aditivos como el sulfato de cobalto el cual baja el sobrepotencial hasta un valor de 0,1 []. (Olivares, 2006)[pic 31][pic 32]

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