CONCEPTOS TEORICOS Y OPERACIONALES DE ELECTROOBTENCION

ISO 14000

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ELECTROOBTENCION DEFINICION La electroobtencin de cobre es un proceso electroltico de depositacin de cobre metlico, desde una solucin base de cobre, por el paso de una corriente elctrica. Se verifica en una celda electroltica, que est compuesta por una superficie catdica sobre la cual se depositar el cobre contenido en el electrolito y una andica que debe ser inatacable para evitar su corrosin y contaminacin del electrolito. El ctodo es una placa de acero inoxidable y el nodo una placa de plomo. MECANISMOS La reaccin total se presenta en forma simplificada como: Cu SO4 + H2O ===== corriente Cu0 + H2SO4 + O 2

Donde el cobre es depositado en el ctodo y el oxgeno es liberado en el nodo. La reaccin produce una generacin de cido sulfrico, el cual es usado en el circuito de SX, de acuerdo a: R2 Cu + H2SO4 ==== Cu SO4 + 2 RH

El proceso se verifica en una celda electroqumica, usando una solucin acidulada de cobre, llamada electrolito. Las reacciones principales que se producen son: En el ctodo: a) b) Cu++ + 2e- ===== Fe+++ + e- ===== En el nodo: c) d) H2O ===== Fe++ ===== 2 H+ + O 2 + Fe+++ + e2eCu0 Fe++

Resumiendo podemos decir, que con una energa elctrica suplida externamente, los efectos netos de una electroobtencin son disminuir el contenido de cobre de un electrolito, liberar oxgeno y aumentar la acidez. EQUIVALENTE ELECTROQUIMICO La regla es que 1 Faraday de electricidad (vale decir, 96489 ampere segundos, o coulomb) depositar el peso atmico de cualquier elemento, dividido 96

por su valencia, en donde el peso se expresa en gramos. Esto se conoce como el equivalente electroqumico y que para el Cu es: Cu++ = 63.54 / 2F = 31.77 / F La definicin de coulomb es aquella cantidad de electricidad producida por 1 ampere que fluye durante un segundo. Se debera notar que 1 ampere se define como aquella corriente invariable, que al pasar por una solucin de Ag NO3 en agua, deposita plata a razn de 0,001118 gramos por segundo. En trminos prcticos, sin embargo, los factores siguientes resultan ms tiles: Factor para el Cu: 1,18576 Gramos/Amp. hora 0,02844 Kgrs/Amp. da

CONCEPTOS TEORICOS BASICOS DE ELECTROOBTENCION DE COBRE DEFINICIONES Y ELECTROMETALURGIA Electroobtencin de cobre es el proceso unitario mediante el cual es posible recuperar cobre al estado metlico, slido (Cu0), a partir de una solucin acuosa que contiene iones de cobre, mediante el paso de una corriente elctrica. La reaccin qumica global que describe este fenmeno es la siguiente: Cu SO4 + H2O ===== Cu0 + O2 + H2SO4 en presencia de corriente donde: El cobre se deposita al estado metlico slido (Cu0), sobre un electrodo denominado ctodo. Como contrapartida a la reaccin qumica de depositacin de cobre en el ctodo, existe una reaccin qumica en el electrodo denominado nodo, la cual genera cido sulfrico y libera oxgeno, por descomposicin del agua. Finalmente, se observa la disminucin del contenido de cobre en la solucin acuosa o electrolito, producto de la depositacin del cobre sobre el ctodo. El siguiente dibujo representa un esquema bsico de una celda electroqumica, que corresponde a un reactor de electroobtencin:

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CELDA ELECTROQUIMICA FUENTE C.C. Flujo de electrones + ANODO - CATODO

En la celda electroltica se pueden distinguir los siguientes elementos principales: RECTIFICADOR CATODO : Fuente de corriente continua externa. : Electrodo negativo, que recibe el flujo de electrones desde el electrolito. La acumulacin de electrones sobre la superficie de este electrodo permite la realizacin de la reaccin catdica, es decir, la depositacin del cobre metlico. Es una placa de material buen conductor de la corriente elctrica. : Electrodo positivo, que recibe el flujo de electrones desde el rectificador y los entrega nuevamente a la fuente de corriente continua; la superficie de este electrodo se caracteriza por ser deficitaria en electrones, lo que permite la realizacin de las reacciones andicas de generacin de cido sulfrico y

ANODO

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ELECTROLITO

liberacin de oxgeno. Es una placa de material insoluble, resistente a la corrosin y conductor de la corriente elctrica. : Solucin acuosa conductora de la corriente elctrica (flujo de electrones) que contiene una concentracin de cobre al estado inico, junto con otras impurezas, a temperatura y viscosidad que maximizan la reaccin de depositacin de cobre.

La reaccin qumica global de electrodepositacin puede descomponerse en las siguientes reacciones electroqumicas, segn los lugares preferenciales donde estas tienen lugar: Reacciones catdicas: Cu++ + 2e- ==== Cu0 +++ Fe + e ==== Fe++ O 2 + 2H+ + 2e- ==== Reacciones andicas: H2O ==== Fe++ ==== 2 Cl- ==== O 2 + 2H+ + 2eFe+++ + eCl 2 + 2e(4) (5) (6) (1) (2) (3)

H2O

Otras reacciones en solucin: 2 Fe++ + O 2 + 2H+ ==== 2 Fe+++ + H2O (7)

La reaccin (1) ocurre en el ctodo y es la de inters para la produccin de ctodos de cobre. Las reacciones (3) y (7) son pocos importantes dado que la baja solubilidad del oxgeno en agua hace que sean reacciones de cintica lenta. Las reacciones (2) y (5) son reacciones cclicas, es decir, se estn desarrollando en el nodo y en el ctodo simultneamente, estas reacciones toman importancia cuando los contenidos de fierro en electrolito alcanzan niveles mayores a 2 gramos por litro, es entonces cuando estas reacciones se manifiestan haciendo disminuir la eficiencia de corriente; esto significa aumentar el consumo de energa elctrica sin que necesariamente aumente la produccin de cobre. La reaccin (6) es importante de considerar debido al dao que se produce a las instalaciones por efectos corrosivos del gas cloro. La reaccin (4) ocurre en el nodo y es la responsable de la emisin de neblina cida.

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LEY DE FARADAY La ley de Faraday establece que: Un equivalente-gramo de material es qumicamente alterado en cada electrodo, por cada 96.500 coulombs (1 Faraday; o bien 96.500 ampere-segundo) pasados a travs de una celda electroltica. DEFINICIONES : Se define como el peso atmico de un elemento dividido por su estado de valencia ms estable. En el caso del cobre, el estado de valencia ms estable es +2 (ion cprico), luego un equivalente gramo de cobre es 63.54/2 = 31.77 gramos. : Se define como la cantidad de electricidad Coulomb (flujo de electrones que pasa entre conductores en un segundo cuando se aplica un flujo de corriente equivalente a 1 ampere. La unidad del coulomb es el ampere-segundo. Equivalente electroqumico : Se define como el equivalente-gramo de un metal depositado por una corriente elctrica de 1 Faraday, es decir, 96.500 coulombs, o bien, 96.500 ampere-segundo. La siguiente tabla muestra los valores de equivalente electroqumicos para distintos elementos. EQUIVALENTE-ELECTROQUIMICOS PARA DISTINTOS ELEMENTOSELEMENTO PESO ATOMICO gramos VALENCIA EQUIVALENTE GRAMO gramos EQUIVALENTE ELECTROQUIMICO gramos/(ampere-hora)

Equivalente-gramo

Cu+ Cu++ Zn++ Co++ Ni++ Ag+

63,54 63,54 65,37 58,93 58,71 107,87

1 2 2 2 2 1

63,54 31,77 32,69 29,47 29,36 107,87

2,37 1,18 1,22 1,10 1,09 4,02

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La ley de Faraday se utiliza para calcular la cantidad terica de masa de cobre que se depositara en una celda electroltica. Se debe tener presente que no toda la energa elctrica aplicada se utiliza para la depositacin del cobre; es as como existen reacciones qumicas parsitas o paralelas que consumen energa elctrica para su realizacin, ejemplos de esta situacin son las reacciones (2), la ms relevante desde el punto de vista de consumo de energa elctrica, y las reacciones (3) y (5). Asimismo, existen otras fuentes de prdida de energa elctrica como son: resistencia del electrolito al paso de la corriente elctrica, prdidas en contactos y sobrepotenciales andico y catdico. La expresin de la ley de Faraday para el clculo de la masa de material depositado es: Q = Ee x A x t donde: Q = masa terica de metal depositado (gramo). Ee = equivalente electroqumico del metal (gramo/ampere-hora). A = corriente elctrica aplicada (amperes). t = tiempo de aplicacin de la corriente elctrica (hora). Debido a los antecedentes de prdida de corriente elctrica mencionados anteriormente, es necesario revisar el concepto de eficiencia de corriente. EFICIENCIA DE CORRIENTE Se define la eficiencia de corriente como la razn entre el depsito real del metal dividido por el depsito terico del metal, segn el calculo proporcionado por la ley de Faraday: N = Qr / Q x 100 donde: N = eficiencia de corriente (%). Q = masa terica de metal depositado (gramo). Qr = masa real de metal depositado (gramo). Luego, se puede escribir que la masa real de metal a depositar Qr, est dada por la siguiente relacin: Qr = Q x N / 100 equivalente a: Qr = Ee x A x t x noC x N / 100 donde: Qr = masa real de metal depositado (gramo). Ee = equivalente electroqumico (gramo/ampere-hora). A = corriente aplicada (amperes). t = tiempo durante el cual se aplica corriente (hora). noC = nmero de celdas electrolticas. N = eficiencia de corriente (%).

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VOLTAJE DE CELDA Y CONSUMO DE ENERGIA Cabe hacer notar que, a partir de la relacin que da cuenta de la masa real de metal depositado se observa que esta es solo funcin de la corriente elctrica y su tiempo de aplicacin; sin embargo, se debe considerar el voltaje asociado a tal corriente elctrica puesto que este define el consumo de energa elctrica y los costos asociados a la electrodepositacin de cobre. Es as como el depsito terico de cobre en una celda electroltica para una corriente de 1 ampere, alcanzara a 1.18 gramos/hora, si ahora consideramos 100 celdas en lugar de una, para las mismas condiciones de corriente, la masa terica de cobre depositado alcanza a 118 gramos/hora, pero el voltaje de celda aumenta 100 veces como asimismo aumenta 100 veces el costo de energa. El voltaje de celda V, est constituido por la sumatoria de cadas de potencial debidas a factores como los siguientes: Potencial de reaccin Vr, corresponde a la energa que se necesita entregar al sistema para realizar la reaccin de electrodepositacin de cobre. En el caso de las condiciones de operacin de electroobtencin de cobre el valor de Vr alcanza a 0.92 volt. Potencial de polarizacin andico o sobrepotencial andico Va, corresponde a la energa involucrada en la reaccin de liberacin de oxgeno, asociada con la dificultad en la nucleacin de burbujas de oxgeno y posiblemente a excesos localizados en la concentracin de cido sulfrico. Los factores que ayudan a disminuir este sobrepotencial andico son los siguientes: agitacin del electrolito, materiales de construccin de los nodos conjuntamente con agentes externos que puedan ayudar a la evacuacin del oxgeno sin que sea necesaria la formacin de burbujas. Los valores de sobrepotencial andico se ubican en el rango de 0.6 - 1.0 volt. Potencial de polarizacin catdico o sobrepotencial catdico Vc, corresponde a la energa involucrada en la transferencia de iones de Cu+2 desde el seno del lquido a la superficie del electrodo, como asimismo a la transferencia de cargas elctricas sobre la superficie del electrodo; una forma de reducir el sobrepotencial catdico es la agitacin del electrolito. Los valores de sobrepotencial catdico se ubican en el rango de 0.05 - 0.1 volt. Resistencia ohmica del electrolito Vo, corresponde a la energa necesaria para vencer la resistencia que ofrece el electrolito al paso del flujo de electrones; se observa que la conductividad de los electrolitos es mayor en la medida que aumenta la concentracin de cido sulfrico, de igual forma ocurre si aumenta la temperatura, sin embargo, disminuye con el aumento de la concentracin de iones metlicos debido a la menor movilidad de estos iones respecto de aquella para los protones. La resistencia ohmica tambin depende de la geometra de la celda electroltica, en particular del espaceamiento entre electrodos y el rea de estos. La cada de voltaje debido a la resistencia ohmica es directamente proporcional al espaceamiento entre electrodos y a la densidad de corriente, e inversamente proporcional a la conductividad del electrolito; el valor de esta cada de voltaje se ubica en el rango de 0.15 - 0.5 volt.

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Resistencia por contactos elctricos Vk, corresponde a la energa por concepto de cada de potencial por contactos elctricos entre barras de distribucin, electrodos, barras portactodos, barras portanodos, etc. La reduccin en los valores de esta cada de potencial se obtiene mediante un diseo adecuado de barras y un cuidado constante de la limpieza de barras y contactos. Un valor probable para esta cada de potencial es no inferior a 0.1 volt. De acuerdo a los factores mencionados anteriormente, se puede estimar el valor de voltaje de celda V, mediante la siguiente reaccin: V = Vr + Va + Vc + Vo + Vk Vr Va Vc Vo Vk V = 0.92 V = 0.6 - 1.0 V = 0.05 - 0.1 V = 0.15 - 0.5 V = 0.1 V = 1.82 - 2.62 V

FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA EFICIENCIA DE CORRIENTE La eficiencia de corriente fue definida como la razn entre la masa de cobre real depositada y la masa terica de depsito de acuerdo a la ley de Faraday, expresada en porcentaje; representa un buen indicador del uso que se est a la energa en el proceso de electroobtencin, es as como los valores de eficiencia de corriente superiores a 92% corresponden a un buen uso de la energa en electroobtencin de cobre y toda vez que la eficiencia de corriente sea inferior a 90%, corresponder una explicacin satisfactoria de las razones por las que se obtuvo tal valor. Los factores que influyen en la obtencin de bajas eficiencias de corriente son los siguientes: Reacciones qumicas paralelas o parsitas; entre las cuales la principal es la reduccin de Fe+3 en el ctodo. Operacionalmente, el control sobre este factor se hace controlando la concentracin de Fe+3 y otras impurezas mediante descartes peridicos de electrolito. Prdidas de corriente debido a cortocircuitos entre nodo y ctodo, entre celda y celda o cualquier camino que tomo la corriente distinto al de pasar a travs del electrolito. El depsito de cobre se produce siempre que la corriente pasa a travs del electrolito. Operacionalmente el control sobre este factor se realiza mediante limpieza constante de barras distribuidoras y contactos. FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA CALIDAD DEL DEPOSITO CATODICO La calidad del depsito en un ctodo, desde el punto de vista terico, est relacionada con la cintica de la reaccin de reduccin de cobre; esta reaccin procede en la medida que exista transferencia de carga elctrica entre iones en solucin y la superficie del ctodo, los iones parcialmente neutralizados sobre la

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superficie buscarn una posicin estable donde depositarse sobre la superficie; la formacin de un depsito denso y suave depender de que en primer lugar esta reaccin se realice lentamente y en segundo lugar que los iones tengan la posibilidad de ocupar lugares de crecimiento preorientados, en caso de altas densidades de corriente se incrementa la velocidad de nucleacin, generndose un crecimiento aleatorio de grano, situacin que favorece la formacin de huecos y como consecuencia el atrapamiento de electrolito e impurezas. Los parmetros operacionales que influyen en la calidad del depsito catdico son los siguientes: Concentracin de cobre en el electrolito; debe corresponder a los valores de diseo, valores inferiores aumentan la velocidad de depositacin y por consecuencia favorece el crecimiento irregular del depsito. Concentraciones altas de cobre en el electrolito en general favorecen la calidad del depsito catdico. Viscosidad del electrolito; viscosidades bajas favorecen la velocidad de difusin de iones cpricos a travs de la capa lmite, operacionalmente bajas viscosidades se logran manteniendo bajas concentraciones de impurezas en general y en particular de iones pesados y sales neutras. Esto se logra manteniendo un control estricto de traspaso de impurezas desde la etapa de extraccin por solventes y realizando purgas o descartes peridicos de electrolito. Temperatura del electrolito; temperaturas altas favorecen las propiedades de difusin de iones en el electrolito, disminuyen la viscosidad de las soluciones y aumentan la densidad de corriente lmite para el depsito de cobre. Agitacin del electrolito; aumenta la densidad de corriente lmite y por consiguiente reduce la velocidad de crecimiento de grano o nucleacin. Aditivos para depsito de grano liso; la adicin de este tipo de productos tales como guartec, galactasol, guarfloc (floculantes), favorece el crecimiento de grano fino y por consecuencia se obtiene un depsito liso. Este fenmeno se logra por adherencia de este tipo de producto en protuberancias del depsito, generando sobrepotenciales locales en superficies deprimidas favoreciendo as el crecimiento del depsito en estas zonas, obtenindose como resultado global un depsito liso. Adicin de sulfato de cobalto; este reactivo tiene por misin proteger la capa de xido de plomo y de esta forma reducir la velocidad de corrosin de los nodos; adicionalmente tiene la ventaja de reducir el sobrepotencial andico, fenmeno que resulta ser beneficioso desde el punto de vista del consumo de energa. VARIABLES DE ELECTROOBTENCION Clculo de cobre depositado: Para una nave electroltica est definida como: P = A x 0,02844 x Ec x Nc x T en donde: P = peso de cobre depositado en kg/da. A = amperaje. Ec = eficiencia de corriente. Nc = nmero de celdas.

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T

= tiempo en das.

CONCENTRACIONES DE COBRE Y ACIDO La conductividad del electrolito se ve incrementada con la concentracin de cido y disminuye con el aumento de iones metlicos (Cu++, Fe++, etc). A su vez la calidad de cobre depositado es funcin directa de la concentracin de cobre en el electrolito. A valores inferiores a 30 gr/lt, de cobre en el electrolito la calidad del depsito baja notoriamente. La concentracin de cobre que debe operarse en el circuito electroltico es la del electrolito pobre, que para diseos es del orden de 30 - 40 gr/lt, valores que pueden sustentar cualquier variacin producto de la extraccin. La concentracin de cobre del electrolito rico es del orden de 45 - 55 gr/lt y es balanceado automticamente de acuerdo al cobre extrado en la etapa de extraccin. Por la ecuacin general que se verifica en la electroobtencin, a saber: Cu SO4 + H2O ===== Cu0 + O 2 + H2O se determina que por 1 kg de cobre depositado se producen 1,54 kg de cido sulfrico. Por lo tanto, la concentracin de cido en el electrolito se expresa como una funcin del cido generado por el cobre depositado ms el cido libre que se denomina cido equivalente, calculado de modo: H+ eq = Cu++ x 1.54 + H+ libre en donde: H+ eq = cido equivalente en gr/lt. Cu++ = concentracin de cobre en el electrolito en gr/lt. H+ = cido libre determinado por anlisis en gr/lt. Por diseo de la planta el cido equivalente debe estar en el orden de 210 gr/lt de acuerdo a: (ejemplo)

Electrolito Pobre Rico

Cu++ 38 48,4

H+ libre 152 136

H+ eq 210 210

Es importante destacar que la determinacin del cido equivalente debe ser revisado y analizado cuidadosamente, por cuanto el intercambio cido del extractante se ve afectado fuertemente en su transferencia neta, por esta concentracin y por lo tanto este nivel de acidez debe buscarse experimentalmente. 105

Esto se explica por el hecho que a mayores concentraciones de cobre en el electrolito y para un mismo valor de cido equivalente, el nivel de concentracin del cido libre, que es el que acta en el intercambio en la etapa de reextraccin, baja por clculo. Para evitar fluctuaciones de las concentraciones de cobre y cido en los electrolitos, las reposiciones de los flujos de agua y cido deben siempre efectuarse durante las 24 horas del da, con el fin de mantener una transferencia estable y un refino bajo. TEMPERATURA DEL ELECTROLITO La temperatura es una variable muy importante en el proceso electroltico, pues tiene los siguientes efectos positivos: Mejora la conductividad del electrolito. Baja la viscosidad. Mejora la calidad del depsito. Baja los contaminantes, especialmente el azufre. Disminuye el potencial de la celda. Debe ser mantenida entre los 42 - 45 oC. DENSIDAD DE CORRIENTE Se define como la intensidad de corriente que fluye a travs de un rea determinada de electrodos. Dc = A Amp x m2 Area Los rangos de esta densidad de corriente, para ctodos permanentes varan desde 250 - 300 Amp/m2. Un aumento de densidad de corriente, produce un aumento en la eficiencia de corriente pero deteriora la calidad del depsito y aumenta el potencial de la celda. Un aumento en la densidad de corriente debe estar acompaado de un aumento en los flujos de las celdas. EFICIENCIA DE CORRIENTE La eficiencia de corriente se define como la fraccin de la corriente total que se usa para depositar cobre. Para ctodos permanentes vara de 93 - 95%, siendo las siguientes variables que causan efectos negativos: Reacciones paralelas. Cortocircuitos. Fugas de corriente. La reaccin paralela de mayor importancia debido al consumo de corriente es la reaccin de reduccin del ion frrico a ferroso que se origina en el ctodo. La frmula para determinar la eficiencia de corriente es:

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Ec = Peso del cobre real depositado Peso del cobre terico depositado REACTIVO CATODICO Para mejorar la calidad de la depositacin produciendo un grano fino y evitar el efecto de los ndulos, que son altamente captadores de impurezas; tales como azufre y plomo principalmente, es que se agrega al electrolito un reactivo especial, que es un floculante, cuya misin es decantar los slidos en suspensin y que deben presentar un bajo contenido en los electrolitos, ya que su mayor presencia aumenta la viscosidad y mayor contaminacin en el depsito. Otro reactivo que se agrega es el cloro como cido clorhdrico, pero debe evitarse al mximo, pues aunque se use en bajas concentraciones como 5 - 10 ppm, producir en el tiempo un deterioro al nivel de la interfase tanto en los ctodos como en los nodos. Para el caso de los floculantes slidos (derivados del guar), se usan en dosificaciones del orden de 200 - 250 gr de reactivo por tonelada de cobre depositado. REACTIVO ANODICO Por naturaleza del electrolito y las reacciones que involucran la electrlisis es que se presenta en la celda siempre un alto potencial. Este alto potencial presenta una alta posibilidad de oxidacin del plomo, transformndolo en un xido de plomo, el cual es fcilmente solubilizable por la accin del cido sulfrico del electrolito, produciendo un desgaste y corrosin del nodo de plomo y una contaminacin de plomo en los ctodos por impregnacin de partculas de xido de plomo en el depsito. Para evitar esto, se agrega al electrolito sulfato de cobalto, cuya misin es estabilizar el xido de plomo producido, mantenindolo adherido al nodo, formando una capa protectora e impidiendo por lo tanto su disolucin. Es conveniente mantener el cobalto en el orden de 110 ppm, como concentracin en el electrolito. BALANCE BASICO DE COBRE Y ACIDO Balance de cobre: El balance de cobre est definido por las variables de diseo de acuerdo a: Electrolito pobre Electrolito rico = 38 gr/lt = 48,4 gr/lt

Se toma como base la concentracin del electrolito pobre, cuidando siempre de mantener la mnima variacin a travs del manejo del rectificador. Para esto se calcula el cobre extrado y de acuerdo a este valor del amperaje de acuerdo a: 107

A = FSR x 24 x (CuSR - CuRF) 0,02844 x Nc x Ec Este balance conviene efectuarlo cada 3 - 4 horas. Si el valor de la concentracin del electrolito pobre es igual o menor a 38 gr/lt y el amperaje calculado es mayor que el actual, el amperaje calculado debe ser ajustado en el rectificador. Si el valor de la concentracin del electrolito pobre es mayor a 38 gr/lt y el amperaje calculado es mayor que el actual, no debe subirse el amperaje y se debe esperar y repetir los anlisis por lo menos una hora despus. Balance de cido: Cada vez que se analice el valor de cobre en el electrolito pobre, debe analizarse tambin por su concentracin en cido libre y ajustarlo a un valor del cido equivalente de 210 gr/lt de acuerdo a: Fh+ = IEL x (210 - H+a) L/min Dh+ x 1440 en donde: Fh+ IEL H+a Dh+ = flujo de cido = inventario de electrolito total en m3 = concentracin de cido actual en gr/lt = densidad del cido sulfrico

CONTROLES OPERACIONALES EN ELECTROOBTENCION Preparacin reactivo andico: La concentracin de cobalto en el electrolito debe estar en el orden de 110 ppm y este anlisis debe efectuarse por lo menos una vez al da. Si el sulfato de cobalto es un slido, el cobalto agregado como sal se calcula de acuerdo a: PSC = IEL x (110 - Co) Kg 210 en donde: PSC IEL Co = peso del sulfato de cobalto en kg = inventario de electrolito en m3 = anlisis de cobalto actual en ppm

El sulfato de cobalto es fcilmente soluble y puede agregarse sin problemas en concentraciones del orden de 10 gr/lt. Preparacin reactivo catdico: El peso del reactivo catdico se calcula de acuerdo a: PRC = (peso depositado da anterior) x 0,25 Kg en donde:

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PRC

= peso reactivo catdico en kg

Asumiendo una dosificacin de 250 gr/ton Cu depositado. El reactivo catdico debe ser preparado teniendo en cuenta la precaucin de no formar grumos, dndole un tiempo de agitacin de por lo menos dos horas y dosificando al sistema las 24 horas del da. La concentracin no debiera superar en 0,2% P/V. El punto de adicin del reactivo debiera estar en la lnea de flujo de electrolito de alimentacin a las celdas. MANEJO DE ELECTRODOS Despus de efectuada la cosecha debe realizarse un chequeo minucioso de la colocacin de los ctodos de acuerdo a: Espaceamiento: Todos los ctodos y nodos entre sus centros deben estar a una distancia aproximada de 100 mm. Alineamiento: Las barras de contacto tanto de nodos como de ctodos deben sobresalir en ambos lados con respecto a las barras triangulares en 12 mm aproximadamente. Si se cumplen estas dos condiciones no se deberan tener problemas de alineacin y centrado hasta el final del periodo de depsito. MEDICION DE VOLTAJES Debe efectuarse diariamente un control de voltaje para conocer y detectar las celdas que presentan problemas con aumentos de voltajes no deseados. El voltaje total indicado por los rectificadores se divide por el nmero de celdas, dando un valor promedio del voltaje por celda. Midiendo el voltaje de celdas, se puede determinar la variacin y conocer que celdas presentan problemas al indicar un valor sobre el promedio efectundose en esa celda un control ms riguroso de medicin de contactos y cortocircuitos. RESISTENCIAS DE CONTACTO El amperaje total actual dividido por 60, da como resultado el amperaje que circula por cada ctodo. Este resultado se verifica midiendo por cada ctodo su amperaje y calculando un promedio de la suma total y la desviacin estndar. Se mide tambin el voltaje de contacto en mv, calculando el promedio y su variacin estndar. La resistencia ohmica se calcula de acuerdo a: R = V x 1000 m ohm A en donde: R V A = resistencia en m ohm = voltaje promedio = amperaje promedio

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Un valor inferior a 40 m ohm indica buenas condiciones de contacto. DESBORRE DE CELDAS La prctica de muchas naves electrolticas ha demostrado la necesidad de efectuar limpieza de celdas, para retirar los slidos decantados que principalmente son de plomo en periodos de tiempo que no superen los tres meses. Esta se efecta con el fin de mantener el fondo de las celdas libre de impurezas que puedan daar la calidad catdica y aprovechar tambin de limpiar los contactos de los nodos. Cuando se retiran los nodos para efectuar las limpiezas de las celdas, no debe retirarse de ellos la capa protectora de xido de plomo, salvo el caso cuando los pesos de borra depositada en la celda superen valores de 50 kg, lo que indica un problema mayor de deterioro de los nodos. ARRASTRE DE ORGANICO El arrastre de orgnico proviene de SX y est ligado directamente a la calidad de su operacin. Este arrastre aunque puede ser muy bajo, del orden de 2 ppm, es suficiente para causar problemas serios en desmedro de la operacin de despegue de las lminas, en la calidad del depsito y producir corrosiones en los niveles de la interfase de los electrodos por elementos altamente corrosivos como el cloro por ejemplo. El orgnico es altamente captador de slidos que quedan impregnados en los ctodos y son puntos de nucleacin que producen los ndulos que es el principal problema de atrapamientos de impurezas tanto de plomo como de azufre. Principio de operacin intercambiador de calor de placas En un intercambiador de calor de placas, el calor se transfiere del electrolito pobre y el agua caliente al electrolito rico a travs de delgadas placas de metal llamadas placas de transferencia, las cuales se han estampado con un patrn especial. Las placas de transmisin adyacentes tienen distintos patrones de estampado. El conjunto del intercambiador de calor se compone de placas de transferencia alternadas, que van colocadas en las barras transportadoras superiores y barras guas inferiores. Las placas adheridas se separan mediante empaquetaduras y se prensan entre las placas de cabezal pesado y placas seguidoras, a las cuales se les hacen conexiones de caeras. El nmero de placas de un conjunto se determina segn los requisitos de transferencia de calor. La figura siguiente muestra un intercambiador de calor ensamblado y la disposicin caracterstica de las placas de transferencia y de las placas seguidoras que muestran la trayectoria de paso de los fluidos. Cuando se estampa un conjunto de placas, los orificios de las esquinas forman mltiples conjuntos, que conducen al electrolito pobre y al electrolito rico a los pasos correctos entre las placas.

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Debido a la disposicin de las empaquetaduras en las placas, el electrolito pobre ingresa a los pasos con nmero par y el electrolito rico ingresa a los pasos con nmero impar. Los dos electrolitos fluyen en direcciones opuestas y se recogen en mltiples en el mismo extremo del intercambiador de calor de placas en que ingresaron. En el intercambiador de calor de placas, el agua caliente reemplaza al electrolito pobre en la trayectoria del caudal a travs del intercambiador de calor. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

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ELECTROQUIMICA En electroobtencin, el cobre metlico se recupera de una solucin de sulfato de cobre (CuSO4) acdica mediante electrlisis. Se logra la electrlisis pasando una corriente elctrica contnua entre los electrodos (nodos inertes pero conductores y ctodos de metal) que estn sumergidos en un electrolito (CuSO4H2SO4-H2O). El nodo transporta una carga elctrica positiva y el ctodo una carga elctrica negativa. Los iones de cobre (Cu++) se neutralizan con la adicin de electrones al ctodo y se depositan como un recubrimiento metlico en el lingote catdico de acero inoxidable. Cu++ + 2 (e-) ==== Cu0 (Donde (e-) representa un electrn simple). En el nodo inerte, el agua se hidroliza de acuerdo con la siguiente reaccin: 2 H2O - 4 (e-) ==== 4 H+ + O2 El oxgeno producido por la reaccin anterior se escapa como gas al nodo y los iones de hidrgeno (H+) se unen con un ion de SO4- que no participa en la reaccin y forman cido sulfrico (H2SO4). La reaccin neta de una celda es la siguiente: 2 Cu SO4 + 2 H2O ==== 2 Cu0 + O2 + 2 H2SO4

La ley de qumica fsica que rige la electrlisis es la Ley de Faraday. Se expresa de la siguiente manera: Un equivalente gramo de materia se altera qumicamente en cada electrodo por cada 96.500 culombios que pasan a travs de una celda electroltica. Un equivalente gramo es el peso atmico de un elemento dividido por su estado de valencia. En el caso del cobre, un equivalente gramo es igual a 31.8 gramos. Un culombio es la cantidad de electricidad que pasa entre los conductores en un segundo cuando est fluyendo la corriente de un amperio. El culombio tambin se llama amperio-segundo. La Ley de Faraday se usa para calcular la cantidad de cobre que se depositara tericamente en una celda de electroobtencin. Sin embargo, no toda la corriente disponible para la celda de electroobtencin produce la reaccin deseada que deposita cobre en el ctodo. Parte de la energa elctrica se desva a reacciones colaterales. Por ejemplo, la principal reaccin colateral es el par 112

frrico/ferroso (Fe3+/Fe2+), en el cual la energa elctrica oxidando/reduciendo el hierro de la celda de electroobtencin.

se

expande

La relacin entre la acumulacin real y terica se denomina eficiencia de corriente. Debido a la filtracin de corriente, la disolucin qumica del cobre depositado y las reacciones colaterales electroqumicas, el cobre efectivamente depositado es menor que la cantidad determinada por la Ley de Faraday. Rendimiento de corriente = Cobre real depositado x 100% Cu terico calculado Un ejemplo de cunto cobre debera recubrirse tericamente se calcula de la siguiente manera: Usando la Ley de Faraday, se necesitan 26,8 amperes-horas para depositar el peso de un equivalente gramo de cobre (31,8 gramos). Por lo tanto: 31.785 gr de Cu x 24 hr x kg = 0.02846 kg de Cu 26,8 amp-hr da 1000 gr amp-da

0.02846 kg de cobre se deposita a un 100 por ciento de corriente y con una eficiencia de un amperio-da. Si la potencia para cada celda es de 20.000 amperes, la cantidad de cobre depositado al 100 por ciento de la eficiencia actual es: 0.02846 kg de Cu x 20.000 amperes = 569.2 kg de Cu amp-da celda celda-da

Si la celda en realidad produjo 520.8 kg de cobre, la eficiencia actual sera: 520.8 kg de Cu = 91,5% 569.2 kg de Cu La densidad de corriente es la medida de la intensidad de la aplicacin de energa elctrica y se mide en amperes/m2. Se calcula dividiendo el flujo de amperes a travs de una celda por el rea de la superficie de recubrimiento del ctodo en la celda. La densidad de corriente vara para cada batera de estanques y se usa para equilibrar la alta produccin y la excelencia de la pureza del cobre. Se consume tambin cierta energa elctrica por resistencia del electrolito y otros factores. Los rectificadores de emergencia actan cuando la planta ha perdido energa. Se proporciona una pequea corriente para evitar que los nodos pierdan su recubrimiento de xido de plomo. Si no fluye ninguna carga lenta y pequea a 113

travs del nodo, el recubrimiento de xido de plomo se descama, lo que puede hacer que el nodo quede pasivo. Si esto sucede, se detiene la electroobtencin de cobre en el ctodo adyacente hasta que la superficie del nodo se reactive. Los nodos comienzan a degradarse de inmediato despus de perder la energa. Al fluir el electrolito a travs de la celda, se deposita el cobre de ste en el lingote catdico mediante electrlisis, lo que libera oxgeno en el nodo. Se permite la acumulacin de cobre en los lingotes catdicos durante siete das. Al final del ciclo de siete das, se retiran los ctodos de las celdas y se recogen los depsitos de cobre (se despegan). Los lingotes catdicos se devuelven a las celdas de electroobtencin y comienza de nuevo el ciclo de siete das. La evolucin de las burbujas de oxgeno en el nodo produce un vapor de electrolito rico en cido en el aire sobre las celdas. Cuando las burbujas llegan a la interfaz lquido/aire, se rompen y expulsan pequeas gotas de electrolito al aire. Este vapor de cido puede producir lesiones de irritacin a los operadores y personal de mantencin y corroer los componentes y equipos del edificio de electroobtencin. La descarga gaseosa de la celda, que contiene oxgeno producido en la reaccin electroqumica de la celda, transporta un vapor fino de la solucin de electrolito que contiene hasta 190 gramos por litro de H2SO4. Al fluir el electrolito rico a travs de las celdas de electroobtencin en el proceso de electroobtencin, se producen varios cambios: El contenido de cobre del electrolito disminuye al depositarse cobre en los ctodos. La concentracin de cido sulfrico aumenta, debido a la descomposicin de H2O en el nodo. La temperatura del electrolito aumenta, debido al calor de resistencia y otras insuficiencias. Es importante controlar las condiciones del electrolito para mantener la calidad de los depsitos de cobre y para garantizar la eficiencia de la electroobtencin. No debe permitirse que el contenido de cobre descienda a menos de 32 gpl de cobre en el electrolito pobre. Por debajo de este nivel, la reduccin de la movilidad de los iones de cobre en la regin del ctodo produce depsitos ms blandos o porosos. Es importante un depsito de cobre parejo y denso porque: Cualquier porosidad o irregularidad en la superficie aumenta la posibilidad de que se adhiera xido de plomo a la superficie del depsito del ctodo.

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Una vez iniciada, la nodulacin se puede acelerar, producindose contacto con el nodo. Esto provoca un aumento en la contaminacin por plomo del ctodo y reduce el rendimiento de corriente. La porosidad de los depsitos de ctodo puede producir la oclusin del electrolito en el depsito, la cual no puede eliminarse mediante lavado. El electrolito atrapado aporta impurezas (hierro y sulfato) al producto final. De manera similar, la excesiva irregularidad de la superficie puede interferir con el lavado adecuado, haciendo que quede electrolito en la superficie del ctodo lavado. Las impurezas del ctodo que preocupan ms significativamente son el plomo, hierro y sulfato (en orden decreciente de importancia). El nivel total de sulfato del electrolito (la suma de sulfato de cobre y cido sulfrico) tambin es importante, debido a su efecto en la resistencia del electrolito. Una alta resistencia (por ejemplo, debido a sulfato bajo) produce un voltaje ms alto en la celda y mayor consumo de energa. Es importante que la temperatura del electrolito se mantenga a 45C aproximadamente, por efecto importante que tiene la temperatura en la movilidad de los iones y la resistencia de los electrolitos. Los niveles de impureza del electrolito deben controlarse estrictamente. Las impurezas de cloro, hierro y manganeso son muy perjudiciales para la electroobtencin del cobre. Dependiendo de otras condiciones del electrolito, el cloruro presente en ste puede atacar al plomo, provocar agujeros en los lingotes catdicos de acero inoxidable, la oclusin del cloruro en el depsito de cobre y la evolucin de gas de cloro. La concentracin de cloruro en el electrolito debe mantenerse bajo 30 ppm. El contenido de hierro en el electrolito provoca la prdida de rendimiento en corriente, debido a la reaccin electroltica parsita: Fe3+ + e- ==== Fe2+

Fe2+ se oxida fcilmente a Fe3+ en el circuito que recircula del electrolito, de manera que la electrlisis parsita se repite continuamente. El contenido de hierro en el electrolito debe mantenerse bajo 1 gpl. El exceso de manganeso en el electrolito puede producir la formacin de permanganato por la reduccin del manganato: (MnO4)- + e- ==== (MnO4)2-

El permanganato es un oxidante fuerte que: Ataca el recubrimiento de xido de plomo en el nodo, lo cual acelera el consumo del nodo y la contaminacin con plomo del depsito de cobre.

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Ataca el orgnico de SX, lo que produce una oxidacin rpida y la destruccin del extractante. El contenido de hierro en la electroobtencin debe mantenerse al menos 20 veces superior al del manganeso. Esto asegurar que el par Fe3+/Fe2+ predomine sobre el manganato/permanganato y se evitar la formacin de permanganato. Aunque la electrlisis de Fe3+/Fe2+ es parsita y provoca la prdida del rendimiento actual, es menos perjudicial que la formacin de permanganato. El control de las impurezas de electroobtencin se realiza en la operacin de extraccin por solvente. La planta de SX disminuye las impurezas mediante la descarga de electrolito pobre del sistema y el lavado de la solucin acuosa residual del orgnico. Sin embargo, las operaciones de EW se ven principalmente afectadas por la calidad de este control. El puente gra se programa para que retire un tercio de los ctodos depositados en una celda a la vez. Por lo tanto, el puente gra necesita tres viajes para despegar una celda completa. Durante el tiempo en que se ha retirado un tercio de los ctodos de la celda para despegarlos, se sigue suministrando energa elctrica a la celda. La densidad de corriente es un 50% ms alta durante este perodo. Es importante reducir el tiempo durante el cual se produce esta alta densidad de corriente, en especial durante el perodo de aumento inicial del primer o segundo da, ya que crea o puede producir alteraciones inadecuadas en el ctodo, tales como: Apariencia : La alta densidad de la corriente produce un depsito spero y ms nodular, que puede provocar el aumento de cortocircuitos en la celda. Impurezas : Un depsito spero y nodular es ms susceptible de presentar partculas de xido de plomo y electrolito incrustadas en el depsito del ctodo, por lo tanto, se producen ctodos contaminados. Fragilidad : La alta densidad de la corriente estimula el aumento de una mayor granulometra. Esto produce un depsito ms frgil y difcil de separar.

CATODO La batera de estanques de electroobtencin usa normalmente la tecnologa de ctodo permanente del proceso Kidd. Esta tecnologa usa lingotes catdicos de acero inoxidable. La precisin de la dimensin y rigidez de los lingotes de ctodos de acero inoxidable permiten un espacio entre los lingotes catdicos de 95 mm. La rigidez del ctodo tambin

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produce un nmero menor de cortocircuitos en las celdas, lo que mejora el rendimiento de corriente. LINGOTE CATODICO DE ACERO INOXIDABLEBarra de soporte de cobre Barra de soporte A A Nivel de solucin Soldadura B SECT A-A Superficie de contacto redondeada

Placa

B

Cubreborde longitudinal SECT B-B Placa

Parte inferior de la placa

Principio de operacin lingote catdico de acero inoxidable En la superficie del lingote catdico se deposita cobre y se retira con una mquina automtica de despegado de ctodos cuando se completa el ciclo de depsito de ctodos (siete das). El lingote catdico debe poder cubrirse con cobre y separarse del depsito cuando se completa el ciclo. El lingote catdico debe ser resistente a la corrosin causada por el electrolito cido. Las propiedades de la superficie y los materiales cumplen estos objetivos. La placa del lingote catdico est fabricada con acero inoxidable 316-L y tiene 3 mm de espesor. La barra de suspensin est fabricada con cobre de alta conductividad y est soldada a la placa del lingote catdico. La superficie inferior de la barra de suspensin es redondeada, de manera que la placa matriz cuelgue verticalmente, haga buen contacto elctrico con la barra bus intermedia y reduzca la corrosin de contacto. 117

Los lingotes estn equipados con cubrejuntas longitudinales de plstico a lo largo de cada lado para evitar que el cobre se enchape alrededor de los bordes. ANODO Los nodos tienen 6 mm de espesor y estn fabricados con una aleacin de plomo, estao y calcio laminada en caliente. Los nodos laminados mantienen su forma y tienen menor tendencia a doblarse o deformarse con el tiempo que los dems tipos de nodos. Los nodos laminados poseen las siguientes caractersticas tiles: Producen un producto de corrosin de granulometra fina, que puede caer fcilmente al fondo de la celda, en lugar de escamas ms grandes, que pueden provocar contracciones en los depsitos de cobre que se estn formando. La unin de la barra de soporte con la placa soldada mediante un proceso especial que proporciona una baja de voltaje menor, lo que produce un menor consumo de energa. ANODO LAMINADO EN CALIENTEBarra de plomo cubierta de cobre

Lmina de aleacin de plomo, calcio y estao

La superficie del nodo se oxida durante la operacin normal. La descamacin (desprendimiento) de la capa de xido de plomo (PbO2) puede provocar la contaminacin del cobre catdico depositado. La descamacin es causada por: 118

Un aumento repentino en la temperatura del electrolito.

Anodos doblados, que los lingotes catdicos raspan o sacuden al cargarse en la celda. Cada vez que se limpie la celda debe verificarse que el nodo este recto. Los lingotes catdicos doblados que raspan los nodos al cargarse en las celdas. Deben inspeccionarse los lingotes catdicos para ver si estn rectos despus de cada recoleccin y antes de que se devuelvan a las celdas. Altas densidades actuales, que forman rpidamente la capa de PbO2, y mayores velocidades de circulacin, las cuales producen mayor agitacin entre los electrodos, con lo cual se descama la capa de PbO2. Interrupcin de la electrlisis debido a bajas de energa, lo cual perturba la capa de PbO2 y acelera la descamacin. Altos niveles de cido sulfrico, que pueden causar un aumento en la capa de PbO2 y aumentar, as, la posibilidad de descamacin. Se agrega heptahidrato de sulfato de cobalto (CoSO4*7H2SO4) a la lnea de alimentacin a celdas en nave de EW, mediante bombas dosificadoras, desde el estanque de mezcla de aditivos de electroobtencin, para estabilizar la capa de PbO2. Para la prctica de electroobtencin se recomiendan niveles de cobalto entre 100 y 200 ppm en el electrolito. El nivel de cobalto en el electrolito de MET se mantiene aproximadamente en 130 ppm. Adems, la adicin de cobalto contribuye a disminuir el sobrevoltaje andico, lo que reduce el consumo de energa. Se debe tener cuidado al controlar la descamacin del nodo y la posible contaminacin del ctodo de cobre. MANEJO DE ELECTRODOS EN SERVICIO CORROSION Galvnica: Si no se toma con cuidado, se puede producir una corrosin seria en la placa en condiciones de electrodepositacin, debido al acoplamiento en la celda galvnica del acero inoxidable y de los nodos de plomo. El acero inoxidable es andico con respecto al plomo y se corroer si se produce el acoplamiento galvnico. Andica: se puede producir una corrosin grave por disolucin andica, cuando la placa (ctodo) se carga como nodo en la celda. El patrn de corrosin (a veces la disolucin total del acero inoxidable), se ilustra es este dibujo:

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CORROSION ANODICA

Nivel de electrolito

Banda de acero disuelto

Se produce durante la carga de las placas, cuando una placa se puede poner por accidente desplazada en la celda haciendo contacto con la barra de contacto del nodo de la celda. Esto significa, que la placa ahora acta como nodo y debido al potencial de electrodepositacin, el acero inoxidable no es inerte y se disuelve. El ancho y la profundidad de la banda de disolucin coinciden con las dimensiones de la placa nodo. Slo el permetro de placa se disuelve andicamente, debido a la presencia de nodos adyacentes ms que de ctodos adyacentes. Si se corrige el error en las primeras etapas de disolucin, el depsito de cobre se har difcil de despegar de la placa, pero se desprender con facilidad en el medio. Dependiendo de la corrosin, las placas se pueden reparar pulindolas. Si no se detecta, la placa de acero inoxidable se perforar debido a la corrosin. Es necesario entonces, retirar la placa y lo ms probable es que haya que desechar la placa. Las primeras experiencias de electrodepositacin indicaron que este tipo de corrosin se present nada ms que cuando un electrodo quedaba mal alineado. Sin embargo, podra ocurrir con facilidad a mayor escala si las celdas no se inspeccionan con frecuencia. Cloruros: El nivel de cloruro en el electrolito no debe exceder de 30 ppm. Con altos niveles de ion cloruro en el electrolito se puede juntar cloro gaseoso sobre la lnea de solucin. Este cloro es transportado por la fina neblina cida asociada con la reaccin de liberacin de oxgeno en el nodo. La neblina condensada se asienta en el ctodo y contiene o colecta suficiente cloro como para iniciar el proceso de corrosin. Las picaduras son el mecanismo de la corrosin. Una vez que aparecen picaduras crecen, por lo tanto, la prevencin de altos niveles de cloruro es el nico mtodo de tratamiento. 120

El aumento del cloruro, igual que de los iones cpricos (Cu2+) y frricos (Fe ), aumenta significativamente la velocidad de corrosin. La velocidad y extensin con que aparecen las picaduras, se ha descubierto que no dependen de la acidez, pero s que aumentan a altas temperaturas. Las condiciones de estancamiento tambin aumentan la tendencia a las picaduras. Las picaduras en la lnea de solucin pueden tener como resultado que el cobre se meta a la placa, siendo as muy difcil el desprendimiento. Este es especialmente el caso si no se mantiene constante el nivel de la solucin. Los niveles de cloruro solo se pueden controlar reduciendo la cantidad de cloruro que entra al electrolito. Las principales vas son: Por arrastre en el solvente que se carga. Se necesitan ms etapas de limpieza en la etapa de extraccin por solvente para reducir los niveles de cloruro en el electrolito. El agua que se usa para rellenar la prdida de electrolito contiene altos niveles de cloruro. Este se puede eliminar solamente sacando el cloruro del agua de relleno o buscando una nueva fuente de abastecimiento de agua baja en cloruros.3+

CONTACTOS La corrosin del recubrimiento de cobre de la barra soporte se produce en un ambiente de electrodepositacin, si no se pone suficiente atencin a la limpieza y a los buenos procedimientos operacionales. La zona de contacto de la barra de soporte ha sido diseada para minimizar la corrosin de esta barra. Sus caractersticas incluyen: Un espesor aproximado de 25 mm de la capa de cobre para asegurar un buen contacto de la barra de soporte con la barra bus. Un borde contacto redondeado para lograr un punto de contacto que minimice cualquier encapsulacin de sal en esta regin, y para ayudar a una limpieza eficiente. Si el contacto de cobre est totalmente corrodo y ha quedado expuesto el acero inoxidable, se formar rpidamente una capa de xido en el acero inoxidable que no es conductora. Fluirn bajos niveles de corriente a este ctodo, debido a la mayor resistencia y se producirn depsitos delgados de cobre. En casos extremos, la barra de acero inoxidable se pondr muy caliente, debido a la baja conductividad del acero inoxidable, acentuando la formacin de xido. Los procedimientos operacionales que se necesitan para una larga vida de la barra soporte son: Un lavado constante y eficiente de los contactos y las barras soporte para eliminar el cido residual y las sales electrolticas causadas por salpicaduras y goteo de electrolito. Una minimizacin de los cortocircuitos que hacen que la barra soporte se caliente y que provocan una mayor cantidad de reacciones de corrosin. 121

Una efectiva supresin de la neblina cida. El cido en forma de neblina se puede acumular en la regin de contacto, provocando corrosin. Al igual que la barra soporte, la barra bus intermedia tambin se corroe. Los efectos de corrosin son mayores en la zona de contacto, debido a la mayor velocidad de reaccin causada por la corrosin en grietas. COMPOSICION DEL ELECTROLITO A continuacin, se presenta un resumen de las especies que pueden perturbar la operacin de electrodepositacin: 1. Sales halgenas que causan picaduras del ctodo: Cl: Cloruros Br : Bromuros I: Ioduros F : Fluoruros

2. Especies metlicas que pueden aumentar la corrosin por picaduras en las soluciones halgenas: Cu2+ : Cpricos Fe3+ : Frricos Hg2+ : Mercuriales 3. Aniones que pueden reducir la presentacin de picaduras en el ctodo en soluciones halgenas: SO42- : Sulfatos OH- : Hidrxidos ClO3- : Cloratos CO2- : Carbonatos NO3- : Nitratos 4. Los iones de manganeso (Mn2+) pueden hacer que la capa conductora de PbO2 del nodo se desastille y contamine el ctodo de cobre. LINEA DE LA SOLUCION Bajo condiciones operacionales normales de electrodepositacin, cuando la lnea de solucin est fija, la corrosin no es problema. Sin embargo, se puede inducir corrosin si las condiciones no se controlan bien. Los electrolitos de electrodepositacin que operan a temperaturas bajas (bajo 35C), pueden precipitar sulfato de cobre, especialmente en la lnea de solucin. Si baja la lnea de la solucin, se puede producir corrosin en la antigua lnea de la solucin, especialmente en la zona ms cercana al extremo de contacto de la barra de soporte.

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Esta zona se puede calentar mucho, cuando los electrodos estn en corte y la combinacin de cido sulfrico concentrado y de calor en la capa anterior provocan corrosin en esta regin. El yeso CaSO42H2O en pequeas cantidades tambin puede precipitarse en la lnea de solucin y tener el mismo efecto. Un lavado cuidadoso y eficiente y un control permanente de la altura de la lnea de la solucin, previenen este tipo de corrosin. ALINEACION Es necesario alinear las placas ctodos con los nodos de plomo, si se quiere producir cobre elctricamente eficiente, puro y visualmente atractivo. EFECTOS EN LOS BORDES Los traslapos estndar para los ctodos que se usan, cuando la alineacin en celda es correcta son: 30 mm aprx en el lado. 50 mm aprx en el fondo.

Si la distancia a los bordes es superior a estos valores, se pueden producir deposiciones delgadas, caf oscuro, y cuando se desprende el cobre, estas deposiciones delgadas pueden quedar pegadas en la placa. Esto da por resultado un mayor tiempo de manipulacin de la placa en el despegue. Si el traspaso es menos que estndar, se produce una deposicin nodular en una regin de alta densidad de corriente. Los clientes de ctodos prefieren los ctodos lisos a los ctodos nodulares. PLACA La alineacin entre los nodos es importante para lograr una distribucin eficiente de la corriente y para minimizar la creacin de cortocircuitos. El objetivo es alinear el ctodo de manera que quede una distancia igual entre los nodos. Los caping board que dan un alineamiento positivo a cada electrodo y una posicin derecha a cada electrodo, ayudan a lograr este propsito. Ejemplo: Espaceamiento entre centro y centro del electrodo Espesor de placa, ctodo Espesor de la placa, ctodo ms cobre Espesor del nodo Espacio, interelectrodos al inicio del ciclo catdico Espacio interelectrodos al final del ciclo catdico : 100 mm : 3.25 mm : 14.0 mm : 6.4 mm : 45.2 o 45 mm : 39.8 o 40 mm

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Los espacios mencionados deben ser iguales a ambos lados de un ctodo para lograr una distribucin ideal de la corriente. LINEA DE LA SOLUCION El nivel del electrolito debe ser tal que quede: Por debajo de la barra gruesa de soporte del nodo de plomo. Se puede producir una nodulacin por alta densidad de corriente en las regiones superiores. Por debajo del borde inferior de las ventanas de la placa del ctodo. La placa no podr desprenderse, ya que el cobre ser envolvente por las ventanas. ORGANICO Es el material que se usa especficamente para extraer el cobre de una solucin diluda de lixiviacin. Las plantas de SX-EW (de extraccin por solvente-electroobtencin), estn diseadas para eliminar el arrastre de orgnico a las celdas de electrodepositacin. Los mtodos para eliminar el orgnico de las celdas incluye: La instalacin de celdas scavenger que tienen un rebalse especial, que permite recuperar el orgnico que est en la parte superior de la celda. Un filtrado de electrolito, con un filtro de capas de material filtrante. Dispositivos de flotacin, tales como la celda de columna o celda Jameson. QUEMADO La presencia de pequeas cantidades de la fase orgnica en el electrolito, causa la decoloracin de los depsitos en el ctodo. Esto sucede especialmente en la parte superior del ctodo donde el orgnico, que es menos denso, se acumula arriba del electrolito, debido a la accin del barrido del oxgeno que se libera en el nodo. El depsito de orgnico quemado es suave, poroso y de color chocolate caf oscuro. La textura porosa y blanda proporciona un rea adecuada para que capte impurezas slidas. El anlisis del material quemado, indica que consiste en una compleja mezcla de cobre y orgnico. Hay estudios que han demostrado que este material quemado es provocado por el solvente y no por el diluyente (generalmente kerosene). La capa correspondiente a la lnea de solucin de orgnico quemado hace difcil desprender incluso manualmente el cobre de los ctodos. Se necesita una superficie superior rgida y fuerte para que la herramienta de despegue pueda hacer palanca para que el ctodo de cobre se desprenda de la placa de acero inoxidable.

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Ocasionalmente, el efecto se propaga verticalmente en el ctodo haciendo que el depsito se apriete y sea muy difcil de desprender. Se afirma que la pelcula de orgnico da por resultado una distribucin no pareja de la corriente, lo que lleva a una morfologa variable del ctodo de cobre. Cuando pasa esto, el orgnico mancha las placas de acero inoxidable. Para eliminar la mancha se recomienda pulir la placa. Tambin, se han encontrado reas quemadas por debajo del cobre que se ha depositado normalmente. Esto indica que la zona quemada es conductora. El lquido hidrulico de las mquinas de despegue (en particular, la estacin de despegue), tambin puede llevar al orgnico quemado. El goteo de aceite generalmente es pequeo y localizado y se puede arreglar fcilmente hacindole mantencin a los dispositivos hidrulicos de la mquina. Debido a su pequea cantidad y a su posicin localizada, generalmente en el centro de la placa, no afecta el rendimiento del desprendimiento; sin embargo, la superficie de la placa queda daada y hay que pulirla. Cabe hacer notar, que el orgnico residual en las celdas de electrlisis constituye adems, un riesgo de incendio. CORTOCIRCUITOS Un cortocircuito es una condicin fsica que hace que la corriente pase entre los electrodos sin participar en las reacciones electrolticas. Las caractersticas de los cortocircuitos son: Voltajes bajos en las celdas. Menor produccin de cobre, por una menor eficiencia de la corriente.

Calentamiento de las barras soporte de los electrodos por la alta corriente que fluye por la va de menor resistencia del corte. Las barras soporte calientes producen una mayor corrosin de las barras y, en casos extremos, al derretimiento de la barra soporte. Calentamiento de la placa nodo, lo que lleva a una mayor produccin de xido de plomo y a posible descascaramiento. El calentamiento localizado del electrolito por transferencia de calor desde las placas, tambin puede aumentar el riesgo de descascaramiento. CAUSAS Los principales tipos de cortes en la electrodepositacin son: Cortes por proximidad. Cortes por deposicin.

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CORTES POR PROXIMIDADPLACA DOBLADA MALA ALINEACION PLACA DESAPLOMADA ANODO DOBLADO

Los cortes por proximidad se producen cuando la placa ctodo entra en contacto directo con el nodo o cuando queda extremadamente cercana al nodo. Los cortes por proximidad los producen las placas ctodo dobladas, las placas madres que cuelgan fuera de la vertical, grave desalineacin de los electrodos y nodos de plomo doblados. Las placas deben pasar una prueba de posicin colgada, para que queden verticales. En el peor caso de corte de proximidad hay un contacto directo entre los electrodos. En otros casos, puede que los electrodos no se alcancen a tocar, siendo la distancia entre ellos tan pequea, que corrientes localizadas de muy alta densidad producen deposiciones nodulares que entran en cortocircuito. En este caso, el mecanismo final para el cortocircuito es un cortocircuito por deposicin que a su vez es el resultado de la proximidad. CORTOCIRCUITO POR DEPOSICIONNODULO POR CORTOCIRCUITO

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Los cortocircuitos por deposicin los causa la inclusin de una partcula conductora en el depsito catdico. La partcula atrae carga y por esto crece ms rpido que el resto del ctodo a su alrededor. Al continuar el crecimiento se acelera porque atrae continuamente ms corriente, creciendo as ms rpido. Finalmente, esta deposicin o crecimiento nodular o dendrtico entra en contacto con el nodo y se forma un cortocircuito muerto. La tcnica correctiva tradicional consiste en romper fsicamente el cortocircuito por deposicin, usando una varilla de acero inoxidable. DETECCION 1. VISUAL

Los electrodos que llevan mucha corriente se calientan y posiblemente derritan el aislador plstico. Esto puede provocar un incendio. Las barras soporte pueden quedar al rojo vivo, con un nivel significativo de corriente. Si bien este es un mtodo de deteccin muy sencillo, generalmente se percibe despus que se ha producido el dao. 2. UN GAUSSIMETRO

Este es un sencillo instrumento que es la herramienta predominante para detectar cortocircuitos en las refineras electrolticas. Indica una alta corriente en un ctodo por la gran fuerza magntica asociada que induce un movimiento en la armadura de hierro accionada por un resorte que tiene este instrumento. Aunque sencillo, este instrumento Gauss es en gran medida inefectiva cuando los cortocircuitos estn cerca uno de otro y cuando los cortocircuitos se producen en celdas que estn en el extremo de la seccin, debido al traslapo de las fuerzas magnticas. 3. TONG TESTER/MULTI-METER

Se pueden medir las corrientes de los electrodos y los voltajes de contacto. Los cortocircuitos producen mayor corriente y mayor corriente de traspaso. A gran escala, este es un mtodo muy tedioso y que ocupa mucha mano de obra y por lo general, solo se usa cuando hay que investigar en mayor profundidad una celda o un par de electrodos. 4. METODOS INFRAROJOS

En las salas electrolticas existen una serie de tcnicas infrarojas para detectar cortocircuitos. Cmaras, manuales o montadas en las gras, pueden detectar el calor generado por materiales conductores en los cuales hay cortocircuitos con alta corriente que indican alta temperatura. Este mtodo es preciso, pero caro. Los detectores de temperatura infrarojos manuales son una alternativa ms barata. 127

La principal ventaja de la deteccin de cortocircuitos mediante dispositivos infrarojos, es la precisin. El personal a cargo de las celdas no tiene que caminar sobre las celdas para detectar los cortocircuitos. 5. SISTEMA DE MONITOREO DEL VOLTAJE DE LAS CELDAS

Algunas plantas a gran escala, utilizan tcnicas computarizadas para monitorear el voltaje en las celdas, que miden el voltaje en cada celda. Esto implica un importante costo de capital y de mantencin. 1. 2. 3. 4. CORRECCION: Los mtodos de correccin incluyen: Quebrar los ndulos con una barra de acero inoxidable. Enderezar o cambiar los electrodos doblados. Volver a alinear los electrodos mal puestos. Aislar los electrodos en corte. COMPORTAMIENTO DEL DESPRENDIMIENTO El comportamiento del desprendimiento se relaciona ntimamente con varios factores. Los factores son: A. B. C. D. E. F. Pelcula de xido en la placa. Condicin de la superficie de la placa. Comportamiento del depsito de cobre. Electrolito. Depsitos delgados. Envoltura. PELICULA DE OXIDO EN LA PLACA Un buen manejo y control de la pelcula de xido en el acero inoxidable asegura que el desprendimiento no cambie. Esta pelcula delgada de xido tiene la inigualable caracterstica de volver a formarse muy rpidamente por exposicin al aire u otra condicin oxidante, tal como los electrolitos de sulfato de cobre/cido sulfrico, y es debido a esta propiedad que el acero inoxidable se puede usar repetidamente para desprender exitosamente los depsitos de cobre. Se cree que esta pelcula acta como una capa pasivante, semiconductora que impide la adherencia del cobre depositado. La experiencia de la refinera de Townsville indica que el comportamiento de esta pelcula se puede mejorar para el despegue, acondicionndola en el electrolito oxidante de sulfato de cobre y cido sulfrico, inmediatamente antes de la depositacin del cobre.

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CONDICION DE LA SUPERFICIE DE LA PLACA El acabado 2B es el ptimo para el desprendimiento del cobre de una placa de acero inoxidable. La corrosin debida a altos niveles de cloruro o cuando el ctodo est conectado andicamente o galvnicamente, altera las calidades de la superficie de la placa. Las picaduras y la corrosin galvnica permiten que el cobre se introduzca a la placa, lo que har muy difcil el desprendimiento. Si la placa est corroda, el desprendimiento no mejorar con el reacondicionamiento de la pelcula de xido. COMPORTAMIENTO DE LA DEPOSICION DE COBRE La experiencia ha demostrado que el desprendimiento puede variar, segn la naturaleza del depsito de cobre, especialmente con respecto a la rigidez. Los ctodos fijos tienden a desprenderse muy fcilmente mientras que los depsitos blandos o flexibles no lo hacen. Los factores que pueden influir en esta rigidez se han encontrado que son la composicin del electrolito y el uso de los reactivos que se agregan. En la electrorefinacin, la tiourea especialmente, que se usa en conjunto con pegamento y avitone, y adems ion cloruro, promueve los depsitos de grano muy fino que tienden a ser densos y rgidos cuando se depositan desde electrolitos en condiciones de refinacin, con niveles de cido sulfrico libre por debajo de los 180 g/l. En condiciones de electrodepositacin, los depsitos tienden a ser de grano ms grueso, por esto, hay que poner especial atencin al espesor y rigidez del depsito de cobre. Las altas densidades de corriente, tambin pueden producir una estructura de grano grueso y un ctodo blando, difcil de desprender. ELECTROLITO Cualquier cosa que lleve a la disminucin de la concentracin de cobre disponible para la deposicin, producir un depsito de cobre frgil y poroso que es difcil de desprender. Estos casos incluyen: Baja concentracin de cobre en el electrolito (menos de 30 g/l). Baja temperatura del electrolito (menos de 30 C). Falta de flujo del electrolito. Altos niveles de cido en el electrolito (5000). El Mn en la solucin PLS viene al estado manganoso (Mn+2) y una vez que se traspasa al electrolito, el ambiente altamente oxidante de las celdas de EW con bastante probabilidad puede pasarlo a su estado de oxidacin ms alto. Esta situacin es particularmente notoria durante las primeras semanas de la operacin de la planta, cuando no se hace purga de electrolito debido a las bajas concentraciones de fierro, tanto en el PLS como en el electrolito; como consecuencia de esta baja concentracin de fierro durante la operacin inicial se acelera el problema del manganeso, pues cuando hay suficiente ion ferroso presente con el manganeso, este provee una va para que el manganeso altamente oxidante se reduzca por oxidacin de ferroso a frrico. La primera manifestacin de un alto estado de oxidacin del manganeso aparece visualmente notoria en la operacin de la nave electroltica, cuando como primera indicacin se observa la depositacin de un precipitado slido, negro dentro de las celdas, en las esferas plsticas antineblina cida, en los bordes plsticos de los ctodos y como un oscurecimiento de la superficie de los nodos. Un segundo sntoma visible es la coloracin prpura intensa, indicadora de la presencia del ion de permanganato en la solucin electrolito de las celdas de EW; como este ion es un oxidante muy poderoso que al generarse produce un aumento del E del electrolito, que adems inevitablemente reacciona con las molculas de orgnico al llegar a las etapas de reextraccin. En estas circunstancias el rango y la velocidad de reaccin aumentan a lmites en que se generan problemas con los productos de la reaccin, como por ejemplo: Los cloruros (Cl-) reaccionarn para formar gas cloro (Cl2) que se desprende a la atmsfera de la nave electroltica, creando problemas conocidos de corrosin en las instalaciones y de dificultades respiratorias en el personal de operaciones. El reactivo de SX se oxida y los productos de la reaccin (de degradacin) se acumulan en la fase orgnica. Los productos de degradacin generados por la oxidacin a su vez producen una serie de efectos nocivos: Hay una reduccin en la cintica de reaccin del extractante.

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Hay una reduccin de la capacidad de reaccin del reactivo quelante con el ion cobre, o sea se reduce la capacidad de transferencia del reactivo. Hay una interferencia en las caractersticas tensoactivas de la fase orgnica, reducindose la tensin interfacial necesaria en este para que ocurra la coalescencia y separacin de las fases. Se produce un ataque de la capa de xido protectora del nodo con los productos de degradacin. Se produce PbO voluminoso y Pb (OH2) en lugar de PbO2, los cuales se descascaran y no se adhieren a la superficie del nodo y contaminando el ctodo. Se produce un precipitado amorfo de MnO2en el electrolito.

Se acelera la oxidacin del ion Cl- a cloro gaseoso en las celdas de EW, descargndose el gas en la atmsfera de la nave electroltica. Por lo tanto lo descrito es muy necesario un riguroso control del manganeso en las operaciones en las que se encuentra presente tomando como medidas fundamentales de control: Una mnima transferencia de manganeso al electrolito por atrapamiento fsico. Proveyendo un mecanismo de proteccin qumica para inhibir la oxidacin del manganeso y mantenerlo en su estado reducido. La primera alternativa se logra: promoviendo una buena coalescencia del acuoso atrapado, con coalescedores o estanques de orgnico de diseo especial, desimpregnando el acuoso atrapado con equipos de scrubbing o lavado y reduciendo la produccin de borras o haciendo que las que se generan sean de caractersticas densas y compactas. Para la inhibicin qumica del manganeso y su mantencin al estado manganoso hay dos tcnicas posibles: Proveer especies de potencial de oxidacin ms bajos para que sean oxidadas por el manganeso. Proveer especies que reduzcan el manganeso a Mn+2.

En el primer caso el fierro es la especie ms asequible, la cual reacciona como se indica en la ecuacin Mn+7 + 5 Fe+2 = 5 Fe+3 + Mn+2 Para obtener bajos niveles de Mn+7 se necesita mantener altos niveles de Fe+2, en la prctica y mediante pruebas empricas se ha encontrado que es

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necesaria una relacin mnima entre 8:1 y 10:1 para mantener los efectos del manganeso bajo control. Tambin se ha encontrado que es necesario un mnimo de 1g/l de fierro total para prevenir los altos potenciales de oxidacin en el electrolito. El mismo efecto se puede lograr, reduciendo el potencial de oxidacin contactando la solucin electrolito gastado con chatarra de cobre en un dispositivo denominado torre reductora, que reduce el manganeso a Mn+2 tornndolo benigno para el orgnico. La concentracin del manganeso en el electrolito a la cual ocurren adversos efectos es dependiente de los niveles de fierro que se mantengan; as para una operacin con 2 g/l de fierro, el mximo nivel seguro de manganeso es de 200 ppm. La torre reductora debe disearse con una disposicin tal que reciba la corriente total de electrolito pobre que sale de EW para ir a SX y con dimensiones para que esta solucin tenga un tiempo de residencia de 10 a 15 minutos efectivos. IMPORTANCIA DE LA ADICION DE CHATARRA DE COBRE EN LAS TORRES REDUCTORAS La adicin de chatarra de cobre en las torres reductoras es de gran importancia porque puede regular el potencial, que en nuestro caso es bastante alto (980 mV). Este alto potencial se debe a que el fierro en el electrolito (500 ppm) es mayoritariamente frrico. Con una adicin contnua de chatarra en las torres u un nivel mnimo de estas de 80%, el potencial esperado es de 790 a 840 mV. La reaccin qumica (exotrmica) que comanda la transformacin de frrico a ferroso es la siguiente: 2 Fe+3 (a) + Cu = Cu+2 (a) + 2 Fe+2 (a) Debido a la baja concentracin de otros iones metlicos en el electrolito, las reacciones qumicas asociadas a estos son despreciables. Por otra parte, en el caso particular nuestro en que tenemos una presencia no despreciable de nitrato en el electrolito (450 ppm), se hace necesario mantenerlo controlado debido a que podramos tener efectos fsicos en los ctodos (superficie araada). Para bajar la concentracin del nitrato en solucin se necesita un elemento reductor. Entonces, en las torres reductoras tambin se da la siguiente reaccin qumica (exotrmica): 155

2 NO3 (-a) + 5 Cu + 12 H+ (a) = 5 Cu+2 (a) + N2 (g) + 6 H2O De acuerdo a lo anterior, las torres reductoras tienen dos funciones muy importantes: bajar el potencial y controlar la concentracin de nitrato en el electrolito. Como ha quedado demostrado, en la prctica, se hace muy difcil preparar chatarra para las torres debido al ritmo de produccin. Por tal motivo, se ha optado por comprarla a Minera Michilla. Adems, vendra lista para ser agregada. Se estima un consumo mensual de chatarra de 30 toneladas. ESCALA NORMAL DE POTENCIALES

2 1.60 1.51 1.46 1.36 1.23 1 0.77 0.34 0 - 0.13 - 0.25 - 0.28 - 0.44 -1

E (volts) PbO2 / PbSO4 MnO4 / Mn+2 PbO2 / Pb+2 Cl2 / ClO2 / H2O MnO2 / Mn+2

Fe+3 / Fe+2 Cu+2 / Cu H+ / H2 Pb+2 / Pb Ni+2 / Ni Co+2 / Co Fe+2 / Fe

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DISTRIBUCION DE GRUPOS DE CELDAS EN NAVE EW Banco BGrupo 6 47 celdas Grupo 5 12 celdas Grupo 4 12 celdas

Banco DGrupo 5 36 celdas Grupo 4 35 celdas

SECTOR NORTEGrupo 1 23 celdas Grupo 2 24 celdas Grupo 3 24 celdas Grupo 1 24 celdas

SECTOR SURGrupo 2 24 celdas Grupo 3 23 celdas

Banco A

Banco C

GRUPO 1 2 3 4 5 6

N CELDAS 47 48 47 47 48 47

LADO NORTE 1 24 48 72 84 96 23 47 71 83 95 142

LADO SUR 143 167 191 214 249 166 190 213 248 284

NUMERO TOTAL DE CELDAS = 284

SIMBOLOS QUIMICOS H = Hidrgeno Cu = Cobre H2O = Agua H2SO4 = Acido sulfrico Si = Silicio Cl = Cloro Au = Oro SIMBOLOS QUIMICOS-IONES H+ O2Cu2+ Fe2+ ClPb2+ Cl= Ion hidrgeno (cido) = Ion de oxgeno = Ion de cobre = Ion ferroso = Ion de cloro = Ion de plomo = Cloruros Fe3+ Co2+ SO42+ eMn4Zn2+ Br157 = Ion frrico = Ion cobaltoso = Ion de sulfato = Electrn = Ion de manganeso = Ion de zinc = Bromuros O2 Fe Co Al Mn Na Ag = Oxgeno gaseoso = Hierro = Cobalto = Aluminio = Manganeso = Sodio = Plata

ICu3+ SO43ClO3NO3-

= Yoduros = Cprico = Sulfato = Clorato = Nitrato

FHg2+ OHCo22-

= Fluoruros = Mercricos = Hidrxido = Carbonato

CELDA PARA ELECTROOBTENCION DE COBRE

R

RECTIFICADOR (C.C.)

AMPERIMETRO

AVOLTIMETRO

I

V

CELDA DE CONCRETO POLIMERICO

IANODO DE PLOMO/CALCIO ESTAO CATODO DE ACERO INOXIDABLE ELECTROLITO

ELECTROQUIMICA Parte de la qumica que trata de la relacin entre las corrientes elctricas y las reacciones qumicas, y de la conversin de la energa qumica en elctrica y viceversa. En un sentido ms amplio, la electroqumica es el estudio de las reacciones qumicas que producen efectos elctricos y de los fenmenos qumicos causados por la accin de las corrientes o voltajes. CORRIENTE ELECTRICA Y MOVIMIENTO DE IONES Clula voltaica: La mayora de los compuestos inorgnicos y algunos de los orgnicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros lquidos, es decir, sus molculas se disocian en componentes cargados positiva y negativamente, que tienen la propiedad de conducir la corriente elctrica. Si se 158

coloca un par de electrodos en una disolucin de un electrolito (o compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolucin se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en tomos neutros o molculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado. La accin de una corriente sobre un electrolito puede entenderse con un complejo sencillo. Si el sulfato de cobre se disuelve en agua, se disocia en iones de cobre positivos e iones de sulfato negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones de cobre se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como elemento cobre. Los iones de sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, son inestables y combinan con el agua de la disolucin formando cido sulfrico y oxgeno. Esta descomposicin producida por una corriente elctrica se llama electrlisis. En todos los casos, la cantidad de material que se deposita en cada electrodo al pasar la corriente por un electrolito sigue la ley descubierta por el qumico fsico britnico Michael Faraday. Esta ley afirma que la cantidad de material depositado en cada electrodo es proporcional a la intensidad de la corriente que atraviesa el electrolito, y que la masa de los elementos transformados es proporcional a las masas equivalentes de los elementos, es decir, a sus masas atmicas divididas por sus valencias. Todos los cambios qumicos implican una reagrupacin o reajuste de los electrones en las sustancias que reaccionan; por eso puede decirse que dichos cambios son de carcter elctrico. Para producir una corriente elctrica a partir de una reaccin qumica, es necesario tener un oxidante, es decir, una sustancia que gane electrones fcilmente, y un reductor, es decir, una sustancia que pierda electrones fcilmente. Las reacciones de ste tipo pueden entenderse con un ejemplo, el funcionamiento de un tipo sencillo de pila (batera) electroqumica. Al colocar una varilla de zinc en una disolucin diluida de cido sulfrico, el zinc, que es un reductor, se oxida fcilmente, pierde electrones y los iones zinc positivos se liberan en la disolucin, mientras que los electrones libres se quedan en la varilla de zinc. Si se conecta la varilla por medio de un conductor a un electrodo de metal inerte colocado en la disolucin de cido sulfrico, los electrones que estn en este circuito fluirn hacia la disolucin, donde sern atrapados por los iones de hidrgeno positivos del cido diludo. La combinacin de iones y electrones produce gas hidrgeno, que aparece como burbujas en la superficie del electrodo. La reaccin de la varilla de zinc y el cido sulfrico produce as una corriente en el circuito externo. Una pila electroqumica de este tipo se conoce como pila primaria o pila voltaica. En la batera de acumuladores, o acumulador (conocida comnmente como pila secundaria), se proporciona energa elctrica desde una fuente exterior, que 159

se almacena en forma de energa qumica. La reaccin qumica de una pila secundaria es reversible, es decir, se produce en un sentido cuando se carga la pila, y en sentido opuesto cuando se descarga. Por ello, una pila secundaria puede descargarse una y otra vez. APLICACIONES INDUSTRIALES La descomposicin electroltica es la base de un gran nmero de procesos de extraccin y fabricacin muy importantes en la industria moderna. La soda custica (un producto qumico importante para la fabricacin de papel, rayn y pelcula fotogrfica) se produce por la electrlisis de una disolucin de sal comn en agua. La reaccin produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de la pila electroltica produciendo soda custica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricacin de pasta de madera y papel. Una aplicacin industrial importante de la electrlisis es el horno elctrico, que se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga de sales metlicas hasta que se funde y se ioniza. A continuacin, se deposita el metal electrolticamente. Los mtodos electrolticos se utilizan tambin para refinar el plomo, el estao, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotecnia, otra aplicacin industrial electroltica, se usa para depositar pelculas de metales preciosos en metales base. Tambin se utiliza para depositar metales y aleaciones en piezas metlicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La electroqumica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas tcnicas para colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando as su eficacia y resistencia. Tras el descubrimiento de ciertos polmeros que conducen la electricidad es posible fabricar electrodos de polmeros. GLOSARIO Acidificar: Aumentar el contenido de cido en una solucin. Acuoso: Soluciones en las que el agua es el medio disolvente o vehculo. Anodo: Electrodo positivo en el cual se libera el oxgeno durante la operacin de electroobtencin. Atrapamientos o arrastres: Fraccin de una fase que se transfiere mecnicamente en la otra, en forma de pequesimas gotas. Banda de dispersin: Zona de emulsin donde se produce la separacin de las fases. Borras, lodos o crud: Emulsiones estabilizadas por la presencia de partculas slidas.

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Carga: Es la fraccin de elemento de inters que capta o extrae la solucin orgnica. Ctodo: Electrodo negativo que atrae los iones de cobre de la solucin neutralizndolos con una carga negativa para convertirlo en cobre metlico. Cintica: Velocidad de una reaccin qumica. Contaminacin A/O: Volmen de acuoso (ppm) que es arrastrado por la fase orgnica. Contaminacin O/A: Volmen de orgnico (ppm) que es arrastrado por la fase acuosa. Continuidad acuosa: La fase acuosa constituye la matriz contnua de la dispersin. Continuidad de fases: En la mezcla de dos fases, una est dispersa en la otra, que es contnua y que fija la continuidad de la dispersin. Continuidad orgnica: La fase orgnica constituye la matriz contnua de la dispersin. Crud: Barros interfaciales o lodos que se generan al estabilizarse una emulsin por presencia de slidos en suspensin o por aire. Decantador: Estanque donde se produce la separacin de fases por efecto de la fuerza gravitacional debido a la diferencia de densidades. Descarga: Reaccin inversa a la que produjo la carga de un elemento en el extractante, que de esta forma pasa el elemento a una solucin electrolito. Diluyente: Vehculo en el cual se disuelven las resinas o extractantes orgnicos. Dispersin: Emulsin o mezcla de partculas de dos fases inmiscibles que por agitacin adquieren una consistencia y apariencia uniforme. Electrodo: Polos (ctodos o nodos) en una celda de electroobtencin. Electrolito: Solucin de sulfato de cobre y cido sulfrico que conduce corriente elctrica durante la reaccin de electroobtencin. Electroobtencin: Reaccin electroqumica durante la cual el metal cobre se electrodeposita en el ctodo y se desprende oxgeno en el nodo. Emulsin: Mezcla de pequesimas partculas de acuoso y de orgnico.

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Extraccin: Fase del proceso en la que se carga el elemento de inters en la resina o extractante. Extraccin por solvente: Proceso de intercambio inico, en el que se transfiere iones entre dos fases lquidas, una acuosa y otra orgnica. Extractante: Resina orgnica usada en SX para captar, cargar o extraer un ion de inters de una solucin. Fases: Medios lquidos que intervienen e interactan en el proceso de SX. Floculante: Aditivo utilizado en la clarificacin de soluciones, mediante el aglutinamiento o coagulacin de las partculas slidas en suspensin que contiene la solucin. Flooding: Dispersin que rebasa en los vertederos sin haber terminado de separarse. Grado A: Clasificacin que corresponde a la calidad de alta pureza de los ctodos electroobtenidos en el proceso de SX-EW. HDPE: Polietileno de alta densidad. Hoja madre: Placa metlica utilizada para electrodepositar el cobre. Inmixibles: Que no se mezclan. Intercambiador de calor: Equipo en el que se transfiere calor desde una solucin a otra. Lixiviante: Solucin acuosa acidulada, que se usa para lixiviar minerales. Lodos interfaciales: Barro interfacial o crud. Mezcla: Dos o ms sustancias diferentes unidas entre s en cualquier proporcin, que no estn ligadas qumicamente y que pueden separase mediante medios fsicos. Mezclador: Reactor o equipo donde se realiza la mezcla. Mixibles: Que se mezclan. Modificadores: Aditivos utilizados en los extractantes para atenuar su capacidad extractiva, facilitando paralelamente la reextraccin desde el complejo. O/A: Relacin de fases (en volmen o en peso), entre la fase orgnica y la acuosa.

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Orgnico: Solucin o mezcla constituda por una resina orgnica o extractante diluda en un solvente o vehculo kerosnico. Orgnico contnuo: La fase orgnica constituye la matriz contnua de la dispersin. pH: Medida de la concentracin de iones H+ o acidez libre de una solucin acuosa. Placa madre: Placa metlica utilizada para electrodepositar el cobre. Puesta en marcha: Poner en servicio o iniciar la operacin. Quelato: Compuesto organo metlico, constituido por el ion metlico y el extractante orgnico, formando una sal orgnica. Reextraccin: Reaccin inversa a la de extraccin, en la que se descarga el extractante y el ion metlico pasa a una solucin electrolito acuosa. Refino: Fase acuosa residual del proceso de extraccin de cobre. Selectividad: Relacin de carga o de coextraccin de un elemento o impureza con respecto al ion metlico de inters (Cu/Fe; Cu/Mn). Settler: Estanque o piscina de coalescencia o decantador. Soluto: Especie metlica disuelta en una fase acuosa. Transferencia neta: Fraccin del contenido de un elemento que se extrae desde el acuoso y se transfiere del orgnico a un electrolito o acuoso. Vertedero: Canaleta en el extremo del decantador que recibe una de las fases ya separadas.

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VARIABLES DE PROCESO EN EL AREA DE EW

VARIABLE DE PROCESO Concentracin de Cu en el electrolito pobre.

IMPACTO SOBRE EL PROCESO Baja concentracin de Cu afecta la calidad del depsito. Alta concentracin de Cu puede conducir a cristalizacin de sulfato de Cu. Baja concentracin de cido reduce la conductividad del electrolito. Alta concentracin de cido favorece la cristalizacin de sulfato de Cu. Baja concentracin de Co en el electrolito favorece la corrosin del nodo por inestabilidad de la capa de xido de plomo. Alta concentracin de Co es innecesaria puesto que slo genera aumento de costos. Dosificacin menor a la operacional puede generar caractersticas superficiales no deseadas. Dosificaciones mayores pueden afectar la calidad de la superficie del ctodo y aumenta innecesariamente los costos. Afecta la calidad del depsito de cobre. Un aumento de temperatura del electrolito disminuye el consumo de energa, pero aumenta el consumo de calor. Una disminucin sbita de la temperatura del electrolito favorece la escamacin de la capa de PbO2 de los nodos. Temperatura baja en el agua de lavado puede no disolver los cristales de sulfatos en la superficie del ctodo. Temperatura alta solo es prdida de energa en calentar agua para el intercambiador de calor.

Concentracin de cido en el electrolito pobre.

Concentracin de Co en el electrolito.

Concentracin de reactivo para adherencia del depsito de cobre (Guar).

Temperatura del electrolito 45C a 50C en celdas.

Temperatura de agua en cmara de lavado de ctodos.

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