Cementacion de Cobre Con Chatarra de Hierro

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Evaluación de la Cementación de Cobre con Chatarra de Fierro 4.1.1. Evaluación a Nivel Laboratorio  A continuación se presentan los resultados de la cementación de cobre con chatarra de fierro, realizada en el laboratorio, con el fin de determinar la efectividad de este proceso, para la recuperación de cobre de los licores de lixiviación de la PACC. En esta etapa se llevaron a cabo dos experimentos: “Experimento 1”, realizado en reposo,

(Figura 13) y “Experimento 2” realizada con agitación agitación constante y

vigorosa (Figuras 14 y 15), obteniéndose los siguientes resultados:

Tabla III. Resultados del Experimento 1 en Laboratorio.

Licores

Relación Acidez Cu Fe Cu Relación Fe : Cu (g/L) (g/L) (g/L) Cementado Real (%) (Fe/Cu) 490 4.84 4.22 Licor Madre 2.5 532.85 4.59 4.45 5.17 0.92 Corrida 1 5 522.22 4.09 4.86 15.50 0.85 Corrida 2 10 547.5 3.58 5.27 26.03 0.83 Corrida 3 *Debido a la relación Fe:Cu del licor madre, se les depositó a las corridas 1, 2 y 3, 2.42 g, 4.84g y 9.68 g de Fe, respectivamente, para l a cementación con 200 mL de licor. l icor.

Figura 13. Licor de la PACC Filtrado después de la Cementación (Experimento 1).

Tabla IV. Resultados del Experimento 2 en Laboratorio. Licores 

Relación Acidez Cu  Fe  Cu Relación Fe : Cu  (g/L)  (g/L) (g/L) Cementado  Real (% )  (Fe/Cu)  Licor Madre  480.58 4.14 2.63 Corrida 1  2.5 480.58 1.34 5.47 67.63 0.94 Corrida 2  5 480.20 0.037 6.73 99.11 1.00 Corrida 3  10 482. 482.77 77 0.03 0.037 7 7.2 7.2 99.1 99.11 1 1.11 1.11

*Debido a la relación Fe:Cu del licor madre, se les depositó a las corridas 1, 2 y 3, 2.07 g, 4.14 g y 8.28 g de Fe, respectivamente, para l a cementación con 200 mL de licor. l icor.

Figura 14. Licor de la PACC Filtrado después de la Cementación (Experimento 2).

Figura 15. Cobre Cemento, Corrida 1; Experimento 2.

La diferencia entre los dos experimentos, es indiscutiblemente muy notoria, alcanzándose valores mucho más altos de eficiencia en el Experimento 2,

logrando casi el 100% de la extracción de Cu en el caso de las Corridas 2 y 3, y un porcentaje de extracción de cobre de 67.63% en la Corrida 1. Cabe aclarar que en el Experimento 2, se consumió bastante chatarra de Fe, en relación con el Experimento 1. Se analizó completamente, los resultados satisfactorios de la prueba, teniendo como resumen los siguientes puntos de discusión:

•

A los dos experimentos se les dispuso de las mismas cantidades de chatarra de fierro, por lo que debieron de haber tenido las dos el mismo rendimiento, sin embargo, se puede ver que el hecho de haber agitado uno de los experimentos, hizo más eficaz el proceso.

•

El hecho de agregar una razón de Fe:Cu bastante pronunciada, es para contemplar todas las reacciones secundarias que se dan durante la cementación, por lo que si al agregar mucha chatarra de fierro, no se cementa el Cu, quiere decir que la reacción no se está llevando a cabo correctamente, una de las razones principales seria que el área de contacto entre la chatarra y la solución de cobre, no se está logrando eficientemente debido al cobre cemento que se sitúa en las paredes de la chatarra; y si en dado caso (como en las Corridas 2 y 3 del Experimento 2) hay área de contacto y todavía queda chatarra de Fe, quiere decir que ya se cementó toda la cantidad de Cu que se encontraba en solución. Otra  justificación también puede ser que el tiempo de residencia que se le esté dando a la cementación es insuficiente (como en el caso de la Corrida 1 del Experimento 2, que tenía chatarra suficiente para reaccionar pero el área de contacto fue insuficiente para el tiempo de residencia dado).

4.1.2 Evaluación a Nivel Planta Piloto Para esta evaluación se realizaron dos corridas en la planta piloto con la metodología antes descrita, variando solo la cantidad de fierro añadida a cada garrafón. Corrida 1 Se añadió 3.5 kg de chatarra de fierro, cantidad que ocupó gran parte del volumen del garrafón. Sin embargo, a los pocos minutos que empezó la corrida, el sistema se salió de control, debido a que el licor entro demasiado caliente (50°C), aunado a esto, el excesivo contenido de fierro hizo que la reacción se diera de una manera violenta. Los motivos antes mencionados, hicieron imposible tener resultados concisos y determinantes, por lo que se tuvo que abandonar. Corrida 2 En esta corrida se le agregaron cantidades de chatarras de fierro, mismas que ocuparon el 5%, 10%, 15% y 20% del volumen total del garrafón, desde del tanque más alto al más bajo, respectivamente a 50°C. Realizándolo de esta manera, el sistema operó adecuadamente, (Figuras 16, 17 y 18) arrojando los siguientes resultados:

Tabla V. Resultados de la Corrida 2. Licores Licor Madre Licor 1-2 Licor 2-3 Licor 3-4 Licor Final Licor M-F

Acidez (g/L)

Cu (g/L)

Fe (g/L) 3.443

% Extracc Cu -

% Fe Consumido -

374.04

3.84

361.623 301.53 320.26 312.101 312.101

3.26 3.115 2.318 2.053 2.053

4.245 5.943 6.981 8.82 8.82

15.10 4.45 25.59 11.43 46.54

23.29 49.32 53.44 102.73 156.17

Figura 16. Reacción del Licor de Lixiviación de la PACC con el Fierro.

Figura 17. Cemento de Cobre Sacado de cada Garrafón.

Figura 18. Filtración del Cemento de Cobre.

Con la realización de esta prueba piloto nos pudimos percatar de varios aspectos importantes, mediante los cuales se generaron los siguientes puntos de discusión:

•

Al realizar la Corrida 1, se demostró que el exceso en el área de contacto generada por un exceso en la cantidad de fierro y una alta temperatura, aceleran la reacción y por ende, la formación de hidrogeno es muy agresiva (genera un burbujeo), hace que se produzca rápidamente una nata, provocando con ello el desbordamiento del material.

•

En la Corrida 2, la idea de poner poca cantidad de chatarra de fierro al inicio, e ir aumentando gradualmente la cantidad en cada garrafón, se hizo para que el licor fuera dejando poco a poco el cobre, siendo menos agresiva la reacción de un nivel a otro del proceso.

•

La extracción de cobre en el tren de cementación, fue casi del 50%, la cual se puede mejorar, regulando el sistema con flujos más lentos, así como también disminuyendo la temperatura.

4.1.3 Aproximación de la Cinética de la Reacción de Cementación Para hacer una aproximación de la cinética de reacción y con ello determinar los mejores parámetros en el proceso de cementación de cobre con chatarra de fierro, fue necesario calcular la constante de Velocidad (k) para calcular el porcentaje del metal que depositará por el método de cementación a una temperatura dada, para diferentes intervalos de tiempo; para lo cual se desarrolló la siguiente estrategia de análisis: Los resultados de este análisis, se presentan a continuación.  Al desarrollar la reacción de cementación de cobre con chatarra de fierro, esta última con un área de 3801.336 cm 2, en un recipiente con un volumen de

operación de 12 L, y un volumen por alícuota de 20 mL, se obtuvieron los datos que se presentan en la Tabla VI. Para definir el modelo cinético para la reacción de cementación, se considera la ecuación siguiente:

 =    

(9)

dónde:

M= Concentración molar del ion metálico t= Tiempo (s) k = Constante de velocidad (cm/seg) A = Área del metal cementante (cm ) V = Volumen de la solución (cm ) 2

3

Tabla VI. Variación de la Concentración de Cobre en el Licor con el Tiempo, a dos Temperaturas Diferentes. Tiempo

Concentración (M)

Concentración (M)

Volum en de

(min)

a 55 ° C

a 28 ° C

So l (c m  )

0

0.062343

0.062343

12000

10

0.059352178

0.059683

11980

20

0.053009318

0.058675

11960

30

0.048681063

0.056015

11940

40

0.04501385

0.053009

11920

3 

Integrando la ecuación diferencial (9) y evaluando los límites de concentración del metal disuelto en el licor, a t = 0 y t = t, resulta la siguiente ecuación:

       = .

(10)

La ecuación (10) representa una línea recta, que pasa por el origen, con un valor de pendiente:

 . Esta ecuación corresponde al modelo cinético de una  = 2.303

reacción de primer orden, la cual se desarrolla a temperatura constante. Los datos de la Tabla VI se sustituyeron en la ecuación del modelo cinético para la reacción de cementación, que aparece en la ecuación (10), dando lugar a los resultados presentados en la Tabla VII.

  Tabla VII. Valores del Término Vlog   = ., Evaluado a Varios Intervalos  de Tiempo y a dos Temperatura Diferentes.

Tiempo

M u e s t r a a 55 ° C M u e s t r a a 28 ° C

2 

Á r ea (c m  )  

(min)

Vlog(M   /M  0   ) t 

Vl o g (M   /M  0   ) t 

0

0

0

3801.336

10

256

227

3801.336

20

844

315

3801.336

30

1285

556

3801.336

40

1689

841

3801.336

Para conocer las constantes de velocidad de cada una de las corridas, desarrolladas a diferente temperatura, se construyeron los gráficos de la Figura 19, correspondientes al modelo integrado de la reacción de cementación, presentado en la ecuación (10).

Comportamiento de las Muestras a Diferentes Temperaturas 1800 y = 44.062x - 66.527 R² = 0.9898

1600 1400     )    t 1200    M     / 1000    o    M     (    g 800    o     l    V 600

Muestra 55°C Muestra 28°C Lineal (Muestra 55°C)

400

Lineal (Muestra 28°C)

y = 20.106x - 14.214 R² = 0.974

200 0 0

10

20

30

40

50

Tiempo (min)

Figura 19.

Gráfica Correspondiente al Término Vlog(M 0/Mt) Vs Tiempo; a Temperatura de 55°C y 28°C.

Con la pendiente obtenida en el ajuste de ambas gráficas, se puede obtener las constantes de velocidad, sustituyendo los datos en la ecuación siguiente:

 =



 

(11)

2.303

dónde: m = La pendiente A=

Área

Despejando   de la ecuación (11), se obtienen los valores de la constante de velocidad para ambas temperaturas (A= 55 oC y B=28oC). k(A)= 0.026694506 cm/min

k (B)= 0.01cm/min

Para analizar el efecto de la temperatura sobre las constantes de velocidad, se utilizó la ecuación de Arrhenius:

  + log   =  , en términos de log = − .

(12)

Graficando log k Vs 1/T, (Figura 20), se obtiene una línea recta, donde la pendiente m adopta el valor:

  = − .

0.00 -0.50    K-1.00    g    o    L -1.50

y = -1.2471x + 2.2269 R² = 1

-2.00 -2.50 3

3.05

3.1

3.15

3.2

3.25

3.3

3.35

1X103/T (1/oK)

Figura 20.

Gráfico del Efecto de la Temperatura sobre la Velocidad de la Reacción de Cementación. Ecuación de Arrhenius.

Sustituyendo el valor de R = 1.987 Kcal/mol°K, se obtiene un valor de la energía de activación, Ea= 5.71 Kcal. La energía de activación del proceso es importante para determinar la etapa controlante de la velocidad Control por difusión

Ea < 6 Kcal/mol

Control químico

Ea > 10 Kcal/mol

Control Mixto

6 Kcal/mol