Uso de Aminoácidos para La Disolución de Cobre A Partir de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos

 

 

VII LATINOMETALURGIA 

USO DE AMINOÁCIDOS PARA LA DISOLUCIÓN DE COBRE A PARTIR DE RESIDUOS DE APARATOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS  a

C. G. Perea  , O. J. Restrepo a

b

Grupo de Geoquímica Ambiental, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Sogamoso, Colombia. b Instituto de Minerales CIMEX, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia.  , [email protected]  E-mail:  [email protected] ,  E-mail:

Resumen Esta investigación se realizó con el propósito de crear un método de reciclaje de basura electrónica, a partir de los pines de contactos de computadores para la extracción de cobre, con el fin de disminuir los impactos ambientales generados por la inadecuada disposición de estos residuos, los cuales debido a los constantes avances tecnológicos crecen de manera importante. La disolución del cobre se planteó por vía hidrometalúrgica, mediante la lixiviación de cobre utilizando aminoácidos en soluciones alcalinas. Por medio de la aplicación de tecnologías de recuperación de metales a partir de desechos electrónicos, que garanticen separación selectiva, limpia, sostenible y que involucren tecnologías como la lixiviación y electrodeposición de metales, se obtuvo resultados satisfactorios logrando extracción de cobre en un 92%.

Palabras clave:  Reciclaje de metales, disolución de cobre, aminoácidos, basura eléctrica y electrónica.

Abstract This research was conducted with the purpose of creating a method of recycling of e-waste, based on the contact pins of computers for the extraction of copper, with the aim of reducing the environmental impacts generated by the inadequate disposal of these wastes, which due to the constant technological advances are growing dramatically. The dissolution of the copper was raised by hydrometallurgical, through the leaching of copper using amino acids in alkaline solutions. Through the application of technology for recovery of metals from e-waste, to ensure selective separation, clean, sustainable, and that involve technologies such as leaching and electrowinning, satisfactory results were obtained making copper extraction in a 92%.

Keywords: Recycling of metals, dissolution of copper, amino acids, electrical and electronic waste. 1 

INTRODUCCIÓN

Dado a la velocidad de los avances tecnológicos lo cual obliga a cambiar de equipos celulares, computadores y electrodomésticos en cortos períodos de tiempo, la población se ve forzada a desechar equipos que han sido declarados obsoletos. En países como Colombia donde no se cuenta con un plan de reciclaje de este tipo de equipos, se genera una gran acumulación de residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE) en botaderos, lo cual causa problemas ambientales producto de la lixiviación de metales y generación de drenaje ácido lo cual contamina suelos y fuentes hídricas (Perea & Restrepo, 2015). En Colombia y en el mundo en general, el tema de la basura electrónica, tanto su reciclaje como su destino final, no tiene un avance significativo ni claro, si se compara con Estados Unidos y Europa donde ya se tienen leyes y políticas respecto a este tema. Sin embargo ante este panorama, los esfuerzos no son suficientes, no existen muchos estudios sobre aplicaciones tecnológicas de recuperación de metales a partir de desechos electrónicos, que garanticen separación selectiva, limpia, sostenible y que involucren tecnologías como la lixiviación y electrodeposición de metales uno a uno (Oliveros, 2011).

 

Entre 1994 y 2003 se generaron cantidades importantes de desechos electrónicos debido al descarte de 500 millones de ordenadores personales, los cuales se estima que contenían 2.8 millones de toneladas de plásticos, 0.7 millones de toneladas de plomo, 1339 toneladas de cadmio, 848 toneladas de cromo y 282 toneladas de mercurio (Akcil et al., 2015). Según las estadísticas de Zhang & Xu en 2016, China genera más de 1.1 millones de toneladas/año de RAEE. Además, se estimada que cada año se generan en todo el mundo entre 20 a 50 millones de toneladas de RAEE. En Colombia en 2013 se generaron entre 80000 8 0000 y 140000 to toneladas neladas de estos mismos residuos. Esta cifra encendió las alarmas para empezar a hacer lo correcto y disminuir la posibilidad de que estos materiales terminen en rellenos sanitarios, vertederos o en lugares donde pueda representar un peligro para el medio ambiente (Romero Montenegro, 2014). En los RAEE el alto contenido de metales base (Fe, Al, Cu, Pb y Ni) y metales preciosos (Au, Ag, Pd y Pt) los convierte en una fuente potencial de recursos secundarios para la recuperación de metales. Los recursos primarios de metales como son los minerales presentan contenidos entre 0.5-1% de Cu y 1-10 g de Au/ton, mientras en el caso de los recursos secundarios de metales como los RAEE en promedio contienen 20% de Cu y 250 g de Au/ton (Akcil et al., 2015). Realizar la extracción de metales de éste tipo de residuos, además de tener un impacto positivo en el medio ambiente y la economía, implica menor costo, ahorro de energía y de recursos naturales en comparación con la extracción directa (Cheverra, 2014). Actualmente uno de los métodos más usados para la extracción de cobre a partir de los RAEE es la utilización de ácido sulfúrico (H 2SO4) y peróxido de hidrogeno (H 2O2) como agente oxidante, el cual presenta una rápida cinética de lixiviación pero es necesario controlar el proceso al realizar a escala industrial debido a que se realiza a pH ácido. Otro método es utilizar ácido cítrico, el cual es un producto orgánico que tiene la ventaja de degradarse naturalmente, pero presenta una cinética de disolución relativamente lenta. Por lo anterior en éste trabajo se estudió la disolución del cobre presente en los RAEE utilizando aminoácidos tales como la glicina y el glutamato monosódico en condiciones alcalinas como una alternativa para lograr un proceso más eficiente y sostenible.

2 

MATERIALES Y MÉTODOS

Todos los experimentos de lixiviación se llevaron a cabo utilizando pines de computadores, los cuales corresponden a contactos eléctricos que se caracterizan por estar compuestos por una aleación de metales con un recubrimiento recubrimiento o baño de oro. Dichos pines pines,, debido a sus características características y a su relativo bajo costo se convirtieron en el material ideal para evaluar el mecanismo y las condiciones en las que se da la disolución de cobre en una solución acuosa, utilizando aminoácidos. Los reactivos orgánicos y agentes oxidantes utilizados en el presente trabajo fueron de grado analítico. Se emplearon glicina y glutamato monosódico como solventes, peróxido de hidrógeno (30% w/v) y permanganato de potasio como agentes oxidantes. La selección de estos reactivos se basó en la revisión bibliográfica (Aylmore, 2005) (Eksteen & Oraby, 2015), su fácil consecución, bajo costo y ensayos preliminares. Para el ajuste de pH se utilizó NaOH. Los pines fueron caracterizados mediante análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM-EDX) realizado en un equipo ZEISS EVO MA10, con el fin de determinar los elementos químicos presentes y su distribución. También se disolvió una muestra de estos en una mezcla de ácido nítrico y ácido clorhídrico, posterior se analizó la composición elemental de ésta solución mediante espectrofotometría de absorción atómica. Igualmente se realizó un análisis termodinámico con el software Hydra - Medusa, donde se estudió el efecto de la concentración del agente oxidante y el pH, fijando las condiciones de pH, concentración de los solventes orgánicos y del agente oxidante. Esta metodología permitió de forma preliminar analizar la cinética y el mecanismo de disolución de cobre. En esta investigación se estudió la lixiviación en solución acuosa de glicina y glutamato monosódico con permanganato de potasio y peróxido de hidrógeno como agentes oxidantes, por medio de

 

agitación magnética a temperatura ambiente y presión atmosférica, manteniendo constante la concentración de los aminoácidos en 0.5 M (Eksteen & Oraby, 2015) durante un tiempo de 24 horas, en las cuales se tomaban muestras de 0.5 ml a 1, 2, 4, 6, 23 y 24 horas. Cada una de las muestras de licores tomadas a las diferentes condiciones fue filtrada y analizada para determinar el contenido de cobre en solución por el espectrofotómetro de absorción atómica. Una vez terminado el tiempo de lixiviación se realizó el filtrado de la solución, donde el material sólido obtenido una vez seco fue disuelto usando Agua Regia a una temperatura de 80°C. Se analizó la solución resultante por espectrofotometría de absorción atómica (Varian SpectrAA 220fs) para determinar la concentración de cobre final en el sólido con el fin de realizar el balance de masa.

3  3.1   3.1

RESULTADOS Y DISCUSIÓN ANÁLISIS TERMODINÁMICO

Se realizó el análisis termodinámico para el sistema cobre-glicina, en el cual se utilizó la información obtenida en el programa Hydra-Medusa para realizar cálculos de equilibrio químico (distribución de especies) y construir diagramas de Pourbaix (Eh-pH). De esta manera, se obtuvo las predicciones termodinámicas del comportamiento de la reacción, con las cuales se pudo determinar condiciones de pH y potencial a evaluar en las pruebas de lixiviación. Para el sistema oro-glutamato monosódico; dada su similitud química se usó el glutamato y a que posee un grupo carboxílico adicional, se puede suponer que tiene un comportamiento similar. El diagrama Eh-pH para el sistema cobre-glicina, muestra que en potenciales bajos y en todo el intervalo de pH el cobre elemental es estable como especie, aunque el complejo cobre-glicina es estable en la zona comprendida entre los valores de pH 3 a 13.5 y de valores de potencial 0 a 1 voltios aproximadamente (Figura 1). Al realizar el diagrama de distribución de especies éste también muestra que el complejo cobre-glicina es muy estable en un amplio rango de pH; se empieza a formar a un valor cercano de pH 2 alcanzando la fracción máxima de concentración en un intervalo de pH entre 5 y 13. A valores de pH más elevados se da origen a una nueva especie un hidróxido de 2cobre (Cu(OH)4 ) (Figura 2). Este análisis muestra la gran afinidad que presenta la glicina con el cobre. A las condiciones de trabajo seleccionas el complejo formado entre estos dos compuestos es muy estable, lo cual lo convierte en una alternativa muy factible para la disolución de cobre a partir de los RAEE.

Figura 1:  

[gly]=0.5 M.

Diagrama de estabilidad Eh-pH para el sistema Cu-gly-H2O a 25°C, [Cu]=10 -5  M,

 

  -5

Figura 2:

Diagrama de distribución de especies para el sistema Cu-gly-H2O a 25°C, [Cu]=10  M,  

[Gly]=0.5 M, Eh=0.63 V.

3.2   3.2

Caracterización del material de trabajo

El análisis semicuantitativo de los pines, utilizados para las pruebas de lixiviación fue realizado empleando microscopía electrónica de barrido SEM, equipado con un EDX. Se comprobó mediante el análisis de un corte transversal de la muestra la existencia de tres capas en cada uno de los pines: un núcleo compuesto principalmente por Cu y bajos contenidos contenidos de Sn (Figura 3), un recubrimiento en la zona central compuesto por por Al, Cu, Fe, y Ni (Figuras 4 y 5), con un espesor espesor promedio de 80 micras y por último una capa externa conformada por u una na película muy delgada de oro, con espesores inferiores a 10 micras ( Figura 6).

Figura 3:

Micrografía SEM y EDX del núcleo del pin.

 

 

Figura 3:

Micrografía SEM del espesor promedio del recubrimiento del núcleo.

Figura 5: Micrografía SEM y EDX del recubrimiento de núcleo.

Figura 6: Micrografía SEM y EDX de la superficie del pin. Los resultados de la semicuantificación en general dan contenidos variables de los elementos en los pines en cuanto a contenido y proporciones. proporciones. En el núcleo por ejemp ejemplo lo las concentraciones de Cu sson on superiores a 97% y el Sn menor al 3%, en porcentaje atómico, el primer recubrimiento (que bordea el núcleo) en promedio su composición y porcentajes son: entre 23.49% de Fe; 10.11% de Ni, Cu se encuentra entre 23.7%; Al 44.01% y Au hasta 3.27% en porcentaje atómico. En la capa externa los valores varían así: Au entre 83.07 y 90.8%; Cu varía entre 4.07 y 8.87%; Ni menor a 7% y Al menor a 3% de porcentaje atómico.

 

Los resultados entregados por el SEM son de caracter semicuantitativo y muestran la distribución de la composición. Por lo anterior, se realizó una disolución de tres muestras de pines en Agua Regia a una temperatura aproximada de 80°C y posteriormente fueron analizadas por espectrofotometría de absorción atómica. Con los resultados obtenidos se pudo determinar que estos pines entre sí varían los valores de composición, en el caso de interés se presenta una variación en el contenido de oro y cobre como se puede observar en la Tabla 1.

Tabla 1: Porcentaje de composición elemental de los pines.

3.3  3.3 

Elemento

Muestra # 1 % de composición

Muestra # 2 % de composición

Au Fe Cu Ni Zn Ag Pb

0.40 0.20 72.40 12.10 0.10 -

0.88 0.03 63.8 0.63 0.01 0.49

Lixiviación

Para cada proceso de lixiviación se utilizó una muestra de 39 mg de material en 100 ml a excepción de la primera lixiviación que se utilizó una muestra de 18 mg en un volumen de 50 ml debido a que no se contaba con suficiente reactivo.

3.3.1   Efecto del tipo de agente oxidante 3.3.1 Para estudiar el efecto del tipo de agente oxidante en la lixiviación de cobre en solución de glutamato monosodico, se añadieron peróxido de hidrogeno (H 2O2) y Permanganato de Potasio (KMnO 4) ambos a una concentración 0.03 M a una solución de glutamato 0.5 M a temperatura ambiente.

Figura 7. Efecto del agente oxidante sobre la disolución de cobre: glutamato 0.5M, H 2O2 y KMnO4 al 0.03 M, pH 9,44. En la solución que contiene peróxido de hidrógeno presenta una velocidad de disolución más elevada y la extracción de cobre aumenta alcanzando 92% en dos horas. Lo cual es debido al aumento de la velocidad de reacción catódica y a la presencia del radical de hidrógeno (OH ). Además,

 

experimentalmente se comprobó la degradación del glutamato por exceso de potencial generado por la elevada concentración del permanganato de potasio.

3.3.2   Efecto del tipo de solvente 3.3.2 En la figura 8 se puede observar que el agente oxidante favorece la reacción de ambos aminoácidos con el cobre, logrando una mayor disolución en el caso del glutamato, dado a que en estas condiciones se obtuvo altas altas concentraciones de de cobre en en solución, especialmente a la segunda hora donde se presenta la mayor disminución en el porcentaje de extracción de o oro ro en ambos reactivos. Oraby y Eksteen (2014) evaluaron la extracción de cobre a partir de un concentrado de cobre y oro, obteniendo como resultado una extracción de cobre cercana al 96% y contenidos muy bajos de oro en solución, utilizando peróxido de hidrógeno en valores de pH entre 8 y 11. Se muestra una la fuerte afinidad que presenta la glicina por el cobre con el cual puede formar complejos muy estables tanto 2+ + con Cu  como con Cu .

Cu+  2(H NCH COO)− ↔ Cu Cu(N (NH H CH COO)  , LogK =15.6 =15.6

(1)

Cu+  2(H NCH COO)− ↔ Cu(N Cu(NH H CH COO)−   , LogK=10.1

(2)

Figura 8. Efecto del agente oxidante sobre la disolución de cobre: glutamato 0.5M, H 2O2 al 0.03 M, pH 9,44.

3.3.3  Efecto de la concentración del agente oxidante El efecto de la concentración de permanganato de potasio sobre la disolución de cobre en soluciones de glicina y glutamato monosódico se muestra en las figuras 9 y 10. Está claro que al aumentar la concentración de KMnO4, la extracción de cobre aumenta ligeramente. Se puede de decir en términos generales que la disolución de cobre depende de la concentración de KMnO4, el cual sería el reactivo límite en soluciones de glicina-permanganato y glutamato-permanganato. Aunque también evidenciamos que a altas concentraciones co ncentraciones de permanganato de potasio se da la degradación de los aminoácidos, afectando la cinética de disolución y la extracción de cobre debido a que se re precipita el cobre que ya ha sido disuelto. Además, del efecto de la concentración de permanganato en el porcentaje de extracción de cobre, también se logra evidenciar que en ambas condiciones de concentración de agente oxidante el glutamato tiene mayor cinética de disolución y logra resultados de extracción de cobre mayores que la glicina, mostrando que es más eficiente.

 

 

Figura 9. Efecto de la concentración del agente oxidante sobre la disolución de cobre: glicina 0.5M, pH 11.

Figura 10. Efecto de la concentración del agente oxidante sobre la disolución de cobre: glutamato 0.5M, pH 11.

4 

CONCLUSIONES

  La utilización de la glicina y el glutamato son alternativas válidas para la lixiviación de cobre



presente en los RAEE, logrando obtener valores de extracción entre 70-92% de cobre.

  Las predicciones termodinámicas obtenidas utilizando el software Hydra-Medusa fueron



aproximadas al comportamiento y los resultados obtenidos experimentalmente, demostrando que se forma complejos con cobre en bajas fracciones de concentración en el rango de pH determinado por éste.

  Se ha demostrado que el tipo de agente oxidante y su concentración afectan la cinética de



lixiviación de cobre, logrando obtener el mayor porcentaje de extracción con glutamato y peróxido de hidrógeno al 0.03 M como agente oxidante en pH 9.4.

 

que la cinética de disolución y el porcentaje   Se logró evidenciar en los ensayos experimentales que



de extracción es mayor en soluciones con glutamato que con glicina, convirtiéndose en una excelente alternativa para la extracción de cobre a partir de residuos eléctricos y electrónicos debido a su bajo costo y a sus propiedades que lo convierte en una metodología amigable con el medio ambiente.

5 

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al Instituto de Minerales CIMEX de la Facultad de Minas en la Universidad Nacional de Colombia por permitirme un espacio para desarrollar mi proyecto de investigación. Además, un agradecimiento especial a la profesora Gretchen Lapidus Lavine y todo su grupo de trabajo, por permitirme trabajar en su laboratorio en la Universidad Autónoma Metropolitana y a la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC) por permitirme participar en este evento.

6 

BIBLIOGRAFÍA

  Akcil, A., Erust, C., Sekhar Gahan, C., Ozgun, M., Sahin, M., & Tuncuk, A. (2015). Precious metal recovery from waste printed circuit boards using cyanide and non-cyanide lixiviants  – A review.



Waste Management , 258-271.

  Aylmore, M. (2005). Alternative lixiviants to cyanide for leaching gold ores. Developments in



Mineral Processing, 501-539.

  Cheverra, D. (2014). Extracción de cobre a partir de tarjetas de circuito impreso de residuos



electrónicos. Medellín, Antioquia: Universidad Nacional de Colombia.

  Eksteen, J., & Oraby, E. (2015). Gold leaching in cyanide-starved copper solutions in the presence



of glycine. Hydrometallurgy , 81-88.

  Eksteen, J., & Oraby, E. (2015). The leaching and adsorption of gold using low concentration



amino acids and hydrogen peroxide: Effect of catalytic ions, sulphide minerals and amino acid type. Minerals Engineering, 36-42.

  Eksteen, J., & Oraby, E. (2015). The leaching of gold, silver and their alloys in alkaline glycine –



peroxide solutions and their adsorption on carbon. Hydrometallurgy , 199-203.

  Oraby, E., & Eksteen, J. (2014). The selective leaching of copper from a gold –copper concentrate



in glycine solutions. Hydrometallurgy , 14-19.

  Perea, C., & Restrepo, O. (2015). Reciclaje de metales preciosos a partir de aparatos eléctricos y



electrónicos. Congreso Internacional VI LATINOMETALURGIA. Cuzco, Perú: Universidad Nacional de Colombia.

  Perea, C., Cañas, A., Estrada, Y., Pabón, T., Ramirez, J., Suarez, C., et al. (2011). Proyecto



seminario. Reciclaje de metales preciosos.  Medellín, Antioquia: Universidad Nacional de

Colombia.

  Romero Montenegro, J. (2014). Colombia vs. la basura electrónica,un partido que va empatado.  



Bogotá, D.C.: Universidad del Rosario.

 

  Zhang, L., & Xu, Z. (2016). A review of current progress of recycling technologies for metals from



waste electrical and electronic equipment.  Journal of Cleaner Production Production, 19-36.