Electro.obtencion Del Cobre 5n5167

Proceso Hidrometalúrgico de Obtención de Cobre a partir de Mineral oxidado, aplicado en Chile

Sebastian Aviles Palacios Jorge Hawas De Raucourt Rafael Cuello Garcia Wanda Vera Aguirre Donald Tapia Limachi Ingeniería En Minas Sección N°333

24 de julio de 2015 Prologo

Chile actualmente es un importante foco de inversiones millonarias, que pretenden impulsar aún más la minería, no solo para la explotación del cobre sino que también para los demás metales y no metales que se encuentran en todo su territorio. Es verdaderamente sorprendente como chile ha avanzado a lo largo de los años en el ámbito minero, implementando nuevas y mejores técnicas que van impulsando las ganancias hasta niveles millonarios, sin menospreciar el hecho de que somos potencia minera mundial y que la mayoría de los desarrollos tecnológicos en el ámbito minero son utilizados en el país. Dentro de los diversos procesos que están siendo usados en la minería para lograr producir de manera óptima y económica, se encuentra la Electro-obtención, que a medida de que pasan los años, y que se van descubriendo nuevos instrumentos para mejorarla, se modifica de manera estructural , pero el concepto y/o base de su funcionamiento siempre será el mismo.

Agradecimientos

Escribir una investigación no siempre es trabajo de una sola persona, por ende deseamos expresar el más sincero agradecimiento a quienes lo hicieron posible, aportando no solo con ideas o información sino que también con el apoyo emocional que es también necesario para llevar a cabo cualquier cosa. A la biblioteca del instituto profesional INACAP, por tener la amabilidad de facilitar el libro de minería y metalurgia que ayudo a construir este trabajo. A La profesora Luz Eliana Soto, por ayudar en la ardua tarea que significó escribir este trabajo. A todos los profesores y profesoras de INACAP, por entregarnos el conocimiento y sapiencia para confeccionar esta investigación. A quien esté interesado(a) en leer esta obra, que fue escrita con la mayor dedicación puesta por el grupo.

Índice INTRODUCCIÓN

1

Cómo se extrae el cobre en chile

2

Proceso para mineral de cobre sulfurado

2

Proceso para mineral de cobre oxidado

3

OBJETIVOS

4

FUNDAMENTO TEÓRICO

4

Proceso de electro-obtención

4

Celdas electrolíticas de electro-obtención

4

Tipos de celdas electrolíticas -Celda convencional para electrolisis en medio acuoso -Celdas para producción directa de láminas de metal -Celda cilíndrica para la obtención de oro

5 5 5

Materiales de los ánodos

5

Materiales de los cátodos

5

La electrolisis

5

Caracteristicas de las soluciones electroliticas

6

Exportaciones de cátodos de cobre por la región de atacama

7

Minerales con alto contenido de Cobre

8

4

DISCUSIONES

12

CONCLUSIONES

13

BIBLIOGRAFÍA

14

MATERIAL ANEXO

15

Diagrama obtención de cobre de minerales oxidados

15

Carta Gantt del trabajo

16

Introducción Chile se ha caracterizado por ser un país con una alta actividad minera desde 1880, en ese entonces era potencia en producción de nitratos, hasta que en 1910 es fabricado el salitre sintético en Alemania provocando una importante crisis económica en el país. Si bien parecía el fin de la minería en chile, ya desde 1902 cuando el ingeniero norteamericano William Braden reconoce el mineral el teniente, se comienza a fabricar los cimientos de la actual minería que hoy es tan importante para el país. En 1904 Surge la empresa Braden Copper Company para explotar el mineral El Teniente, haciendo oficial en el año 1905 como la primera empresa en chile en explotar el cobre. Las enormes utilidades y pocos impuestos que pagaban las principales empresas norteamericanas en chile (Braden Copper Company, Chile Exploration Company y Andes Copper Mining Company), y eso sumado la crisis salitrera en el país, provocó un descontento en la población que se tradujo en formaciones de movimientos en rechazo hacia las empresas, lo cual finalmente provoco la nacionalización del cobre en 1971. Todo lo sucedido llevo a una enorme cantidad de análisis en el suelo chileno, arrojando que no solamente el país es reserva de cobre, sino que también de fierro, molibdeno, oro, plata, etc. Significando importantes futuros ingresos al país de chile. Actualmente chile es potencia mundial en producción de cobre con 33,2% de la explotación mundial, y su principal comprador es china, con un 39,0% de demanda mundial en cobre refinado. Es por eso que en el año 2011 los aportes de CODELCO, ENAMI y la gran minería totalizaron, en ingresos fiscales, más de 11.700 millones de dólares solo en las empresas del norte de chile. El cobre es un elemento metálico, que se encuentra en la naturaleza tanto en estado nativo como presente en minerales, es identificado en química con el símbolo ´´Cu´´ con número atómico 29 y peso atómico 63,54 g/mol. Es de mucha importancia no tan solo por ser principal fuente económica para chile sino que también por sus propiedades como; alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión y durabilidad, que permiten su utilización en una enorme cantidad de objetos de uso diario. En materia productiva, la aparición de nuevas tecnologías permite lograr una producción cada vez más sustentable y eficiente. Con estas nuevas tecnologías es posible acceder a depósitos minerales que antes no podían ser explotados por diversas dificultades que hoy son superadas 1

por los distintos métodos y herramientas que existen en el mundo de la minería. Y desde el punto de vista de la demanda de cobre, más allá del aumento de consumo de cobre que implica el progreso y el crecimiento de las sociedades, este elemento metálico tiene importantes aplicaciones en nuevas tecnologías que ocuparán un espacio importante en nuestras vidas futuras. Adicionalmente, el reconocimiento de la propiedad bactericida del cobre en 2008 por parte de la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) de Estados Unidos, abre interesantes mercados para el cobre, tales como la salud pública, la industria alimentaria, la acuicultura, entre otros. ¿Cómo se extrae el cobre en chile? Ante este cuestionamiento se debe explicar que en chile existen una gran cantidad de minerales que son utilizados para la extracción del cobre en su estructura, lo cual significa que cada mineral según sus características físicas y/o químicas debe ser tratado de manera diferente, es por eso que se hace una diferencia entre minerales oxidados y sulfurados, Pero en general a todos los minerales se les aplica los siguientes procesos: 1) Exploración geológica: este es uno de los procesos más importantes a la hora de explotar el cobre, ya que es aquí donde se identifican yacimientos y la forma que poseen, además de determinar la 1ley de mineral y la forma de extraerlo. 2) Extracción: las rocas mineralizadas extraídas de la mina (rajo abierto o subterránea) con un tamaño ideal, son transportadas a la planta de procesamientos. 3) Chancado: se procede a triturar la roca obtenida de la mina con un tamaño máximo de 1,5 a 1,¾ pulgadas. Hasta aquí el proceso es similar para todos los minerales. Las etapas que siguen están determinados según la clasificación del mineral de cobre. Proceso para mineral de cobre sulfurado: Molienda: Mediante el trabajo de molinos, se continúa reduciendo el tamaño de las partículas de mineral hasta obtener un tamaño máximo de 180 micrones (0,18 mm), con el que se forma una pulpa con agua y reactivos específicos que se lleva a la flotación.

1 Ley de mineral: se refiere a la concentración de cobre, oro, plata, estaño, etc. Presente en las rocas y en el material mineralizado de un yacimiento. 2

Flotación: En las celdas de flotación, se genera espuma cuyas burbujas arrastran el cobre y otros minerales sulfurados contenidos en la pulpa. Luego de varios ciclos, se recolecta y seca esta espuma para obtener el concentrado de cobre que continúa su purificación. Fundición: se separar el cobre de otros minerales e impurezas. El concentrado de cobre seco se trata a grandes temperaturas en hornos especiales Luego de varios procesos se obtiene cobre refinado a fuego (RAF) que es moldeado en placas de un peso aproximado de 225 kg llamadas ánodos. Electro-refinación: Los ánodos provenientes de la fundición se llevan a celdas electrolíticas para su refinación. De este proceso se obtienen cátodos de alta pureza o cátodos de cobre electrolítico de 99,99% de cobre y de un peso entre 70 y 80 kg. Proceso para mineral de cobre oxidado: Lixiviación: luego de que el mineral es chancado es apilado para luego ser regado con una solución de agua y ácido sulfúrico, que disuelve el cobre oxidado presente en la pila, obteniéndose una solución de sulfato de cobre que se purifica y se concentra antes de llevarla a la electro-obtención. Electro-obtención: El proceso de electro-obtención consiste en una electrólisis mediante la cual se recupera el cobre de la solución proveniente de la lixiviación, obteniéndose cátodos de alta pureza (99,99%) Al final de los procesos de preparación, tanto de minerales oxidados como los de minerales sulfurados, terminan siendo cátodos los cuales son examinados cuidadosamente para asegurar la calidad, y aquellos seleccionados son apilados, pesados y 2enzunchados para su despacho.

2 Enzunchar: Colocar zunchos a una cosa para reforzarla, sujetarla o ceñirla. 3

Objetivos - Identificar características de la celda para EW. -Reconocer cátodos y ánodos de la calda EW. -Establecer un Procedimiento Correcto y funcional que permita la obtención de cátodos. -Preparar una solución ideal de Sulfato de cobre, para obtener cátodos de cobre. -Comprender in situ los fenómenos físico-químicos relacionados al experimento. -Analizar los resultados de la cosecha de cátodos y concluir al respecto. Fundamento teórico Proceso de electro-obtención: La precipitación por reducción electrolítica, comúnmente conocida como electro obtención, es uno de los procedimientos más actuales y sencillos para recuperar selectivamente los metales que se encuentran en solución. Básicamente este proceso consiste en recuperar el metal desde una solución de lixiviación (solución electrolito) para ser depositada en un cátodo, utilizando un proceso de electrolisis. Para esto se hace circular, atreves de la solución electrolítica, una corriente continua de baja intensidad entre un ánodo (la solución misma) y un cátodo. De esta manera los iones del metal de interés (cationes) son atraídos por el cátodo (polo de carga negativa) depositándose en él, quedando las impurezas disueltas en el electrolito o precipitadas en residuos o barros anódicos. Celdas electrolíticas de electro-obtención: Para llevar a cabo el proceso de electro-obtención es necesario de instalaciones especializadas llamadas ´´celdas electrolíticas´´, las cuales son equipadas con circuitos eléctricos para hacer circular la energía eléctrica continua de baja intensidad. Generalmente los circuitos utilizados en las celdas son muy sencillos, esto para disminuir trayectos, en corriente continua de baja y alta tensión. 4

-Tipos de celdas electrolíticas: En la industria existe una diversa variedad de celdas para electroobtención, su fabricación y selección dependen de factores como: 1) Tipo de electrolito(si es acuoso o de sales fundidas) 2) Tipo de cátodo(si es líquido, solido, si es compacto, esponjoso o particulado) 3) Tipo de proceso(si es electro-obtención(EW) o electrorefinación(ER)

-Celda convencional para electrolisis en medio acuoso: En este tipo celda su diseño varia muy poco, ya que se trata, en general, de ánodos y cátodos suspendidos de forma vertical uno frente a otro. La verdadera diferencia se encuentra según se trate de EW o ER, ya que es mucho más importante, en el proceso de Electro-obtención, renovar y agitar el electrolito frente a las placas. -Celdas para producción directa de láminas de metal: A través de este proceso, se puede lograr de manera directa y continua la preparación de una lámina de cobre electrolítico. Este tipo de celda posee un cátodo en forma de tambor, parcialmente sumergido en electrolito, el cual gira con una velocidad que varía de acuerdo al espesor de la lámina que se desea obtener. -Celda cilíndrica para la obtención de oro: El procesamiento de concentración de oro a través de carbón activado finaliza con la recuperación electrolítica del oro, utilizando como electrolito 3la solución de elución de carbón. En este caso se usa un ánodo inerte de acero, y un cátodo compuesto de un conductor inserto con lana de acero colocada en un contenedor apropiado. Materiales de los ánodos: En el proceso de EW, los ánodos son teóricamente insolubles e inertes al proceso. Cuando la electrolisis se hace en un medio acuoso, es predominante la utilización de ánodos de plomo, en alguna de sus aleaciones donde tenga mejores características físicas y químicas que las del plomo puro. Materiales de los cátodos: En la EW de cobre, originalmente se utilizaban 4placas madre de titanio o de cobre recubierto con un aceite conductor, para facilitar el despegue del depósito, pero en la actualidad se usan placas de acero inoxidable. 3 Solución compuesta por el líquido que es capaz de extraer oro presente en las partículas de carbón. 5

Luego de la depositación durante 24 horas aproximadamente, el metal que se ha adherido se desprende de la placa madre. Las láminas se estiran y planchan, y se les agrega como soporte dos trozos previamente cortados de la misma lamina, que reciben el nombre de orejas. Para continuar la depositación en las ´´llamadas celdas comerciales´´, se cuelgan mediante una barra de cobre por un tiempo aproximado de 5 a 7 días. La electrolisis Las moléculas de ciertos compuestos químicos, cuanto están en una disolución acuosa, presentan la capacidad de separarse en sus estructuras moleculares más simples y/o en sus átomos constituyentes. Estos compuestos químicos, que evidencia la propiedad de disociación o ionización en disoluciones, se denominan electrolitos, y la reacción química de disociación se denomina electrolisis, la cual es la base para concentrar y purificar el cobre del mineral de donde se extrajo (método electro obtención). Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo). En definitiva lo que ocurre es una reacción de 5oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria. Las soluciones electrolíticas tienen las siguientes características: -Se genera conductividad eléctrica, esto quiere decir que la disociación o ionización forma un ambiente eléctrico en la disolución. -Se produce una alteración en las propiedades 6coligativas independiente de la naturaleza del electrolito. La ionización de los 4 Corresponde a un sustrato de un metal en cual se deposita el metal de interés. 5 La oxidación es el proceso en el cual una especie química pierde electrones y su número de oxidación aumenta. La reducción es el proceso en el cual una especie química gana electrones y su número de oxidación disminuye. 6

electrolitos aumenta el número de especies químicas en el sistema alterando las propiedades coligativas, ya que, al haber más partículas disociadas, entorpece la cinética molecular. Esto significa que: - Punto de fusión disminuye. –Punto de ebullición aumenta. –Presión de vapor disminuye. –7Presión osmótica aumenta. Las propiedades físicas y químicas de los electrolitos son diferentes a las que presentan sus iones disociados. De ahí que el sistema de electrólisis muestre características nuevas con respecto a su previa ionización. -La disociación de los electrolitos es reversible, estableciéndose un equilibrio químico. La disociación aumentará y se desplazará el equilibrio a medida que aumentemos la dilución de la disolución. -Un tipo importante de electrolitos son los ácidos y las bases. Exportaciones de cátodos de cobre por la región de atacama: Durante el año 2010, la región de atacama obtuvo un aumento de un 63% en sus exportaciones en comparación al 2009, pasando de US$3.459 millones a US$ 5.638 millones, es decir US$ 2.179 millones más. Todo gracias, En su mayoría, al aumento de productos mineros como cátodos y secciones de cátodos. La importancia que toma el cátodo de cobre no tan solo a nivel regional, sino que también a nivel nacional, se ve reflejado en los datos que se obtienen en cuanto a su venta por el mundo.

(tmf: Tonelada Métrica Fino) 6 aquellas propiedades de una disolución que dependen únicamente de la concentración. 7 presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable 7

La comercialización del cobre en cátodo permite tener cobre casi totalmente puro, para poder ser utilizado por ejemplo, dado su excelente conductividad eléctrica es el material predominante por el casi 50% del consumo mundial para este propósito, además de ser utilizado en aleaciones, y también en la industria de automóviles, naval y en equipos de medida, y ha incrementado su uso en la industria de la construcción, entre otras aplicaciones.

Minerales con alto contenido de Cobre: La calcantita, chalcantita, calclasa o chalclasa, es un mineral del grupo VI (sulfatos) según la clasificación de Strunz, descrita por primera vez por Wolfgang Franz von Kobell. Es una piedra semipreciosa de color azul que se sitúa entre la aguamarina y el zafiro. Es el resultado de la cristalización del sulfato de cobre. Al ser 8hidrosoluble, sólo se encuentra en lugares muy secos. Se presenta formando 9estalactitas de hasta un metro de longitud. Es explotado en el yacimiento de Chuquicamata (chile) Formula: Cu (SO4) ·5H2O Dureza: 2,5 Peso específico: 2,1 - 2,3 Color: azul Color de la raya: blanca Brillo: vítreo, translucido Cristales: laminar 8 Hidrosoluble: Que se disuelve fácilmente en el agua 9 Estalactita: se forma como resultado de los depósitos minerales continuos transportados por el agua que se filtra 8

Fracturamiento: irregular Sistema cristalino: triclínico Origen: hidrotermal, vetas

Calcopirita CuFeS2 Color: Amarillo-latón, amarillo miel. Raya: Negra verdosa Lustre: Metálico Transparencia: Opaco Sistema cristalino: Tetragonal, escalenoédrico Hábito cristalino: Comúnmente en drusas, con caras estriadas Exfoliación: Poco marcada Dureza: 3,5 a 4 (Mohs) Tenacidad: Quebradizo

Calcosina Cu2S Color: Gris oscuro; pátina: negro mate con reflejos azules Raya: Gris oscuro a negra grisácea Lustre: Metálico Transparencia: Opaco Sistema cristalino: Cúbico (Ortorrómbico) Exfoliación: Imperfecta Fractura: Concoidea o desigual Dureza: 2,5-3 (Mohs) Tenacidad: Frágil

Crisocola (Cu,Al)4H4 (OH)8 Si4O10 ·nH2O Color: Verde a azul, a veces pardo 9

Raya: Blanca Lustre: Vítreo a deslucido Transparencia: Translúcido a opaco Sistema cristalino: Ortorrómbico Hábito cristalino: Masivo, nodular o botroidal Exfoliación: Ninguna Fractura: Concoidea Dureza : 2,5 a 3,5 (escala de Mohs) Tenacidad: Frágil

Malaquita (Cu2CO3(OH)2) Propiedades físicas Color: Verde Raya: Verde claro Lustre Dúctil; vítreo en grandes cantidades Transparencia: Opaca a translúcida Sistema cristalino: Monoclínico Exfoliación: Perfecta Fractura: Concoidal Dureza: 3,5 – 4

Bornita Cu5 Fe S4 Color: Rojo de cobre, marrón de bronce, púrpura Raya: Negro grisáceo Lustre: Metálico Transparencia: Opaco Sistema cristalino: Tetragonal Hábito cristalino: Granular o masivo Exfoliación: no Fractura: Concoidal Dureza: 3 a 3,25 (escala de Mohs) 10

Tetraedrita (Cu,Fe)12Sb4S13 Color: gris muy oscuro metalizado Raya: Negra Lustre: Metálico Transparencia: Opaco Sistema cristalino: Cúbico Hábito cristalino: masivo o cristales bien formados Exfoliación: no Fractura: superficie con fractura desigual Dureza: 3,5 a 4 (escala de Mohs)

11

Discusiones A medida que empieza a tomar forma el experimento, es necesario tomar en cuenta los diversos factores y procedimientos que pueden ser determinantes durante el proceso, y que significaría la alteración del mismo. Ante esto surgen diversas interrogantes que son necesarias discutir para la correcta realización del experimento. -¿Será necesario que el amperaje calculado sea igual al que posee la batería, para que el cobre se deposite correctamente en el cátodo? -¿Será necesario sumergir la totalidad del cátodo en la solución para que este sea recubierto en su totalidad por el cobre? -¿Influye la concentración de cobre que existe en la solución de sulfato de cobre y agua? -¿es determinante el orden de cátodos y ánodos en la celda para la adherencia del cobre? -¿Existe una relación entre la cantidad de voltaje de la batería y el tiempo en que esta es aplicada a la celda de EW?

12

Conclusiones En cuanto a las discusiones planteadas en este trabajo, se concluye que: El amperaje de la fuente de poder puede ser más alta, ya que solo varía el tiempo en que el cobre se adhiere al cátodo. En lo experimental no es necesario sumergir la totalidad del cátodo en la solución para que el cobre se adhiera, pero se observa que el cobre solo cubre la parte sumergida lo que significa, en el plano industrial y comercial, una pérdida de material. La concentración de cobre en la solución determinará, según el cálculo de la ley de cobre, la cantidad de gramos por litros de cobre en la solución, es por eso que sí es importante la concentración presente en ella ya que determinara la cantidad de cátodos de cobre por celda que se pueden cosechar. El orden de los cátodos y ánodos en la celda siempre es importante, de modo que su orden determina el área del cátodo que el cobre va a cubrir, de esta forma siempre deben estar ordenado de la siguiente manera; Ánodo, Cátodo, Ánodo, sucesivamente. Queda demostrado, en lo experimental, que usar una fuente de poder con mayor voltaje disminuirá el tiempo en que el cobre se una al cátodo, lo que significa que existe una relación inversamente proporcional, lo que quiere decir que a mayor voltaje se obtienen cátodos de cobre en menor tiempo.

13

Bibliografía Portal Minero S.A, Primera edición, Manual General De Minería Y metalurgia, Chile 2006 https://www.codelco.com/preguntas-frecuentes/prontus_codelco/201102-28/183604.html https://www.codelco.com/flipbook/innovacion/codelcodigital6/PDF_PRESE NACIONES/HernandeSolminihac.pdf http://www.memoriachilena.cl/602/w3-article-3309.html#presentacion https://www.codelcoeduca.cl/biblioteca/naturales/1_naturales_NB6 8B_NM1.pdf https://www.codelcoeduca.cl/glosario/glosario_l.asp http://www.sernageomin.cl/pdf/mineria/estadisticas/estadistica_de_produ ccion_minera/1_produccion_minera_cobre_2013.pdf

14

Material Anexo Diagrama obtención de cobre de minerales oxidados:

15

Carta Gantt del trabajo:

16