Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Metalúrgica

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1 Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Metalúrgica Recuperación de ácido clorhídrico y antimonio desde solución de elusión proveniente de intercambio iónico de electrólito ácido de Cu(II), mediante electrodiálisis reactiva Gerardo Cifuentes, Nicolás Guajardo, Felipe Riveros, José Hernández Valencia, España

2 Esquema de Presentación 1.- Introducción 2.- Objetivos 3.- Fundamentos Teóricos 4.- Desarrollo Experimental 5.- Resultados y Análisis 6.- Conclusiones

3 1.- Introducción

4 1.- Introducción Distrito Minero Calama-Chuquicamata

5 1.- Introducción División Ministro Hales Codelco-Chile Yacimiento de Millones toneladas con una ley promedio de 0,96% Cu. Entra en operación a fines del 2013, estimando ton/año cobre fino. Mineral con alto contenido de As, Sb, Bi. Contempla las operaciones concentración y tostación. La producto de esta división será tratado en la fundición y refinería de Chuquicamata.

6 1.- Introducción División Chuquicamata Codelco-Chile

7 1.- Introducción División Chuquicamata Codelco-Chile Moldeo Ánodos

8 1.- Introducción División Chuquicamata Codelco-Chile Electro refinación Reacción anódica principal 0 2 Cu Cu imp. 2 e (electro disolución) Reacción catódica Principal Cu 2 2e Cu 0 99,99% (electro deposición) Reacción global 0 Cu imp. Cu 0 99,99%

9 PROCESO ELECTROREFINACIÓN (Celda Electrolítica) A gpl H gpl Cu++ CÁTODO (-) Cola Tiourea Avitone Vapor Sb As Bi E. eléctrica Ag BARRO ANÓDICO 2,0 kg/ton Ag, Au, Se, As, Sb

10 PLANTA TRATAMIENTO IMPUREZAS (Sb) Ánodo Cu +2 Cátodo Electrólito Saturación [ 0,7 gpl ] Sb 100% 0,1% 65% [ 0,3 gpl ] Seno de la Solución Sólidos secundarios Filtros Interc. Calor Canastillos Bombas Ductos Planta IX Interfase Barros 15% Sb

11 1.- Introducción electrólito rico en impurezas (Sb, Bi) 3+ Resina con impurezas de (Sb, Bi) 3+ Solución de HCl con en impurezas(sb, Bi) 3+ E-R Remoción de impurezas del electrólito Regeneración de la resina Recirculación electrólito pobre en impurezas (Sb, Bi) 3+ Resina libre de impurezas Ácido clorhídrico Destilación fraccionada Proceso de obtención de ácido clorhídrico, mediante la evaporación y separación de éste de la elusión de I-X. Dificultad operacional del proceso debido a la generación de gases extremadamente Destilación Fraccionada peligrosos y corrosivos. Efluente

12 1.- Introducción electrólito rico en impurezas (Sb, Bi) 3+ Resina con impurezas de (Sb, Bi) 3+ Solución de HCl con en impurezas(sb, Bi) 3+ E-R Remoción de impurezas del electrólito Regeneración de la resina Electrodiálisis Reactiva Recirculación electrólito pobre en impurezas (Sb, Bi) 3+ Resina libre de impurezas Acondicionamiento Ácido sulfúrico con impurezas (Sb, Bi) 3+ Agua Ácido clorhídrico

13 2.- Objetivos

14 2.- Objetivos Objetivos Generales Obtener ácido clorhídrico de una solución rica en ión cloruro e impurezas de antimonio y bismuto proveniente de un proceso de intercambio iónico mediante electrodiálisis reactiva. Objetivos Específicos Puesta a punto del sistema. Realizar los ensayos de electrodiálisis de la solución utilizando distintos valores para la temperatura, flujo global del sistema y densidad de corriente. Determinar las condiciones que favorecen el funcionamiento del proceso.

15 3.- Fundamentos Teóricos

16 3.- Fundamentos Teóricos + 2H (ac) Cátodo(-): + 2 e H 2(g) Ánodo(+): + H 2 O (l) 1 2 O 2(g) + 2H (ac) + 2 e 2H 2 O (l) = 2H 2(g) + O 2(g) E= -1,23 V

17 3.- Fundamentos Teóricos 3.1.-Hipótesis Migración de las impurezas (Sb,Bi) al católito, formando un efluente del proceso. Además, la migración del ión cloruro al anólito, generándose en este compartimento ácido clorhídrico. Católito Elusión Anólito Inicial Agua destilada Final Solución diluida

18 3.- Fundamentos Teóricos ln i Diagrama de Evans H + /H 2 H 2 O/O 2 ln i T Cl /Cl 2 0 1,23 1,36 E η a E th η a

19 3.- Fundamentos Teóricos Membranas de Intercambio Iónico: Estructura de cadena de polímeros entrelazados, formado por cargas fijas neutralizadas por contraiones móviles. Cationica: deja pasar cationes. Cargas fijas: -SO 3- ; -COO - ; -PO 3-2 ; -SO 2 R - Aniónica: Deja pasar aniones. Cargas fijas: -NR 3+ ; -NH 3+ ; -NH 2 R + ; PR 3 + ΔV

20 4.- Desarrollo Experimental

21 4.- Desarrollo Experimental Equipamiento y materiales: Circuito de bombeo Circuito de calefacción Sistema de medición de caídas de Voltaje Celda de 3 compartimentos Fuente de poder Termómetro

22 4.- Desarrollo Experimental (-) (+)

23 4.- Desarrollo Experimental 4.2.-Procedimiento Experimental 12 Pruebas en una celda de 3 compartimentos, con distintos parámetros de operación. Análisis químico al inicio y fin de cada prueba: Anólito: [Cl - ], acidez clorhídrica Católito: acidez sulfúrica Elusión: [Cl - ], acidez clorhídrica Seguimiento de la caídas de voltaje de la celda. Variables y Parámetros de Operación Temperatura (ºC): 20, 30, 40 Flujo (l/min): 0,5; 1 Densidad de corriente anódica:(a/m 2 ): 300, 400, 500 Tiempo de prueba (h): 5

24 5.- Resultados y Análisis

25 Voltaje (V) 5.- Resultados Prueba con agua destilada en el ánodo t=10,5 horas i=400 A/m2 (en el ánodo) T=40ºC F= máximo (1 L/min) Voltaje vs Tiempo Tiempo (min) ánodo cátodo fuente membrana catiónica membrana aniónica elusión

26 Voltaje (V) 5.- Resultados t=5 horas i=500 A/m2 (en el ánodo) T=40ºC F= máximo (1 L/min) Voltaje vs Tiempo 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000, Tiempo (min) ánodo cátodo fuente de poder membrana catiónica membrana aniónica elusión

27 Voltaje (V) 5.- Resultados t=5 horas i=300 A/m2 (en el ánodo) T=40ºC F= máximo (1 L/min) Voltaje vs Tiempo 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000,500, Tiempo (min) ánodo cátodo fuente de poder membrana catiónica membrana aniónica elusión

28 Voltaje (V) 5.- Resultados t=5 horas i=500 A/m2 (en el ánodo) T=40ºC F=0,5 L/min Voltaje vs Tiempo 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000, Tiempo (min) ánodo cátodo fuente de poder membrana catiónica membrana aniónica elusión

29 Voltaje (V) 5.- Resultados a T=40ºC : Gráfico voltaje vs densidad de corriente Voltaje Fuente de Poder Voltaje Cátodo 2 Voltaje Ánodo Voltaje M. aniónica Voltaje M. Catiónica Densidad de Corriente (A/m2)

30 Masa de cloruros [gr] 5.- Resultados Traspaso neto de cloruros vs Temperatura 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Temperatura [ºC] 300 [A/m2] 400 [A/m2] 500 [A/m2]

31 Masa de cloruros [gr] 5.- Resultados 2 Traspaso neto de cloruros vs Temperatura ln i 1,8 1,6 1,4 H + /H 2 H 2 O/O 2 1,2 1 0,8 Cl /Cl 2 0,6 0,4 0, ,23 1,36 E Temperatura [ºC] 300 [A/m2] 400 [A/m2] 500 [A/m2]

32 Masa de cloruros [gr] 5.- Resultados a T=40ºC : Traspaso de cloruros vs Densidad de corriente 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Densidad de corriente [A/m2] flujo: 1 [l/min] flujo: 0,5 [l/min]

33 Masa de cloruros [gr] 5.- Resultados a T=40ºC : 2 1,8 Traspaso de cloruros vs Densidad de corriente ln i 1,6 1,4 H + /H 2 H 2 O/O 2 1,2 1 0,8 0,6 ln i T Cl /Cl 2 0,4 0, ,23 1,36 E Densidad de corriente [A/m2] flujo: 1 [l/min] flujo: 0,5 [l/min] Capa limite de membrana aniónica?

34 Masa de cloruros traspasados y producción de ácido clorhídrico [g] 5.- Resultados 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Traspaso de cloruros y producción de ácido clorhídrico Muestras Prueba T [ºC] D C A [A/m2] F [L/min] , , ,5 Paso de cloruros [g] Producción de HCl

35 Masa de HCl [g] 5.- Resultados 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Producción neta de ácido clorhídrico Prueba T [ºC] D C A [A/m2] F [L/min] , Muestras , , ,5 Producción neta HCl

36 Consumo Específico de Energía [KW*h/kgr] 5.- Resultados 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Eficiencia de corriente ρ i = masa real masa teórica = 100 M M T (%) Prueba T [ºC] D C A [A/m2] F [L/min] % 0% Muestras , , ,5 Eficiencia de Corriente o Rendimiento Faradico [%]

37 Consumo específico de energía (kwh/kg Cl-) 5.- Resultados Efecto de la densidad de corriente en el consumo específico de energía, a diferentes temperaturas C 30 C C 0 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 Densidad de corriente (A/m2)

38 Consumo específico de energía (kwh/kg Cl-) 5.- Resultados W = U b I t 1000M ρ W = W T = E th ρ W R U i(%) b A/m2 400 A/m A/m Temperatura ( C)

39 6.- Conclusiones

40 6.- Conclusiones El sistema produce ácido clorhídrico. A bajas temperaturas el sistema se vuelve inestable operacionalmente. Además a 20ºC y 30ºC es sistema es deficiente en el traspaso de cloruros, lo que se traduce en una baja eficiencia de corriente y en un alto consumo específico de energía. A 40ºC el sistema presenta el mejor traspaso de cloruros. El sistema se vuelve inestable a menores flujos. A flujo máximo, el sistema presenta su mejor comportamiento Una mayor densidad de corriente anódica una mayor corriente- no se traduce en un aumento en el traspaso neto de cloruros.

41 6.- Conclusiones A densidades de corriente anódicas altas, el sistema es estable operacionalmente pero aumenta el consumo especifico de energía y disminuyen el rendimiento energético y la eficiencia de corriente. A densidades de corriente anódicas más bajas el sistema presenta el mejor comportamiento. Se concluye que a bajas densidades de corriente, altas temperaturas y caudales se optimiza el funcionamiento del sistema. Para este proyecto, las condiciones óptimas son una temperatura de 40ºC, caudal de 1 L/min y densidad de corriente anódicas de 300 [A/m 2 ]. Este proceso tiene un consumo específico de energía de 3,4[kWh/kg] de cloruro traspasado.

42 GRACIAS Hay momentos en que no es necesario hablar para tomar decisiones, sólo hay que basarse en lo que se vió y se oyó Hay momentos en que no es necesario oír, pero hay que observar y hablar Hay momentos en que no se necesita ver para poder entender lo que se nos dice

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