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1 PROYECTO PARA LA LICENCIATURA EN INGENIERIA QUIMICA PRODUCCION DE COBRE METALICO A PARTIR DE UN PROCESO BASADO EN LA LIXIVIACION REDUCTIVA DE CALCOPIRITA INTEGRANTES: BATRES COHUO MARIA DE LOURDES VELAZQUEZ CUERO LETICIA ASESORA: DRA. GRETCHEN LAPIDUS LAVINE MAYO DEL 008

2 INDICE RESUMEN EJECUTIVO JUSTIFICACIÓN 5.- INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Objetivo general Objetivos particulares Reflexiones sobre los alcances de los objetivos ANALISIS ECONOMICO Ubicación de la planta Materias primas y productos Estudio del mercado y conocimientos de la industria en cuestión Oferta y demanda del producto deseado Principales productores y consumidores reales y potenciales de cobre Principales productores Consumidores reales y potenciales PROCESOS EXISTENTES Proceso pirometalurgico Pirometalurgia Descripción del proceso pirometalurgico Proceso hidrometalurgico Hidrometalurgia Descripción del proceso hidromelaturgico DEFINICION DEL PROCESO PROPUESTO Calcopirita Concentrados de cobre Proceso de extracción de cobre a partir de electro-reducción de calcopirita DESARROLLO EXPERIMENTAL Metodología experimental Reducción Oxidación Producción de ácido peroxodisulfúrico Remoción de hierro

3 8.- RESULTADOS DE LA PARTE EXPERIMENTAL Reducción Oxidación Producción de ácido peroxodisulfúrico Remoción de hierro ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO Reactor de lixiviacion Reactor de oxidación Depósito de Hierro Sección de producción de ácido peróxido-disulfúrico y depósito de cobre BALANCES DE MASA potencial económico IMPACTO AMBIENTAL manejo de los desechos generados en el proceso CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA APENDICE 1. Ubicación de la planta APÉNDICE. Hojas de seguridad de reactivos APENDICE 3. Almacenamiento de materias primas y productos APENDICE 4. Técnicas empleadas APENDICE 5. Cálculo de equipos APENDICE 6.- Cálculo de costos de capital 81 3

4 RESUMEN EJECUTIVO El presente proyecto propone el diseño de una planta para sustituir la fundición del concentrado de calcopirita (CuFeS ) para la obtención de Cobre grado catódico (99.99%). Se basa en un método hidrometalúrgico de baja temperatura y presión que parte de la reducción electro-asistida de calcopirita en ácido sulfúrico para transformarla a calcocita, una fase menos refractaria, y separar la mayoría de hierro y azufre, que se recuperan posteriormente en su forma elemental. La calcocita así producida es fácilmente oxidada y el cobre electrodepositado de manera convencional. El diseño de la planta permitió identificar que la etapa más costosa del proyecto es la de electro-lixiviación, donde se requiere de una inversión elevada, debido al tiempo de residencia y, por ende, el volumen de mezcla requerido para el proceso. No obstante, el proceso puede ser optimizado. Las ventajas de este proceso, relativo a la ruta pirometalúrgica, es que tiene condiciones de operación normales, tales como la temperatura ambiente y la presión atmosférica; además de lograr la recuperación del hierro como subproducto que genera ingresos. 4

5 1.- JUSTIFICACIÓN Actualmente la obtención de cobre a partir de la calcopirita opera a condiciones extremas y es muy contaminante, además de que existe una producción excesiva de ácido sulfúrico. Como alternativa se ha propuesto métodos de bajar temperatura, basados en la disolución del cobre en medios acuosos; sin embargo, los procesos tradicionales de oxidación directa son muy lentos, debido al carácter refractario de la calcopirita misma. Se ha visto que una reducción de la calcopirita la transforma en una fase relativamente fácil de oxidar, y consecuentemente disolver en soluciones acuosas. Se busca un proceso que, por medio de la lixiviación reductiva de calcopirita, se podrá llevar a cabo la obtención de cobre a condiciones menos extremas, que sea menos contaminante y permita remover y convertir el hierro a un producto vendible..- INTRODUCCIÓN En la actualidad hay dos tipos de proceso para la extracción del cobre a partir de sus minerales: 1) Proceso donde se emplea el calor para alterar o reducir el mineral (pirometalurgia), utilizado ampliamente en la industria minera, el cual tiene un costo elevado y es altamente contaminante por las cantidades de SO y CO producidos, una dependencia de vender volúmenes grandes de ácido sulfúrico y la inhabilidad de tratar económicamente concentrados de calidad inferior. ) Los procesos hidrometalúrgicos, que consiste en disolver el cobre del mineral (lixiviación) y que no son explotados comercialmente, porque el mineral de cobre más común del sulfuro, la calcopirita, es relativamente refractario; es decir, no disuelve excepto en la presencia de soluciones altamente corrosivas y/o de altas temperaturas. Si las condiciones de lixiviación no son estrictamente controladas, las pérdidas de cobre al residuo sólido hacen el proceso poco rentable en comparación con la fundición, que recupera típicamente el 95%. Debido a estas causas es necesario desarrollar un proceso, a partir de los concentrados de calcopirita, para sustituir la fundición y mejorar el procesamiento hidrometalúrgico. El presente trabajo muestra una alternativa para la obtención de cobre utilizando una lixiviación reductiva, que modifica a las propiedades de la calcopirita para facilitar la lixiviación oxidativa del cobre. Con esta propuesta se pretende que el proceso hidrometalúrgico sea más competitivo económicamente y menos contaminante. 3.- OBJETIVOS Objetivo general Diseño y evaluación económico de una planta química, que sustituya la de la fundición, para la producción de cobre metálico, grado catódico, a partir concentrados de calcopirita de la empresa Cobre de México, S.A. de C.V., con un proceso hidrometalúrgico, basado en la lixiviación reductiva de calcopirita. 5

6 3..- Objetivos particulares Diseño de un proceso hidrometalúrgico para la obtención del cobre a partir de concentrados de calcopirita, que incluye una etapa de lixiviación reductiva electroasistido del concentrado, la separación del hierro calcopirítico y de la mayoría del ion sulfuro de las fases de cobre. Desarrollar un proceso para la separación y disposición de productos, tales como hierro, plata y zinc, para obtener un proceso que ambientalmente se adecue a las regulaciones ambientales a nivel nacional Reflexiones sobre los alcances de los objetivos Para el cumplimiento de estos objetivos es necesario conocer o determinar las propiedades de los productos que darán las reacciones llevadas a cabo en el proceso, para poder determinar la mejor manera de limpiar y reutilizar las soluciones producidas en el proceso y estabilizar los residuos sólidos. 4.- ANALISIS ECONOMICO El objetivo del presente proyecto es el de diseñar una planta hidrometalúrgica que sustituya la correspondiente a la de fundición. La capacidad que debe tener dicha planta está basada en la producción de concentrados de dos complejos mineros los cuales son: a) Complejo Minero la Caridad Se encuentra localizado en el Estado de Sonora a kilómetros al sureste del pueblo de Nacozari de García y a 150 kilómetros al sur de la frontera de los Estados Unidos de Norteamérica. Este complejo se dedica a la explotación de la mina, a la producción de concentrados de cobre, cátodos de cobre y a la recuperación de molibdeno. b) Complejo minero Cananea Se encuentra localizado a 11 kilómetros de La Caridad y a 60 kilómetros al sur de la frontera con Arizona en las afueras del pueblo de Cananea. Este complejo se dedica a la explotación de la mina, e incluye una etapa de concentración por flotación. El acceso es por carretera pavimentada y ferrocarril. Estos dos complejos serán nuestros proveedores. Por esta razón se tomó la decisión de ubicar la planta en el Parque Industrial Cananea. Por lo tanto la capacidad que tendrá esta planta de demostración será de 18,000 toneladas métricas por año de concentrado con una ley promedio de 51% de Cu. 6

7 4.1.- Ubicación de la planta: La planta se ubicara en el parque industrial del municipio de Cananea, el cual cuenta con los servicios necesarios para los requerimientos de nuestro proceso, su acceso se ubica a 1.5 kilómetros de la mancha urbana de Cananea, a 00 metros del lado oriente del tramo de la Carretera Cananea-Imuris. Se da una breve descripción del municipio de Cananea en el Apéndice Materias primas y productos Es necesario el almacenamiento de los insumos ácido sulfúrico, ácido peróxido-disulfúrico (temporal) y sulfato de sodio y de los productos cobre catódico, hierro y azufre elemental Estudio del mercado y conocimiento de la industria en cuestión Oferta y demanda del producto deseado. Según apuntan los analistas de ABN Amro y Deutsche Bank, el cobre seguirá siendo una clara apuesta en el mercado de materias primas debido a que se sigue esperando un crecimiento de la demanda agregada global y, como resultado, una fuerte demanda para las materias primas en 007 y 008. También hay evidencias que sugieren que la oferta no ha podido mantener el ritmo de la demanda del cobre Principales productores y consumidores reales y potenciales de cobre Principales productores Los mayores productores de cobre del mundo son Chile, Canadá, Estados Unidos, Indonesia, Australia, Zambia y otros productores menores, como se muestra en las Figures 1 y. 7

8 Produccion mundial por continente 1% 4% 3% 41% 31% America Asia Europa Oceania Africa Figura 1. Producción por continente de cobre (INEGI. Dirección general de estadística). Producción mundial por paises 5% 5%4%4% 4% 3% 44% 7% 7% 8% 9% Chile E.U.A Peru Indonesia Australia Rusia China Canada Polonia Kazajstan Mexico Figura. Volumen de la producción mundial de cobre por países (INEGI. Estadística de la industria minero-metalúrgica, 007). El volumen vendido de cobre mexicano a través de los años ha disminuido, a pesar de que el precio del cobre ha aumentado. La producción de cobre en el 007 fue de 335,50 toneladas anuales. 8

9 Volumen vendido volumen (ton) año Figura 3. Volumen de cobre Mexicano vendido (Grupo México) Evolución del precio del cobre hasta la actualidad. Precio de cobre 4 3,5 3,5 libra 1,5 1 0,5 0 00, , , , , ,5 año Figura 4. Precio del cobre (Grupo México) Durante el 006, los precios promedio del cobre registraron una evolución favorable con relación a los de 005. El precio promedio del cobre en la Bolsa de Metales de Londres (LME) y la Bolsa de Productos de Nueva York (COMEX) fue de 309 centavos de dólar por libra, respectivamente, comparado con 168 centavos durante el 005. El Precio de Cobre (LME) y el Precio de Cobre (COMEX) al 10 de julio del 007 fue de 3,644 USD/libra y 3,5985 USD/libra respectivamente. El precio del cobre al 6 de Junio del 008 fue de 3,6965 USD/libra Consumidores reales y potenciales. Estados Unidos y China son los dos principales consumidores del metal. Los usuarios mayoritarios en México son de Grupo Condumex. 9

10 Las actividades que desarrollan las empresas de Grupo Condumex se clasifican dentro de las siguientes ramas: Autopartes Cables Electrónica Energía y proyectos integrales Minas Condumex: es el productor mexicano más importante de cables en la industria. Telmex: abastece por medio de. Subcontrataciones los servicios y materiales de construcción (cable de cobre y fibra. óptica) a Condumex. Además, en la red más grande de datos que hay a escala nacional, que es la de Telmex, se utilizó cable de Condumex. Nacobre: Produce láminas de cobre, latón, bronce y sus aleaciones, así como tubería de cobre rígida y flexible, para agua, gas ó refrigeración. La producción minera de Cobre se realizó principalmente en Sonora. Figura 5. Volumen de producción minera de Cananea y Nacozari de García, expresado como toneladas por mes. Producción Minerometalúrgica La producción minerometalúrgica del país (referida a las actividades de extracción, beneficio, fundición y afinación de minerales metálicos y no metálicos) en abril de este año creció 9.4% en términos reales respecto a igual mes de 006. Esta evolución se asoció al desempeño heterogéneo entre los distintos metales y minerales que la integran: aumentó la 10

11 de Oro, Carbón no coquizable, Fierro, Cobre, Fluorita y la de Yeso, mientras que la de Plomo, Plata, Zinc, Coque y Azufre se redujo en el mes que se reporta. La producción de Cobre se llevó a cabo principalmente en Sonora con una participación de 85.6%, le siguieron Zacatecas con 5.1%, San Luis Potosí 4.4% y Chihuahua con 3.5 %. El 1.4% restante se efectuó en Durango, Hidalgo, Estado de México, Michoacán de Ocampo y otros. Metales Industriales no Ferrosos De los metales industriales no ferrosos (los cuales se emplean principalmente en la industria manufacturera para la fabricación de tuberías y tubos, entre otros productos), la producción de Cobre disminuyo un 4% al situarse en 8350 toneladas con respecto al mes de marzo del 007. Figura 6. Volumen de producción de cobre, expresado como toneladas por mes. 11

12 5.- PROCESOS EXISTENTES Proceso pirometalúrgico Pirometalurgia Una gran cantidad de procesos metalúrgicos utilizan altas temperaturas, para alterar químicamente los minerales y reducirlos finalmente a metal libre. El empleo de calor para alterar o reducir al mineral se llama pirometalurgia (pyro significa fuego) 5.1. Descripción del proceso pirometalurgico El concentrado de cobre se recibe en la fundidora, donde entra a un horno de fusión, en el cual se recupera el cobre, mientras el hierro y el azufre se eliminan por oxidación. En el horno una parte del azufre se convierte en SO gaseoso, y el cobre, hierro y sílice (proviene de la arena), permanecen en estado líquido. El cobre, por tener una mayor densidad, se situa en la parte inferior del horno formando un producto llamado mate (Cu S-FeS), mientras que la mezcla de hierro y sílice en forma de silicato permanece en la parte superior del horno y se extrae en forma de escoria (Moore, año) Reacciones en la fundición CuFeS + 4 O Cu S + FeO + 3 SO FeS + 3/ O FeO + SO FeS + 9/ O FeO + SO La mata de cobre pasa a la sección de convertidores, para incrementar su calidad consiguiendo un producto intermedio denominado blister (ampolla), con un contenido en cobre del 96%; los otros productos son los gases ricos en SO, que se unen a los gases anteriores del horno, y las escorias con un contenido del 6% de cobre. El blister pasa al horno de afino donde incrementa su contenido en cobre hasta el 99,6%. Los gases de SO producidos en el horno y convertidores se recogen, se oxidan y se convierten en ácido sulfúrico en una planta de doble absorción, mientras que las escorias, después de tratarlas en un horno eléctrico para recuperar todo el cobre que contienen, se enfrían y granulan para su posterior utilización como material estéril (Guy,1970). Reacciones en el convertidor Cu S (mate) + O Cu (ampolla) + SO 3 FeS (mate) + 5 O Fe 3 O 4 (escoria) + 3 SO CaCO 3 (flux) CaO (escoria) + CO Las ampollas de cobre pasan a la refinería, que empieza con el proceso de producción de los ánodos del cobre (99.%). El proceso utilizado para obtención de los cátodos de cobre (99.99%) es el electrorefino de los ánodos, que consiste en disponer en celdas electrolíticas. Los ánodos que actúan como electrodo positivo, y una placa inerte que actúa como electrodo negativo (cátodo), son sumergidos en una disolución de sulfato de cobre 1

13 (electrolito). Se utiliza una corriente eléctrica de bajo voltaje, que al ser selectiva para el cobre, disuelve los ánodos en el electrolito y los iones de cobre resultante se depositan sobre la placa inerte obteniendo los cátodos de cobre (Chang, 1993). Reacciones en la celda electrolítica Ánodo Cu 0 (ampolla) Cu + (electrolito) + e - Cátodo Cu + (electrolito) + e - Cu 0 (cátodo) 13

14 CONCENTRADO DE COBRE ESCORIA Cu: 0.8 % Fe: 45% Si: 35% FUNDICION MATE Cu:6% SO (g) LIMPIAR EN HORNOS ELECTRICOS PARA RECUPERACION Cu : 0.6 % SO (g) CONVERTIDO AMPOLLAS DE COBRE Cu: % PLANTA H SO 4 SO (g) HORNO DE AFINO ANODOS DE COBRE MOLDEO DE ANODOS CATODOS DE COBRE Cu:99.99% ELECTROLISIS REFINADO Figura 7. Proceso pirometalúrgico de obtención de Cobre a partir de Calcopirita 14

15 5..- Proceso hidrometalúrgico Hidrometalurgía La hidrometalurgia es el tratamiento de los minerales, concentrados y otros materiales metálicos a través de métodos húmedos que producen la disolución de algunos de sus componentes y su posterior recuperación a partir de la misma disolución. La hidrometalurgia es la rama de la metalurgia extractiva que utiliza disoluciones acuosas para la obtención de los metales, normalmente en un rango de temperaturas comprendido entre 5 y 50 C. Al mismo tiempo, los procesos pueden operar a presiones de solo algunos kpa, es decir incluso al vació, pero también hasta alcanzar 5000 kpa. Así mismo, se caracteriza por la posibilidad de elección de los reactantes entre un amplio rango, tanto por su naturaleza como por su recuperación y, además, por el alto grado de control que se puede ejercer sobre las reacciones que utiliza. La facilidad con la cual muchos minerales de cobre son lixiviados (disueltos) a través de procesos naturales, combinada con la nobleza del metal y, por tanto, con su fácil recuperación a partir de las disoluciones que lo contienen, son las dos principales razones que explican la temprana hidrometalurgia de este metal. Sin embargo, de manera general, la hidrometalurgia no ha sido una alternativa comercial para la obtención de distintos metales; varios factores son responsables de este tardío desarrollo de la hidrometalurgia frente a la pirometalurgia. Primero, la vía húmeda utiliza reactivos ácidos y básicos y, en general, reactivos inorgánicos y orgánicos (Ballester, 000). 5.. Descripción del proceso hidromelatúrgico El mineral de cobre, si se encuentra el metal en forma de óxidos, se lixivia (disuelve) en pilas, mediante el riego de una disolución acuosa de ácido sulfúrico, obteniendo una solución de sulfato de cobre, con bajo contenido de cobre. La disolución de bajo contenido de cobre con otros metales e impurezas se trata con un reactivo extractante orgánico, en un circuito cerrado y a contracorriente, que extrae el cobre y permite obtener un electrolito con alto contenido de cobre y limpio de todos los elementos indeseables..la disolución con un alto contenido de cobre y limpia de impurezas pasa a las celdas de electrólisis, donde la energía eléctrica hace que los iones de cobre presentes en la solución se depositen en los cátodos, de ahí su nombre de electrodeposición. La solución pobre de Cobre se recircula al proceso de lixiviación oxidativa. 15

16 CONCENTRADO DE COBRE LIXIVIACION OXIDATIVA SOLUCIÓN DE Cu CuSO 4 Y OTROS ELEMENTOS EXTRACCION POR SOLVENTES SOLUCION RICA Cu ELECTROOBTENCION SOLUCION POBRE Cu CATODOS DE COBRE 99, 99% Figura 8. Proceso hidrometalúrgico para la obtención de Cobre a partir de minerales oxidados 16

17 6.- DEFINICION DEL PROCESO PROPUESTO 6.1- Calcopirita La calcopirita es el mineral de cobre más ampliamente distribuido en el mundo. Se deriva su nombre del griego khalkós, cobre y pyrós, fuego, pirita de cobre. Su fórmula es CuFeS. Contiene el 34.5% de cobre, el 30.5% de hierro y el 35% de azufre. Frecuentemente se encuentra en masas compactas empañadas; los cristales, tetraédrico, son raros. La mayoría de las veces se le encuentra en forma masiva. Se confunde fácilmente con la pirita, pero su color es más amarillento. Comúnmente se encuentra en zonas mineras como las hay en México, principalmente en Sonora (Mingot, 1997). 6.- Concentrados de cobre El concentrado de cobre es un producto obtenido a partir de un proceso de flotación de material de alta ley (mineral rico en cobre, se refiere a un minado selectivo del mejor mineral en un depósito, aproximadamente 1% de Cu en el mineral) extraído de las minas, que contiene sulfuros de cobre, con contenidos de plata, oro, hierro y otros elementos insolubles (Appold, 198). Las etapas previas para la obtención de concentrados de cobre son: a) Extracción de los minerales de la mina b) Trituración c) Molienda d) Flotación e) Filtración y secado (Brown, 198) Proceso de extracción de cobre a partir de electro-reducción de calcopirita. El diagrama esquemático del proceso propuesto se muestra en la Figura 9. Los concentrados de cobre se suspenden en una solución de ácido sulfúrico ( M H SO 4 ) y sulfato de sodio (1 M NaSO 4 ), donde se lleva a cabo la reducción, mediante dos electrodos, a los cuales se les induce una corriente durante el tiempo que durara la reacción de reducción. Posteriormente se separan la solución del sólido, el cual contiene el cobre transformado a calcocita (Cu S) con minerales inertes. La solución, rica en iones Fe +, deberá disminuir en concentración mediante la electrodepositación del metal. Las soluciones tratadas (despojadas) se recirculan al proceso. El sólido rico en cobre, que se ha mencionado arriba, pasa a una solución de ácido peroxodisulfúrico, con la finalidad de obtener los iones Cu + en solución. Nuevamente se separa un sólido, del cual son recuperados los metales de valor agregado (plata y oro) en otro proceso. Los iones de Cu + contenidos en la solución oxidante son electrodepositados y esta última solución se recircula al proceso de oxidación. 17

18 CONCENTRADO DE COBRE REDUCCIÓN FILTRAR CATODOS DE COBRE 99.99% SOLUCION Fe SÓLIDO DEPOSITO DE HIERRO OXIDACIÓN ELECTRO-DEPOSITO SÓLIDO CON METALES DE VALOR AGREGADO (Au y Ag) Fe o G FILTRAR SOLUCION Cu + Figura 9. Proceso propuesto para la obtención de cobre a partir de concentrados de calcopirita Las reacciones que se llevan a cabo durante el proceso son las siguientes: Lixiviación Reductiva Electro-asistida. CuFeS + 5H + + 3e - ½Cu S + Fe + + 1½H S + H (Cátodo) 1½H S 1½S 0 + 3H + + 3e - (Ánodo) Lixiviación Oxidativa Cu S + H S O 8 +4H + Cu + + 4H SO 4 + S Electrodepositación de hierro Fe + + e- Fe (reacción catódica principal) H + + e- H (reacción catódica secundaria) Producción del agente oxidante, acido peróxido-disulfúrico H SO 4 H S O 8 + H + + e- (reacción anódica principal) H O ½O + H + + e- (reacción anódica secundaria) 18

19 Electrodepositación de Cobre Cu + + e- Cu H + + e- H 7.- DESARROLLO EXPERIMENTAL Metodología experimental La operación de lixiviación se llevó a cabo con una relación de 50 g / 1 litro de solución, siendo la cantidad de sólidos mas adecuada para realizar el deposito de Fe +. En la oxidación se trabajó con una relación de 100g / 1 litro de solución. Todos los procesos se llevan a cabo a temperatura ambiente Reducción La electro-reducción se llevó a cabo dentro de una celda electrolítica tipo lote, compuesta por un ánodo y un cátodo inmersos en una solución de ácido sulfúrico M y sulfato de sodio 1M, como se muestra en la Figura 10. Figura 10 - Equipo utilizado para la electroreducción. La celda electrolítica comprende los siguientes accesorios: un vaso de precipitados de 600 ml, un agitador mecánico con flecha de teflón y una fuente de poder. Se emplearon una placa de aluminio reticulado (10 ppi) de alta pureza, proporcionado por Energy Research and Generation, Inc. como cátodo y una placa de DSA (oxido de rutenio sobre titanio, Dimensionally Stable Anode, Eltech, Inc), como ánodo. 19

20 Para realizar los experimentos se empleó el concentrado de calcopirita con fracción de mallas (75-150µm) de Sabinas (Coahuila, Industria Peñoles, S.A.), cuyo contenido es de 60-6% calcopirita (CuFeS ), 1-14% pirita (FeS ), 10% esfalerita (ZnS), 6% galena (PbS), Ag: g/ton, Au: < 1 g/ton e inertes. El procedimiento consistió en cargar el concentrado (.5 g, 1.5 g ó 5 g) en la celda electrolítica y se adicionaron 50 ml de una solución 0.5, 1, 1.5 ó M de ácido sulfúrico (J.T. Baker, 99.% pureza) y sulfato de sodio 1M. Se suspendió el concentrado por medio de la agitación mecánica a una velocidad de 400 rpm para formar una lechada (lodo) homogéneo, a temperatura ambiente. Después, se aplicó, por medio de la fuente de poder (BK Precisión. Modelo 35B), diferentes intensidades de corriente de (0.3 a 1A), para iniciar la reacción de reducción del concentrado. Durante el período de experimentación se tomaron muestras cada hora de la solución y se analizó la cantidad de hierro, utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica (Varian SpectrAA 0fs). Una vez concluida la reacción, se filtró y lavó la lechada, obteniendo el licor y el mineral sólido; el cual se lavó con agua desionizada, obteniendo el residuo del mineral que se dejó secar (residuo electroreducido ó RE) Oxidación El mineral reducido pasó a un proceso de oxidación, que operó en un reactor batch, el cual fue inmerso en un baño maría, como se muestra en la Figura 11. Se utilizó inicialmente peróxido de hidrogeno como agente oxidante en una solución acuosa ácida (1 M H SO 4 ), después se produjo in situ, mediante un proceso de oxidación electroquímica, el ácido peroxodisulfúrico el cual fue utilizado finalmente como agente oxidante. Figura 11. Equipo utilizado para la etapa de oxidación del residuo electroreducido (RE) El reactor por lotes consiste en un vaso de precipitado de 600 ml y un agitador mecánico con flecha de teflón. Se utilizó un baño maría (marca Haake) a temperaturas de 5 a 60 C. 0

21 El proceso consistió en añadir el mineral reducido (1 g) en el reactor por lotes, posteriormente se agregó 100 ml de una solución 1 M de ácido sulfúrico, y 1 ml de peroxido como agente oxidante. Para mantener la solución homogénea se utilizó una agitación mecánica a una velocidad de 400 rpm. El reactor por lotes fue sumergido en un baño Maria. Durante el transcurso de la experimentación (3 horas), se tomaron muestras cada hora de la solución del reactor; se analizaron estas muestras en el espectrofotómetro de absorción atómica, para conocer la concentración de cobre presente en la solución. Una vez finalizada la oxidación, se filtró y se lavó con agua desionizada Producción de ácido peroxodisulfúrico La producción de H S O 8 se llevó a cabo dentro de un reactor electrolítico tipo filtro prensa FM01-LC Figura 1, compuesto por un ánodo (boro dopado de diamante BDD) y un cátodo (acero inoxidable). Figura 1. Reactor electroquímico FM01-LC (Brown, 1994). Tabla 1. Parámetros del reactor FM01-LC Altura del electrodo (B) 4.0 cm Espacio del canal (S) 0.9 cm Longitud del electrodo (L) 16 cm Área del electrodo (A) 64 cm Volumen del promotor de turbulencia 7.0 cm 3 (VPT) Volumen del canal del reactor Vc=B*S*L 57.6 cm 3 Fracción vacía adimensional ε= VPT/Vc) Área transversal AT=B*S 3.6 cm Volumen del reactor VR=B*S*ε*L 50.6 cm 3 Diámetro equivalente de=*b*s/(b+s) 1.47 cm Volumen a electrolizar (VE) 1000 cm 3 El equipo montado experimentalmente se muestra en la Figura 13. 1

22 Figura 13. Equipo para la producción de ácido peroxodisulfúrico La celda electrolítica comprende los siguientes accesorios: (1) ph-metro, () Electrodo de referencia de sulfatos, (3) Electrodo de titanio; estos tres forman el dispositivo para seguir la reacción mediante potencial redox. (4) celda FM01-LC, (5) contenedor de la solución electrolítica, (6) bomba y (7) fuente de poder. Las condiciones electroquímicas fueron corriente de 0.6 A para obtener una densidad de corriente A / cm, flujo volumétrico de 5 L/ min (Michaud, 003). El procedimiento consistió en preparar la solución de ácido sulfúrico uno molar colocarla en el contenedor, armar la celda verificando que todas las conexiones estén correctamente para evitar resistencias, aplicar la corriente con la fuente Iniciar el proceso con las condiciones mencionadas arriba y seguir la reacción de oxidación durante tres horas. Las reacciones que se presentan son: H SO 4 H S O 8 + H + + e- (reacción anódica principal) H O ½O + H + + e- (reacción anódica secundaria) Remoción de hierro Inicialmente se realizaron experimentos de extracción por solventes para la remoción del hierro, utilizando el siguiente procedimiento: a partir del licor de hierro obtenido de la electroreducción se tomó 5 ml de éste, al cual se le agrego 5 ml de extractante. Ambos se mezclaron y por medio de papel separador de fases, se realizó la separación de fases. Para verificar el resultado de la extracción, se tomó una muestra de 1 ml de la solución acuosa obtenida y se colocó en un matraz de 5 ml que se aforo con agua desionizada; esta muestra se analizó en el espectrofotómetro de absorción atómica, para conocer la concentración de hierro presente en la solución.

23 Los resultados no fueron favorables, evidenciado porque la concentración en todo momento era la misma, es decir no había extracción de hierro. Por lo tanto se modificó el proceso, optando por realizar experimentos para tratar de electrodepositar el hierro. La intención de lo anterior es rducir la concentración de la solución para recircularla y obtener el hierro metálico como un producto vendible. Por esta razón se realizaron estudios voltamperométricos con la finalidad de encontrar el material adecuado para el depósito de hierro. El desarrollo experimental se llevó a cabo de la siguiente manera: se empleó una celda de vidrio PyrexL de 100 ml de capacidad con un sistema de tres electrodos como se muestra en la Figura 14. Figura 14. Arreglo de la celda de vidrio Pyrex de tres electrodos utilizada para los estudios voltamperométricos Los electrolitos, utilizados para generar los voltamperogramas características, fueron una solución de H SO 4 1 M (blanco) y la solución que se obtuvo de la etapa de electroreducción con concentración 1M de H SO 4, que contiene los iones Fe + disueltos. Se montó la celda descrita anteriormente, variando el material del electrodo de trabajo (discos planos de aluminio, plomo, acero inoxidable y titanio) con área geométrica conocida. El electrodo de trabajo fue pulido con acabado espejo, utilizando polvo de alumina (tamaño de partícula 0.5 y 1 µm). Después de pulir, fue enjuagado con agua desionizada y sometida a vibración ultrasónica durante 10 minutos para eliminar los residuos de alumina y grasa. Finalmente, es colocado en el disco rotatorio. Como electrodo de referencia se empleó un electrodo de sulfatos y como contraelectrodo se utilizó una barra de grafito. La metodología para realizar este estudio se describe a continuación. Se midió el potencial de circuito abierto (OCP, por sus siglas en inglés) para que éste sea el punto de inicio de la corrida. Se establece el límite del potencial reductivo (potencial 1 en la dirección a potenciales negativos donde se puede observar la reducción de especies). Se establece el límite del potencial oxidativo (potencial en la dirección a potenciales positivos donde se puede observar oxidación de especies). La voltamperograma termina en el OCP 3

24 Las perturbaciones que se realizan son cambio de vértices 1 y, además de que se varió la agitación para evitar la acumulación de burbujas de hidrogeno que se forman durante el proceso y minimizan el área de contacto. La voltamperometria se llevó a cabo con un potenciostato PGSTAT 100 de Autolab y son registradas en la computadora por medio del software ECHEM. 8.- RESULTADOS DE LA EXPERIMENTACIÓN Se presentan los resultados de experimentos en cada una de de las etapas del proceso en sus respectivos incisos. Al final se ofrecen apreciaciones acerca de la manera de proceder en cuanto al diseño del proceso Reducción Como se mencionó anteriormente, la reacción de reducción de la calcopirita involucra su transformación a otro sólido que es más fácilmente oxidado en una etapa posterior. A mismo tiempo, en el ánodo se convierte el H S a azufre. Se puede seguir el avance de la reacción, midiendo la liberación de Fe + hacia la solución. CuFeS + 5H + + 3e - ½Cu S + Fe + + 1½H S + H 1½H S 1½S 0 + 3H + + 3e - Los resultados de una reducción típica se muestran en la Figura 15. Se observa un aumento de la concentración con respecto al tiempo. Sin embargo, este comportamiento no es lineal ya que, conforme se lleva a cabo la reacción, la parte de la partícula que todavía tiene calcopirita se va reduciendo de tamaño, y por ende el área superficial en contacto con la solución. Aunque todavía no ha reaccionado toda la calcopirita a las catorce horas, se observa un estancamiento de la concentración de hierro en solución (Fe) y esto se debe en parte a que tan elevadas cantidades de hierro compiten con la calcopirita por los electrones y afecta negativamente la velocidad de reacción. Para determinar la importancia del efecto negativo de la concentración elevada de Fe + en solución, se realizaron dos lixiviaciones en las mismas condiciones durante los primeras 8 horas; luego en la muestra denominada con hierro se siguió con la lixiviación, pero con la otra (sin hierro), se sustituyó la solución con hierro con una nueva y se siguió la lixiviación. En la Figura 16 se puede observar un comportamiento similar. Sin embargo, al final, la solución sin hierro continúa ascendiendo, mientras la extracción normal se estanca. 4

25 CONVESION (X) DE HIERRO TIEMPO (HORAS) Figura 15. Disolución de hierro calcopirítico versus tiempo durante la electroreducción del concentrado de calcopirita. Condiciones: 1.5 g concentrado en 50 ml de 1 M H SO 4 a temperatura ambiente, 3.76 V y 1A CONVERSION (x) DE HIERRO sin hierro TIEMPO (HORAS) con hierro Figura 16. Comparación de la extracción de hierro versus tiempo durante la electroreducción del concentrado de calcopirita en a) Reducción normal, b) Reducción normal durante 8 horas, se filtró y se redujo 8 horas con solución nueva. Condiciones: 5 g concentrado en 50 ml de H SO 4 1 M, a T ambiente con A. Se realizaron una serie de experimentos con la finalidad de verificar si el proceso se puede aplicar a minerales no concentrados. Se lixiviaron utilizando el mismo procedimiento a tres diferentes materiales: 1) el concentrado antes descrito, ) calcopirita pura (98%) y 3) el mismo mineral de Sabinas, pero sin concentrar. De acuerdo a los resultados mostrados en la Figura 17, como conversión de la calcopirita en la muestra versus tiempo, se observa que en el mineral sin concentrar la velocidad de reacción es lenta en las primeras dos horas pero finalmente se puede extraer mas del 60 %, mientras que en el mineral concentrado se extrae mas del 70 % y en el mineral puro mas de un 80% en el mismo tiempo. Lo anterior permite 5

26 inferir que la pureza del mineral influye sobre la velocidad de reducción, probablemente debido a un efecto de la conductividad en la fase sólida CONVERSION (X) DE HIERRO puro sin concentrar concentrado TIEMPO (HORAS) Figura 17. Comparación de la extracción de hierro versus tiempo durante la electroreducción del concentrado de calcopirita, calcopirita pura y mineral sin concentrar. Condiciones:.5 g concentrado en 50 ml de 1 M H SO 4 a T ambiente con.68 V y 1 A. Una de las variables que más influyen en la cinética de transformación de calcopirita es la temperatura. En la Figura 18 se observa que la concentración de hierro a temperaturas de 40 y 60 C es mayor que a temperatura ambiente. Sin embargo, entre las primeras dos no hay diferencia y, por lo tanto, no tiene caso aumentar la temperatura a mas de 40 C. Además, la diferencia entre las velocidades a la temperatura ambiente y 40 C no justifica en esta etapa que la reacción se lleve a cabo a temperaturas mayores de la ambiental. 0.9 CONVERSION (X) DE HIERRO TIEMPO (HORAS) T ambiente 40 C 60 C Figura 18. Comparación de la disolución de hierro versus tiempo durante la electroreducción del concentrado de calcopirita. Condiciones: 1.5 g concentrado en 50 ml de 1 M H SO 4.a T 60 C, 40 C y T ambiente con.68 V y 1ª. 6

27 Suposiciones y cálculos para determinar la cinética. Los moles de ion ferroso extraídos, Fe +, son iguales a las moles de calcopirita que han reaccionado. Los electrones (e - ) y el ácido son los reactivos. Se realizaron experimentos a diferentes temperaturas con una menor cantidad de concentrado para determinar parámetros cinéticos (.5 g concentrado en 50 ml de 1 M H SO 4 ) De acuerdo a los resultados de los experimentos, los datos fueron ajustados al modelo del núcleo decreciente con control por la reacción, porque el comportamiento del sistema concuerde con las suposiciones consideradas: isotérmico, la partícula mantiene la forma esférica durante toda la reacción, la resistencia por transferencia de masa en la película estancada del fluido alrededor del sólido es despreciable debido a la agitación utilizada en el reactor y, por lo tanto, la concentración del reactivo en la superficie es considerada igual y constante en todas las partículas. Se está suponiendo que el hidrogeno monoatómico, producido por los electrones, es el reactivo que reduce el hierro al contactar el sólido con el electrodo. La velocidad total es la velocidad expresada en término de las propiedades del fluido global. Las concentraciones tanto del hidrógeno monoatómico en la superficie del electrodo como del ion hidronio (H 3 O + ) son consideradas constantes. Considerando que la reacción química controla la cinética de reducción de la calcopirita, se puede escribir lo siguiente: rs ρ r B c ρ r t = B s 1 = n bm Bk( CA) b r s kca 3 ( 1 (1 x) 1 / ) Donde la concentración C A es constante y la cinética de la reacción es de primer orden, ρb es la densidad de B en el sólido, r s es el radio inicial de la partícula. Por lo tanto tenemos: Brs t = ρ kc A ρ r Si K = kc 1/ 3 ( 1 (1 x) ) B s 3 1 ( 1 (1 x) 1/ ) = t A = kt K En la Figura 19, se grafican los datos de conversión de acuerdo a la funcionalidad de la ecuación anterior a las diferente temperaturas y se puede encontrar el valor de k para cada temperatura (Figura 18). 7

28 Figura 19. Datos cinéticos a diferentes temperaturas graficados de acuerdo con el modelo del núcleo decreciente Oxidación En esta sección, se probaron diferentes oxidantes y condiciones con la finalidad de extraer la mayor cantidad de cobre que se encuentran en los residuos de la lixiviación reductiva (MR). A partir de los datos obtenidos que se muestran en la Tabla, se observa que los diferentes agentes oxidantes y condiciones no son favorables. Tabla. Cobre extraído del mineral reducido (MR) con diferentes soluciones para oxidar. Proporción: 1 g MR por 100 ml de solución 1 M H SO 4 Temperatura ( C) Cantidad de H O al 30% (ml) Tiempo (horas) g de Cu /g de MR H SO H SO 4 con Fe de reducción H SO 4 con nitrato de plata H SO 4 con Sulfato férrico H SO 4 con Etilenglicol H SO 4 con Etilenglicol ambiente De acuerdo a los datos anteriores se busco un oxidante más fuerte, proponiendo el ácido peroxodisulfúrico, el cual fue producido in situ obteniendo un 90% de recuperación de Cobre. 8

29 8.3.- Producción de ácido peroxodisulfúrico P O T E N C IA L D E O X ID A C IO N ( m V ) TIEMPO (MINUTOS) Figura 0. Cambio del potencial redox con respecto al tiempo de reacción. Se puede observar de la Figura 0 que conforme transcurre el tiempo el potencial se hace más positivo, lo cual nos indica la formación del ácido peroxodisulfúrico. Una vez producido el ácido, se puso en contacto con el residuo de la electroreducción, obteniendo ion cúprico en solución Remoción de hierro La remoción del hierro de las soluciones hidrometalúrgicas es uno de los problemas más complejos de la industria minera. En este caso, por cada mol de calcopirita reducida, se libera hacia la solución un mol de Fe +. Para poder reutilizar la solución ácida, se tendrá que remover el hierro, preferentemente en un estado vendible. Como se mencionó anteriormente, los resultados de extraer y concentrar por solventes no eran buenos, debido a que no se encontró un extractante eficiente y selectivo. Por eso, la siguiente alternativa considerada era la electrodepositación directa de hierro metálico a partir de la solución ácida de reducción. Para determinar las condiciones adecuadas para electrodepositar el hierro, se realizaron experimentos electroquímicos de voltamperometría cíclica, en donde los picos que aparecen indican los procesos de reducción y oxidación. En la Figura 1, donde aparece el voltamperograma de únicamente el medio (1 M H SO 4 ), se observa que el ácido es reducido en un potencial de -1.1 V aproximadamente. Al regresar hacia los potenciales menos negativos se observa un pico de oxidación; como el 9

30 medio es solo electrolito de acido sulfúrico, este pico corresponde a oxidación del electrodo (titanio). En la Figura se han superpuesto los dos registros que se obtuvieron sobre electrodo de titanio, con límites de 1.1 V y 1. V. Cuando se aplicó el ciclo a potenciales de -1. V, el regreso de la grafica es por debajo de su recorrido inicial debido a que ya hay una cantidad mayor de hidrógeno formado y éste obstruye el área de contacto. Asimismo, cuando se aplicó el ciclo a un potencial de V la grafica muestra un comportamiento similar, pero cruza hacia potenciales menos negativos. Figura 1. - Voltamperograma cíclico obtenido sobre electrodo de Titanio en electrolito de 1 M H SO 4 sin agitación. 30

31 .00E E+00 I (Ampers) -.00E E E E E E E E-01 V (volts) Figura. - Voltamperograma cíclico obtenido sobre electrodo de Titanio en electrolito de 1 M H SO 4 sin agitación. Para comparar, se realizaron los mismos experimentos sobre un electrodo de Aluminio. Se puede apreciar en el Figura 3 que la reducción del medio con el electrodo de aluminio se presenta a un potencial de -1.6 V, mas negativo que en electrodo de titanio, en el cual la reducción del medio esta en -1.1 V. Además, el regreso hacia potenciales menos negativos se realiza sobre sí misma, y cruza muy cerca del OCP. 31

32 1.00E E-0 I (Amper) 0.00E E E E E E E+00 V (Volts) Figura 3. Voltamperograma cíclico obtenido sobre electrodo de Aluminio en electrolito de 1 M H SO 4 En la Figura 4 se superpusieron los datos de tres voltamperogramas obtenidos del trabajo realizado en el electrolito de 1 M H SO 4 con el electrodo de aluminio, para verificar si existe reproducibilidad en los experimentos; se observa que su comportamiento es semejante aún cuando las corridas hacia potenciales negativos son diferentes. Estos datos se llevaron a cabo sin agitación, se realizó el voltammograma hasta potenciales de -1.8 V, regresando por abajo, lo cual indica que el área de contacto del electrodo con la solución es menor por la formación del hidrogeno. 3

33 Figura 4. Comparación Voltamperograma obtenido sobre electrodo de Aluminio en electrolito de 1 M H SO 4 sin agitación. La Figura 5 muestra el comportamiento que se obtuvo con el electrodo de Aluminio en la solución con hierro, observando que existe un pico de reducción desde 1.3 V, lo cual indica que hay una especie reduciéndose antes que el medio. Se observa (no mostrado aquí) que en la oxidación se forma un pico en V, siguiendo su trayectoria hacia el potencial de 0 V, donde regresa para terminar el ciclo en el valor del OCP. Para comparar el comportamiento que existe entre las voltamperometrías cíclicas realizadas en la solución de 1 M H SO 4, con y sin hierro, se sobrepusieron los datos obtenidos (Figura 6). Se observa un pico de oxidación en -850 mv para las voltamperometrías cíclicas en el electrolito con hierro, mientras que en los blancos no se observa este pico. Además, la reducción empieza antes en el electrolito con hierro que en el blanco, lo cual lleva a pensar que el pico corresponde a hierro que se ha reducido antes y en su regreso se observa el pico de oxidación. Este resultado es una importante evidencia que es posible reducir directamente el hierro a partir de las soluciones de lixiviación. 33

34 -1.90E E E-01 I (ua) -1.50E-03 E (V) -3.50E-03 blanco Solucion de Fe Figura 5. Comparación de voltamperogramas cíclicos obtenidos del electrodo de Aluminio en el electrolito de 1 M H SO 4, con y sin hierro. Figura 6. Voltamperogramas cíclicos superpuestos para experimentos en solución de 1 M H SO 4, con y sin Fe +. Otro material de electrodo que se probó fue el plomo, donde se observó la formación de un pico de reducción no muy fino en el blanco como en el electrolito de hierro (Figure 7); además existen dos picos de oxidación para el caso del electrolito con hierro, el primero de los cuales podría indicar la oxidación del hierro. 34

35 Elctrolito con hierro I (Microampers) Blanco V (milivolts) Figura 7. Voltamperograma obtenido sobre el electrodo de plomo con electrolito de 1 M ácido sulfúrico, sin (blanco) y con hierro. Para el caso cuando se utilizó el electrodo de acero inoxidable, con una solución 1 M H SO 4 (blanco) y la solución de hierro con zinc, se tiene un comportamiento similar, por lo que, se concluyó que no hubo una reducción, como se muestra en la Figura E E E E E E-03 I (ma) -1.00E-0 E (mv) -1.50E-0 Solución de Fe con Zn Blanco Figura 8. Comparación de voltamperogramas obtenido de electrodo de acero inoxidable en solución de acido sulfúrico y solución de hierro con zinc. 35

36 La conclusión de los experimentos anteriores es que el aluminio es el material más adecuado para llevar a cabo la electrodeposición de hierro sobre estos experimentos. De acuerdo a los resultados obtenidos durante la experimentación, se han realizado varias modificaciones al proceso propuesto inicialmente. Por ejemplo, la extracción por solventes de hierro (Fe) será sustituida por el electrodepósito directo de hierro (Fe), para el cual se estudió su reducción y la evolución del hidrógeno sobre varios metales. Se encontró que para el titanio, plomo y acero inoxidable la evolución del hidrogeno se presenta antes de la reducción del hierro; por tal motivo, no es posible el deposito del hierro sobre estos metales. Para el caso del electrodo de aluminio, se observa un cambio en el cual se concluye que se lleva a cabo el depósito de hierro. Para el caso de la oxidación, el mineral se oxidara con perdisulfuro producido en situ. Por otro lado, con los experimentos realizados en la parte de electrolixiviación de la calcopirita, se ha observado que es posible no solo llegar a calcocita, sino hasta el cobre. Por esta razón se seguirá experimentando y tal vez se mejorará la etapa de oxidación. En últimas fechas se publicó un artículo (Mostad, 007), en el cual se logra el depósito de hierro a partir de soluciones de ácido sulfúrico. Finalmente, la cinética que se requiere para el diseño de la celda electrolítica por lotes, fue determinada mediante el modelo del núcleo decreciente con control por reacción química. 9.- ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO REACTOR DE LIXIVIACION Para maximizar el contacto entre el concentrado de calcopirita y el cátodo, la reducción de la calcopirita se lleva a cabo en un reactor electrolítico tipo ciclón que se fabricará de aluminio (cátodo) cubierto por detrás con un polímetro aislante. En el centro del reactor está el ánodo, cuyo material es de Oxido de rutenio (DSA R ). A los electrodos se les induce corriente. Para mantener las condiciones de operación y el tiempo de residencia del mineral dentro del reactor, la lechada de mineral será recirculado durante el proceso con una bomba. El diseño y dimensiones se muestran a continuación. 36

37 I B A H D E F G A = 0.05 m B = 1.5 m C = 0.05 m D = 3 m E = 1.05 m F = 6 m G = 7.35 m H = 7 m I = 0.15 m C Figura 9. Reactor electrolítico de tipo ciclón REACTOR DE OXIDACION El reactor que se utiliza en la oxidación es un reactor tipo batch de acero 316 con una altura y diámetro de.5 m. Se colocará un agitador de acero 304 con 6 aspas para favorecer la reacción que tendrá una velocidad de agitación de 00 r.p.m., así como 4 deflectores. Para que se lleve a cabo la oxidación se usarán 100 g de mineral por cada litro de ácido peroxodisulfúrico. Para separar el sólido del líquido, se dejará un tiempo para la sedimentación natural del mineral en el tanque y el líquido se vaciará por un lado utilizando una bomba que llevara a éste a la etapa de electrodepósito de cobre. 37

38 H D L J W E H =.5 m Dt =.5 m Da = 0.75 m L = 0.19 m W = 0.15 m E = 0.75 m J = 0.1 m Dt Figura 30. Dimensiones del reactor de Oxidación DEPOSITO DE HIERRO El depósito de hierro según (Mostad, 007) se lleva a cabo en un tanque de acero con un recubrimiento de caucho, que contendrá placas que serán los ánodos y cátodos, con un material de 1.75 % en peso de antimonio, 4.0 % en peso de tin y plomo balanceado para el ánodo y acero con una aleación de cobre para el cátodo. En los estudios realizados y presentados en este informe, se determinó que Aluminio es un material más adecuado que el acero inoxidable para el cátodo. Se usará una solución anolítica de g/l de ácido sulfúrico, g/l de sulfato de sodio y 5 g/l de hierro, asì como una solución catolítica de 5g/L de hierro y 100 g/l de sulfato de sodio con un ph de.0 (condiciones a la salida de la etapa de reducción de la calcopirita). Se deberá tener una temperatura de celda entre 75 y 80ºC, así como una densidad de corriente de.5 A dm - y un voltaje de celda de 3.75 V. Se usará un tanque con las dimensiones que se indican en el dibujo siguiente. 38

39 m m m 0.06 m m Figura 31. Forma de acoplamiento de electrodos para el depósito de hierro SECCIÓN DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO PEROXIDO-DISULFURICO Y DEPÓSITO DE COBRE. Para la producción de ácido peróxido-disulfúrico y recuperación de cobre se lleva a cabo en un reactor electrolítico tipo filtro prensa de placas dotado de dos compartimentos en el cual los ánodos son de boro dopado de diamante (BDD) porosos con una área activa de 0.19 m, los cátodos son de acero inoxidable movibles, membranas de separación. Habrá recirculación durante el tiempo de operación en cada uno de los compartimentos, cuya duración del proceso es de 3 horas, Se induce una corriente directa de 1.9 Amperes por electrodo ya que cada electrodo es de doble cara y por eso el área expuesta se duplica. El voltaje de celda es de 3.7 V. 39

40 Figura 3. Forma de acoplamiento de electrodos para el depósito de cobre BALANCES DE MATERIA El balance de masa se explica refiriéndose a la Figura 33. G Sección producción de peroxodisulfuro y deposito de cobre Estación eléctrica S 7 Sección oxidación G 3 1 Sección de electro lixiviación G Estación eléctrica 4 Sección deposito de hierro Figura 33 Diagrama esquemático de la planta 40

41 Tabla 3. Balances de matéria de cada corriente Solución electrolítica ton / h No corriente H O H SO 4 Na SO 4 Fe Mineral de cobre concentrado ton / h No corriente CuFeS Ag Au ganga S 1.3.4E-04.4E Solución electrolítica para deposito de hierro ton / h No corriente H O H SO 4 Na SO 4 Fe Solución electrolítica para deposito de cobre ton / h No corriente H O H SO 4 Cu + H S O Sólido reducido ton / h No corriente CuFeS Cu S Ag Au ganga Sº E-04.4E Sólido oxidado ton / h No corriente CuFeS Cu S Ag Au ganga Sº E-04.4E solución de peroxodisulfurico ton / h No corriente H O H SO 4 Cu + H S O Alimentación fresca No corriente H O H SO

42 Producción de cobre ton / h No corriente Cu producción de hierro ton / h No corriente Fe producción de hidrogeno ton / h No corriente H G 0.07 La base para desarrollar los balances de materia fue del 5% de la cantidad procesada en la Caridad Sonora mediante el proceso pirometarlúrgico, y corresponde a 47.6 ton / h POTENCIAL ECONÓMICO Los costos del equipo se obtuvieron por medio del programa Equip Cost. Tabla 4. Datos para el cálculo de potencial económico. Costos de equipo principal Equipo Unidades Costo unitario Total (US$) (US$) Reactor electrolítico tipo ciclón 7 108,700,934,900 reactor de oxidación 3 65, ,400 celda electrolítica deposito de hierro 4 78,00 31,800 celda electrolítica deposito de cobre y producción de peroxodisulfúrico 14 19, ,100 Bomba centrifuga 7 3,00 86,400 Bomba diafragma 3 40,600 11,800 Bomba diafragma 4 40,600 16,400 Bomba centrifuga 14 3,00,400 4,743,00 4

43 Costo de electrodos No de electrodos Área del electrodo m Área de superficie activa m Costo US$/m Total US$ Acero inoxidable ,590 Boro dopado de diamante ,370,880 DSA (oxido de rutenio) ,184 Aleación ( antimonio, titanio, plomo ) ,793 Hierro ,753 Total $,176,00 Costos de reactivos Agua (H O) Ácido sulfúrico (H SO 4 ) sulfato de sodio (Na SO 4 ) ton / dia Costo unitario US $ / ton Costo total US $ 1, , ,08, ,66,500 total $ 11,140,800 Costo de reactivos anuales ton / año precio US $ / ton $ / año Agua (H O) Ácido sulfúrico (H SO 4 ) sulfato de sodio (Na SO 4 ) , , ,60 total $ 56,380 Alimentación fresca de 5 % por pérdidas naturales. Costo de materia prima Ton / año Costo US$ / ton concentrado , Costos de electricidad para los reactores anual Densidad de corriente A/m Area de superficie m Intensidad de corriente en (A) Voltaje KW KW-h US$ / año RETC CE (Fe) CE(Cu, H S O 8 ) ,593,000 43

44 La inversión necesaria es US $18, 060,000 Costo anual de reactivos = US $ 564,000 Tabla 5. Cálculo de egresos totales US $ Costos internos 1,67,000 Costos externos 9,753,000 Costos directos 31,45,000 Gastos 1,571,000 contingencia 6,85,000 Costos indirectos 7,856,000 capital fijo 39,81,000 mantenimiento 1,57,000 mano de obra 98,000 egresos anuales,40,000 Los egresos anuales están determinados por el consumo de energía eléctrica, materia prima, mano de obra, mantenimiento e impuesto sobre la renta. La mano de obra se determina de la siguiente manera de acuerdo a la tabla 6. Necesidades de operadores para diferentes tipos de equipo de proceso (Uldrich, 1986). En este caso usaremos: Reactores 0.3 personas, considerando que la operación es continua y tomando en cuenta una jornada de 8 horas son necesarias 4/3 personas por reactor. Se requerirá el servicio de 50 operarios los cuales tendrán salario de 100 pesos por día, por tanto el costo de mano de obra anual es de es de US $ Los ingresos están constituidos principalmente por la venta del cobre y en una menor proporción por la venta de hierro. Ingreso anual por ventas se expresa como la tasa anual de producción por el precio de venta. En este caso esta constituido por la venta de cobre principalmente y la venta de hierro en menor proporción. El precio de Cobre hasta el 06 de junio del 008 es de US $ 3.7/lb, por lo que los ingresos correspondientes son US $ 9,677,361. Se debe considerar un Impuesto sobre la renta del 15 %, para los egresos anuales. De acuerdo a los resultados obtenidos se realizo el cálculo de la Tasa de Retorno de Inversión (TIR), que se muestra a desarrollo en la Tabla 5. 44

45 Tabla 6. Cálculo de la Tasa de Retorno de Inversión (TIR) Año INGRESOS EGRESOS ISR (15%) FLUJO EFECTIVO INTERES 1 INTERES -1 14,7, ,7, ,097, ,356, Por lo tanto la TIR = 1 % Para tener un proceso rentable es necesario que la tasa de retorno sea mayor del 10% por lo tanto concluimos que el proceso es rentable sin embargo la TIR puede aumentar optimizasando las partes mas caras del proceso IMPACTO AMBIENTAL La actividad minera, como la mayor parte de las actividades que el hombre realiza para su subsistencia, crea alteraciones en el medio natural, desde las más imperceptibles hasta las que representan claros impactos sobre el medio en que se desarrollan. El impacto ambiental de una actividad es la diferencia existente en el medio natural entre el momento en que la actividad comienza, el momento en que la actividad se desarrolla, y, sobre todo, el momento en que cesa. Así, en el momento actual existen normas muy estrictas sobre el impacto que puede producir una explotación minera, que incluyen una reglamentación de la composición de los líquidos desechados, de las emisiones de polvo, de ruidos, de restitución del paisaje, etc., que ciertamente a menudo resultan muy problemáticos de cumplir por el alto costo económico que representan, pero que indudablemente han de ser asumidos para llevar a cabo la explotación. Por otra parte, hay que tener en cuenta que la actividad minera no solo produce un impacto ambiental, también produce lo que se denomina Impacto Socioeconómico, es decir, una alteración sobre los modos de vida y la economía de la región en la que se implanta, que pueden ser en unos casos positivos y en otros, negativos. Debido al impacto ambiental de los procesos existentes, se buscan alternativas que no sean agresivas con el medio ambiente, así en la lixiviación reductiva el proceso opera a 45

46 temperaturas bajas y presión atmosférica, no hay producción de CO y SO y el consumo energético es bajo comparado con la pirometalurgia. Se disminuye el impacto al ambiente debido a que se recirculan en el proceso a la mayoría de los reactivos MANEJO DE LOS DESECHOS GENERADOS EN EL PROCESO Los desechos que provienen de la sección de oxidación, serán neutralizados y confinados a presas de jales que se ubicarán cerca de las instalaciones 1.- CONCLUSIONES Se puede ver que el proceso no es económicamente factible, ya que los egresos son muy elevados, sobre todo en la sección de la reducción electro-asistido. No obstante se pueden minimizar los costos en ésta sección, por ejemplo realizando una remolienda del mineral que puede disminuir el tiempo de reacción y por tanto, el número de reactores. En las secciones de electrolixiviación, depósito de hierro y producción de peróxido con depósito de cobre hay una generación de hidrógeno, el cuál puede ser canalizado a una sección para generar electricidad y así disminuir los costos BIBLIOGRAFÍA 1. Applod, H. Tecnología de los metales, editorial Reverté, 198. Ballester Antonio, Verdeja Luis Felipe, Sancho Jose, Metalurgia extractiva, Editorial Síntesis, España,1987 págs Bird, R. B., Stewart W. E. and Lightfoot E. N., Fenómenos de Transporte. Editorial Reverté, S.A. de C.V., México, Chang Raymond, Química, cuarta edición, Editorial McGraw-Hill, 1993México, D.F. págs , Coeuret, F., Introducción a la Ingeniería Electroquímica, Editorial Reverté, S.A., España, Douglas A. Skoog, Principios de análisis instrumental, 5ta edición, Editorial Mc Graw Hill, p.p Felder R. M., Rousseau R. W. Principios Elementales de los Procesos Químicos, da. Edición, Addison Wesley Iberoamericana, S. A., México, G.M.Ritcey y A.W.Ashbrook Solvent Extraction Principles and aplications to process metallurgy edit ELSEVIER 1984 ppg Geankoplis, C.H., Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, Segunda Edición, Continental, S.A. de C.V., México, Goodridge F. and Scout, K., Electrochemical Process Engineering: a guide to the design of Electrolytic Plant, Plenum Press, New York,

47 11. Guy Albert G, Metalurgia física para ingenieros, Fondo educativo interamericano, 1970, págs INEGI. Estadística de la industria minerometalúrgica 15. INEGI. Dirección general de estadística 16. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Vol. 9, Electroanalytical Techniques, pag Krisher, A. S., Siebert, O. W. Materiales de Construcción. H. Perry, Cecil H. Chilton, Don W. Green y James O. Maloney Manual del ingeniero químico / Vol., Secc. 3, pag a México : McGraw-Hill, L. Brown Theodore, Química la ciencia central, Quinta edición, Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, Mexico, D.F, Levenspiel, O. Flujo de fluidos e Intercambio de calor, Editorial Reverté, S.A., España, Levenspiel, O., Ingeniería de las Reacciones Químicas. 4ª. Reimpresión. Editorial Reverté, S.A. de C.V. México Lovera D, D.F., et al (000). Reducción carbotérmica de la calcopirita sin emisión contaminante, Rev. Inst. Investig. Fac. Minas metal cienc. Geogr. Vol.3, no.5, p.p McCabe, W. L., Smith J. C. and Harriot, P., Operaciones Básicas de Ingeniería Química. Cuarta Edición. McGraw Hill, México Mingot Galiana, Ciencias ilustradas, Ediciones Larousse, México D.F.1997 págs Mostad, E. Rolseth, S. Thonstad, J. Electrowinning of iron from sulphate solutions. Hydrometallurgy (007), doi: /j. hydromet Smith, J.M. (1981). Chemical Engineering Kinetics, Third Edition, Mc Graw Hill. 6. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. (SME), Principles of Mineral Processing, Edited by Fuerstenau M. C.and Han K. N., USA Sohn, H.Y., Cinetica de los procesos de la metalurgia extractiva, Editorial Trillas, págs , The Merck Index, an encyclopedy of chemical, drugs and biologicals, Twenty Edition 9. Weiss, N. L., Editor. SME Mineral Processing Handbook. Volumen

48 14.- APENDICE 1. Ubicación de la planta El municipio de Cananea está ubicado sobre la carretera federal No., entre las ciudades de Imuris y Agua Prieta. Se encuentra a una altitud de 1,600 metros sobre el nivel del mar.las ciudades importantes más cercanas, son: Nogales, Santa Ana, Agua Prieta y Nacozari, en Sonora; Cd. Juárez, en Chihuahua; El Paso, en Texas y Tucsón, Phoenix, Sierra Vista, Douglas y Nogales, en Arizona. Mapa 1. Estado de Sonora Clima Templado subhúmedo con lluvias en verano, de menor humedad en el 1.1% de la superficie municipal; Semiseco templado en el 89.61% y Seco templado en el 9.18%. La temperatura media anual en Cananea es de 16º C. La media máxima se presenta en los meses de julio y agosto y es de 40º C. La temperatura media mínima corresponde a los 1º C, en los meses de diciembre a febrero. Las precipitaciones pluviales son del orden de los 450 milímetros anuales. Específicamente en el Parque Industrial Cananea su acceso se ubica a 1.5 kilómetros de la mancha urbana de Cananea, a 00 metros del lado oriente del tramo de la Carretera Cananea-Imuris. Cuenta con los siguientes servicios a) Agua potable 48

49 El Parque Industrial de Cananea cuenta con una línea de alimentación de agua potable proveniente de la ciudad. Esta línea tiene un diámetro de 6 pulgadas, garantizando un abasto de 36 litros por segundo. Además, cuenta con una red interna de 1, 80 metros lineales de tubería de diámetros de 6 y 4 pulgadas. Cuenta también con 4 hidrantes contra incendio. b) Drenaje sanitario Se tiene un colector de 10 pulgadas, para aguas residuales, con una longitud de 790 metros, para descargar a la red municipal. La red interna de drenaje es de 1,333 metros, en diámetros de 8 pulgadas. c) Energía Eléctrica Contigua al parque industrial se encuentra una subestación de la CFE, que alimenta con 33,000 voltios a sus instalaciones, a través de una red de 1,191 metros de línea de conducción. Gracias al clima cananense, las empresas locales obtienen un importante ahorro derivado de la escasa necesidad de la utilización de equipos de aire acondicionado. d) Alumbrado público Se cuenta con una red interna de 1 lámparas suburbanas de vapor de sodio, de 100 watts. e) Pavimentos y guarniciones El área cuenta con 14 mil 930 metros cuadrados de pavimento asfáltico, reforzado en algunas áreas con concreto hidráulico. Se tienen mil 315 metros de guarniciones. f) Teléfono En las instalaciones del parque industrial se tiene contratado el servicio con TELMEX. Se dispone de 50 líneas para los usuarios. g) Espuela de ferrocarril La vía principal del ferrocarril pasa a 1.5 Km del parque industrial. SERVICIOS DE APOYO Talleres: En Cananea existen 8 establecimientos que ofrecen el servicio de mantenimiento y reparación de equipo. Para equipo muy especializado se traslada a Cd. Juárez, Hermosillo o Tucsón. Bancos: Los servicios financieros se prestan a través de 4 instituciones bancarias: Banamex, Bancomer, Banrural, BBV. Hospedaje: 49

50 Se cuenta con 5 hoteles de primera categoría, con una capacidad instalada de 00 habitaciones. Servicios Aduaneros: Los trámites de aduanas se llevan a cabo en las fronteras de Naco y Agua Prieta, a 56 y 8 kilómetros de Cananea, respectivamente. En Naco se cuenta con dos agencias aduanales con suficiente capacidad y por el bajo flujo de operaciones en esa puerta de entrada a los Estados Unidos, se tiene un importante ahorro en el tiempo que se realizan los trámites. (ver anexo 4) Servicios de paquetería: Tres empresas prestan el servicio de paquetería, carga y mensajería en el municipio de Cananea. Entregas Oportunas de Occidente (EOO), Aeroflash y Estafeta Mexicana, S. A. de C. V., que garantizan cobertura nacional al 100%. Adicionalmente Aeroflash ofrece servicios en los Estados Unidos, garantizando entregas rápidas. (ver anexo 5). Guarderías: El Ayuntamiento de Cananea presta servicio de guardería a todas las madres trabajadoras a través del Sistema DIF. Con el nombre de Centro de Atención y Desarrollo Infantil (CADI), esta guardería atiende niños desde 45 días de nacidos hasta los 6 años, pues cuenta con una extensión de educación preescolar. Empresarios locales han iniciado en el 000 la operación de la guardería Mitzy, prestando servicio gratuito a las madres trabajadoras afiliadas al Seguro Social. En ambas instituciones existen espacios disponibles para más niños, y existe la posibilidad de abrir nuevos centros similares, en caso de necesidad. Maderería, Ferretería y Materiales para la Construcción: En estos aspectos se cuenta con una amplia variedad de establecimientos. En Cananea se pueden adquirir maderas de buena calidad, a buenos precios, por su cercanía y accesibilidad a los aserraderos del vecino estado de Chihuahua. También se cuenta con una amplia gama de materiales para la construcción, herramientas, materiales para plomería y todo tipo de materiales de fierro y acero. Cuencas hidrológicas Del municipio de Cananea parten o por él cruzan las cuencas hidrológicas Bacanora- Mejorada; Río Concepción-Cocóspera y Río Sonora, hacia las costas del estado. También nace la cuenca del Río San Pedro, que se interna a los Estados Unidos de América. Comunicaciones y Transportes a) Carreteras La ciudad de Cananea se comunica al resto del país por el tramo de la Carretera Federal 0, Playa General Lauro Villar-Tijuana, y se encuentra exactamente en el punto medio del tramo que une a la ciudad de Imuris sobre la carretera No. 15- con la frontera de Agua Prieta, desde donde se puede comunicar con Chihuahua. Cananea se encuentra a 56 y 8 kilómetros, respectivamente, de las puertas de entrada al Estado de Arizona, en las fronteras de Naco-Naco y Agua Prieta-Douglas b) Transporte de Carga 50

51 Desde que el Grupo México, propietario de la mina de Cobre más grande de Cananea, adquirió el Ferrocarril del Pacífico, gran parte de su producción está siendo transportada por este medio,por esta razón, hoy más que nunca, las empresas de transporte de carga cuentan con la suficiente capacidad para satisfacer las necesidades locales y regionales. Además se cuenta con algunas empresas foráneas que prestan sus servicios para las empresas mineras y maquiladoras de la localidad. Se da una descripción detallada de ubicación, clima, servicios, accesos en el apéndice 3. La planta se ubicara en el municipio de Cananea, Sonora Los precios de los terrenos están en aproximadamente $ (MIL PESOS, M.N.) por metro cuadrado 51

52 15.- APÉNDICE. Hojas de seguridad de reactivos COBRE Elemento químico, de símbolo Cu, con número atómico 9; uno de los metales de transición e importante metal no ferroso. Su utilidad se debe a la combinación de sus propiedades químicas, físicas y mecánicas, así como a sus propiedades eléctricas y su abundancia. El cobre fue uno de los primeros metales usados por los humanos. La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita. El grado del mineral empleado en la producción de cobre ha ido disminuyendo regularmente, conforme se han agotado los minerales más ricos y ha crecido la demanda de cobre. Hay grandes cantidades de cobre en la Tierra para uso futuro si se utilizan los minerales de los grados más bajos, y no hay probabilidad de que se agoten durante un largo periodo. El cobre es el primer elemento del subgrupo Ib de la tabla periódica y también incluye los otros metales de acuñación, plata y oro. Su átomo tiene la estructura electrónica 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1. El bajo potencial de ionización del electrón 4s 1 da por resultado una remoción fácil del mismo para obtener cobre(i), o ion cuproso, Cu+, y el cobre(ii), o ion cúprico, Cu+, se forma sin dificultad por remoción de un electrón de la capa 3d. El peso atómico del cobre es Tiene dos isótopos naturales estables 63Cu y 65Cu. También se conocen nueve isótopos inestables (radiactivos). El cobre se caracteriza por su baja actividad química. Se combina químicamente en alguno de sus posibles estados de valencia. La valencia más común es la de + (cúprico), pero 1+ (cuproso) es también frecuente; la valencia 3+ ocurre sólo en unos cuantos compuestos inestables. Un metal comparativamente pesado, el cobre sólido puro, tiene una densidad de 8.96 g/cm3 a 0ºC, mientras que el del tipo comercial varía con el método de manufactura, oscilando entre 8.90 y El punto de fusión del cobre es de (+/-) 0.1ºC ( /- 0.ºF). Su punto de ebullición normal es de 595ºC (4703ºF). El cobre no es magnético; o más exactamente, es un poco paramagnético. Su conductividad térmica y eléctrica es muy alta. Es uno de los metales que puede tenerse en estado más puro, es moderadamente duro, es tenaz en extremo y resistente al desgaste. La fuerza del cobre está acompañada de una alta ductibilidad. Las propiedades mecánicas y eléctricas de un metal dependen en gran medida de las condiciones físicas, temperatura y tamaño de grano del metal. De los cientos de compuestos de cobre, sólo unos cuantos son fabricados de manera industrial en gran escala. El más importante es el sulfato de cobre(ii) pentahidratado o azul de vitriolo, CuSO 4. 5H O. Otros incluyen la mezcla de Burdeos; 3Cu(OH) CuSO 4 ; verde de París, un complejo de metaarsenito y acetato de cobre; cianuro cuproso, CuCN; óxido cuproso, Cu O; cloruro cúprico, CuCl ; óxido cúprico, CuO; carbonato básico cúprico; naftenato de cobre, el agente más ampliamente utilizado en la prevención de la putrefacción de la madera, telas, cuerdas y redes de pesca. Las principales aplicaciones de los 5

53 compuestos de cobre las encontramos en la agricultura, en especial como fungicidas e insecticidas; como pigmentos; en soluciones galvanoplásticas; en celdas primarias; como mordentes en teñido, y como catalizadores. Toxicidad El Cobre puede ser encontrado en muchas clases de comidas, en el agua potable y en el aire. Debido a que absorbemos una cantidad eminente de cobre cada día por la comida, bebiendo y respirando. Las absorción del Cobre es necesaria, porque el Cobre es un elemento traza que es esencial para la salud de los humanos. Aunque los humanos pueden manejar concentraciones de Cobre proporcionalmente altas, mucho Cobre puede también causar problemas de salud. Exposiciones de largo periodo al cobre pueden irritar la nariz, la boca y los ojos y causar dolor de cabeza, de estómago, mareos, vómitos y diarreas. Una toma grande de cobre puede causar daño al hígado y los riñones e incluso la muerte. Si el Cobre es cancerígeno no ha sido determinado aún. La producción mundial de Cobre está todavía creciendo. Esto básicamente significa que más y más Cobre termina en le medioambiente. Los ríos están depositando barro en sus orillas que están contaminados con Cobre, debido al vertido de aguas residuales contaminadas con Cobre. El Cobre entra en el aire, mayoritariamente a través de la liberación durante la combustión de fuel. El Cobre en el aire permanecerá por un periodo de tiempo eminente, antes de depositarse cuando empieza a llover. Este terminará mayormente en los suelos, como resultado los suelos pueden también contener grandes cantidades de Cobre después de que esté sea depositado desde el aire. Aplicaciones Gracias a las propiedades que tiene el cobre se hace indispensable en muchos aspectos de la vida cotidiana, tales como la alimentación, la trasmisión de la electricidad y la resistencia a ciertas bacterias. Incluso en la carrera espacial. Las ampolletas comunes tiene filamentos de cobre, los relojes tienen piezas interiores de aleación de cobre, las calculadoras están compuestas por pequeños circuitos hechos de cobre. Las computadoras tiene sofisticados circuitos eléctricos de cobre, necesarios para poder funciones, hay teteras, ollas y otros utensilios de cocina hechos de cobre ya que distribuyen el calor en forma mas homogéneo. Los circuitos eléctricos de los automóviles tienen cerca de 0 kilos de cobre en promedio. Más del 50 % es utilizado en el sector eléctrico, el resto es destinado a la construcción, a la arquitectura y al arte, y por lo tanto aplicación en nuevos sectores como es el caso de la tecnología de la información donde los chips han demostrado favorecer una mas rápida transmisión de datos en la Web. Propiedades del cobre Es un buen conductor eléctrico Es muy buen conductor térmico Tiene excelentes cualidades para el proceso de maquinado Tiene una lata capacidad de aleación metálica. Tiene una buena capacidad de deformarse en caliente y en frío 53

54 Mantiene sus propiedades en el reciclo Permite recuperar metales de sus aleaciones Es un elemento básico para la vida humana HIERRO El hierro es un elemento químico de número atómico 6 situado en el grupo 8 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe. Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante. Igualmente es uno de los elementos más importantes del Universo, y el núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Características principales: Es un metal maleable, tenaz, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fusión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones). Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión. A presión atmosférica: Hierro-α: estable hasta los 911 C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc). Hierro-γ: 911 C C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc). Hierro-δ: 139 C C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo. Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp). Toxicidad El hierro en exceso es tóxico. El hierro reacciona con peróxido y produce radicales libres; la reacción más importante es: Fe (II) + O Fe (III) + OH - + OH 54

55 Cuando el hierro se encuentra dentro de unos niveles normales, los mecanismos antioxidantes del organismo pueden controlar este proceso. La dosis letal de hierro en un niño de años es de unos 3 g. 1 g puede provocar un envenenamiento importante. El hierro en exceso se acumula en el hígado y provoca daños en este órgano. Aplicaciones El hierro es el metal más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. Fundamentalmente se emplea en la producción de acero, la aleación de hierro más conocida, consistente en aleaciones de hierro con otros elementos, tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un % de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es indispensable debido a su bajo precio y dureza, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo. ÁCIDO SULFÚRICO El ácido sulfúrico es un compuesto químico muy corrosivo cuya fórmula es H SO 4. Es el compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como uno de los tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una gran parte se emplea en la obtención de fertilizantes. También se usa para la síntesis de otros ácidos y sulfatos y en la industria petroquímica. Generalmente se obtiene a partir de dióxido de azufre, por oxidación con óxidos de nitrógeno en disolución acuosa. Normalmente después se llevan a cabo procesos para conseguir una mayor concentración del ácido. Antiguamente se lo denominaba aceite o espíritu de vitriolo, porque se producía a partir de este mineral. La molécula presenta una estructura piramidal, con el átomo de azufre en el centro y los cuatro átomos de oxígeno en los vértices. Los dos átomos de hidrógeno están unidos a los átomos de oxígeno no unidos por enlace doble al azufre. Dependiendo de la disolución, estos hidrógenos se pueden disociar. En agua se comporta como un ácido fuerte en su primera disociación, dando el anión monohidrogenosulfato, y como un ácido débil en la segunda, dando el anión sulfato. Además reacciona violentamente con agua y compuestos orgánicos con desprendimiento de calor Formación del ácido El ácido sulfúrico se encuentra disponible comercialmente en un gran número de concentraciones y grados de pureza. Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de cámaras de plomo es el más antiguo de los dos procesos y es utilizado actualmente para producir gran parte del acido consumido en la fabricación de fertilizantes. Este método produce un ácido relativamente diluido (6%-78% H SO 4 ). El proceso de contacto produce un ácido más puro y concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso de 55

56 catalizadores costosos. En ambos procesos el dióxido de azufre (SO ) es oxidado y disuelto en agua. El dióxido de azufre es obtenido mediante la incineración azufre, tostando piritas (Bisulfuro de hierro), tostando otros sulfuros no ferrosos, o mediante la combustión de sulfuro de hidrogeno (H S) gaseoso. Aplicaciones Se le emplea para la elaboración de baterías, como las baterías de los automóviles. AZUFRE El azufre es un elemento químico de número atómico 16 y símbolo S. Es un no metal abundante e insípido. El azufre se encuentra en sulfuros y sulfatos e incluso en forma nativa (especialmente en regiones volcánicas). Es un elemento químico esencial para todos los organismos y necesario para muchos aminoácidos y por consiguiente también para las proteínas. Se usa principalmente como fertilizante pero también en la fabricación de pólvora, laxantes, cerillas e insecticidas. Características principales Este no metal tiene un color amarillo, es blando, frágil, ligero, desprende un olor característico a huevo podrido al mezclarse con hidrógeno y arde con llama de color azul desprendiendo dióxido de azufre. Es insoluble en agua pero se disuelve en disulfuro de carbono. Es multivalente y son comunes los estados de oxidación -, +, +4 y +6. En todos los estados, sólido, líquido y gaseoso presenta forma alotrópicas cuyas relaciones no son completamente conocidas. Las estructuras cristalinas más comunes son el octaedro ortorrómbico (azufre α) y el prisma monoclínico (azufre β) siendo la temperatura de transición de una a otra de 96 C; en ambos casos el azufre se encuentra formando moléculas de S 8 con forma de anillo, siendo la diferente disposición de estas moléculas la que provoca las distintas estructuras cristalinas. A temperatura ambiente, la transformación del azufre monoclínico en ortorrómbico, es más estable y muy lenta. Al fundir el azufre, se obtiene un líquido que fluye con facilidad formado por moléculas de S 8, pero si se calienta el color se torna marrón algo rojizo y se incrementa la viscosidad. Este comportamiento se debe a la ruptura de los anillos y la formación de largas cadenas de átomos de azufre que pueden alcanzar varios miles de átomos de longitud que se enredan entre sí disminuyendo la fluidez del líquido; el máximo de la viscosidad se alcanza en torno a los 00 C. Enfriando rápidamente este líquido viscoso se obtiene una masa elástica, de consistencia similar a la de la goma, denominada «azufre plástico» (azufre γ) y formada por cadenas que no han tenido tiempo de reordenarse para formar moléculas de S 8 ; transcurrido cierto tiempo la masa pierde su elasticidad cristalizando en el sistema rómbico. Estudios realizados con rayos X muestran que esta forma amorfa puede estar constituida por moléculas de S 8 con estructura de hélice espiral. 56

57 En estado vapor también forma moléculas de S 8, pero a 780 C ya se alcanza el equilibrio con moléculas diatómicas y por encima de aproximadamente 1800 C la disociación es completa y se encuentran átomos de azufre. Aplicaciones: El azufre se usa en multitud de procesos industriales como la producción de ácido sulfúrico para baterías, la fabricación de pólvora y el vulcanizado del caucho. El azufre tiene usos como fungicida y en la manufactura de fosfatos fertilizantes. Los sulfitos se usan para blanquear el papel y en cerillas. El tiosulfato de sodio o amonio se emplea en la industria fotográfica como «fijador» ya que disuelve el bromuro de plata; y el sulfato de magnesio tiene usos diversos como laxante, exfoliante, o suplemento nutritivo para plantas Toxicidad: El disulfuro de carbono, el sulfuro de hidrógeno (sulfhídrico), y el dióxido de azufre deben manejarse con precaución. El sulfhídrico y algunos de sus derivados, los mercaptanos, son bastante tóxicos (más que cianuro). Aunque muy maloliente incluso en concentraciones bajas, cuando la concentración se incrementa el sentido del olfato rápidamente se satura o se narcotiza desapareciendo el olor por lo que a las víctimas potenciales de la exposición les puede pasar desapercibida su presencia en el aire hasta que se manifiestan sus efectos, posiblemente mortales. El dióxido de azufre reacciona con el agua atmosférica para producir la lluvia ácida. Irrita las mucosidades y los ojos y provoca tos al ser inhalado. Los vapores del ácido sulfúrico pueden provocar hemorragias en los pulmones, llenándolos de sangre con la consiguientemente asfixia. CALCOPIRITA La calcopirita es el mineral de cobre más ampliamente distribuido. Del griego khalkós, cobre y pyrós, fuego, pirita de cobre. Su fórmula es FeCuS 57

58 Propiedades Físicas Sistema cristalográfico Color Lustre Tetragonal Amarillo latón Metalico Dureza Fractura Exfoliación Raya Irregular Poco marcada Negra verdosa Dureza Peso específico 4.1 a 4.3 Aspecto Frecuentemente se encuentra en masas compactas empañadas, los cristales son raros. Se confunde fácilmente con la pirita pero su color es más amarillento. Comúnmente se encuentra en zonas mineras como las hay en México, un ejemplo claro Zacatecas. Yacimiento Se encuentra en general, en vetas metálicas o en rocas más antiguas, muchas veces con pirita o sulfuro de hierro en algunas ocasiones ACIDO PEROXODISULFURICO H S O 8 El ácido peroxodisulfúrico (H S O 8 ), es un compuesto químico real, de larga vida, el reactivo químico es eléctricamente neutro. 58