laboratorio hidrometalurgia

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA

Manual de Prácticas de laboratorio

Asignatura: Hidrometalurgia (1726)

Nombre de la Práctica

(1) Lixiviación ácida de un mineral oxidado de Cu (Malaquita)

Objetivos

Observar y entender, con un experimento sencillo de laboratorio la lixiviación e Hidrometulurgia de minerales.

Tiempo de realización de la práctica: 6 horas

Fundamentación.

Los procesos hidrometalúrgicos para la disolución (lixiviación) de cobre se utilizan sobre todo en minerales que contienen óxidos de cobre, de baja ley y/o complejos, y en menor escala o para tratar concentrados de sulfuros.Los minerales de óxidos de cobre pueden lixiviarse por diversos métodos (in situ en las minas, en terreros, en montones, o en tanques) dado que el cobre pasa fácilmente a la solución. Los reactivos lixiviantes más utilizados son ácidos diluidos (sulfúrico principalmente, Clorhídrico y nítrico ocasionalmente), o bien soluciones alcalinas amoniacales de carbonato de amonio. Cuando se utiliza un ácido diluido la reacción química que ocurre durante el proceso de lixiviación de malaquita es (por ejemplo para ácido sulfúrico):

Cu2(OH)2CO3 (s) + 2H2SO4 (acu) 2CuSO4 (acu) + CO2 (g) + 3H2O (L)

Para estudiar el avance de esta reacción química en el laboratorio, es necesario estimar las concentraciones de las diferentes especies. La concentración de Cu 2+ en una disolución acuosa puede determinarse mediante la comparación colorimétrica.

Procedimiento Experimental

Primera sesión

1. Observar al microscopio las partículas de Cu presentes en el mineral.2. Preparar 270 mL de solución de ácido sulfúrico que contenga 70 g/L.3. Transferir 10 mL de la solución lixiviante al frasco vial de reacción.4. Adicionar cuidadosamente 1 g de mineral de Cu al frasco vial.5. Homogeneizar la solución, agitando eventualmente y observar cuidadosamente el experimento para determinar las condiciones para la cuantificación del proceso de lixiviación.6. Separar el sólido y observarlo al microscopio.

Segunda sesión.

1. Observar al microscopio las partículas de Cu presentes en el mineral.2. Transferir 250 mL de la solución lixiviante al matraz de reacción.3. Adicionar cuidadosamente 25 g de mineral de Cu al matraz.4. Agitar eventualmente, para homogenizar la solución.5. Tomar muestras del licor de lixiviación en los tiempos definidos a partir de la experimentación de la etapa anterior. El volumen de muestra extraído debe ser constante, y el volumen total extraído debe ser menor al 10 % del volumen inicial.6. Cuantificar el cobre contenido en las muestras de licor de lixiviación por comparación directa con las soluciones de concentraciones conocidas de cobre.7. Separar el sólido y observarlo cuidadosamente al microscopio.

Equipo, material y reactivos

• 6 Frascos viales de 30 mL.• 5 Embudos para filtración.• 1 soporte universal.• 1 soporte para embudos.• 1 espátula.• 1 vidrio de reloj.• 1 pipeta graduada de 5 mL.• 1 pipeta graduada de 10 mL.• 10 tubos de ensaye.• 1 matraz erlenmeyer de 500 mL.• 1 pro pipeta.• Papel filtro.• Solución de H2SO4.• Mineral (malaquita).• Microscopio menagráfico.

Manejo de Resultados

Primera parte.1.- ¿Qué se observa durante la reacción entre la solución lixiviante y el mineral?2.- ¿A partir de que momento se presentó?, ¿fue constante?3.- Describa ampliamente las diferencias observadas al microscopio, del mineral antes y después del proceso de lixiviación.4.- Describa cualitativamente la variación de la concentración de cobre en la solución con respecto al tiempo.5.- Si la lixiviación hubiese transcurrido durante 3 horas ¿Cómo cambiarían los resultados obtenidos?6.- ¿Qué criterio consideró para dar por terminado el experimento?

Segunda parte.1.- ¿Qué se observa durante la reacción entre la solución lixiviante y el mineral?2.- ¿A partir de que momento se presentó?, ¿fue constante?3.- Describa ampliamente las diferencias observadas al microscopio, del mineral antes y después del proceso de lixiviación.4.- Describa cualitativamente la variación de la concentración de cobre en la solución con respecto al tiempo.

5.- ¿Qué criterio consideró para dar por terminado el experimento?6.- ¿Cuál es el tiempo máximo de lixiviación del mineral de cobre, bajo las condiciones de trabajo?7.- Con base en los resultados obtenidos determine el tiempo de recuperación del 70 % del cobre contenido en el mineral. 8.- discutir el efecto que tiene sobre la lixiviación la acidez y la agitación

Bibliografía

• F. R Morral. Metalurgia general, tomo 1. Ed: Reverté S. A. Barcelona 1990.


(2) Lixiviación ácida de un concentrado de Cu (calcopirita) con ácido sulfúrico (H2SO4).

Objetivos

1. Conocer las diferentes etapas de un proceso de lixiviación y proponer un modelo para la disolución de la calcopirita.2. Estudiar y observar el efecto de la acidez en la lixiviación.3. Estudiar el efecto de la temperatura sobre la lixiviación de un concentrado de calcopirita 4.-Determinar la etapa limitante de la reacción de disolución y calcular el valor de la energía de activación Ea.


Fundamentación

La Lixiviación o disolución del metal (valor metálico) y la precipitación o recuperación del metal disuelto, constituyen las dos operaciones unitarias esenciales de la Hidrometalúrgia.La lixiviación de concentrados de calcopirita con ácido sulfúrico utilizada en minerales de cobre de baja ley es un proceso relativamente nuevo, el cual envuelve una reacción heterogénea entre el solidó CuFeS2 y el la solución lixiviante (acuoso H2SO4).

Uno de los problemas con los que se encuentra el metalurgista, es la adquisición de datos concernientes a la cinética de los procesos de lixiviación. En forma general, un proceso de lixiviación ocurre en tres etapas:

a) Etapa de la difusión de los reactivos a través del solidó.b) Etapa de la reacción química en la superficie del solidó. c) Etapa de la difusión de productos solubles desde la superficie del sólido.

Con base en las condiciones experimentales, uno de estos pasos es el más lento y por tanto es la etapa limitante de la lixiviación.

Modelo de reacción:

CuFeS2 + 2O2 + 4H2SO4 ↔ 2CuSO4 + 2FeSO4 + 4S° + 4H2O

Si la reacción química es la etapa determinante de la velocidad, la grafica del miembro izquierdo de la ecuación (1) Vs tiempo dará una expresión lineal. [1-(1-∞)1/3] = Ks t (1)

Modelo de difusión:

La reacción de difusión de reactivos acuosos puede considerarse como:

a Asól + b Bac ↔ c Csól + productos solubles

El paso limitante es la difusión de reactivos acuosos a la interfase, o la difusión de productos solubles a partir de esta, si la gráfica del miembro izquierdo de la ecuación (2) Vs tiempo da una relación lineal.

[ (1- 2/3∞)-(1-∞)2/3 ] =Kd t (2)

Donde: ∞ = Fracción de partícula mineral que ha reaccionado en un tiempo t.Ks = Constante cinética para el modelo de reacción de superficie.Kd = Constante cinética para el modelo de difusión.

La energía de activación aparente Ea se relaciona con el cambio de entalpía para la etapa determinante, sin embargo, no es suficiente para especificar la etapa lenta en un proceso de lixiviación. Puede ser útil en la interpretación de los datos cinéticos.Un proceso controlado por difusión se caracteriza por ser ligeramente dependiente de la temperatura y proceso controlado por reacción química, es altamente dependiente de la temperatura. La Ea de un proceso controlado por difusión de iones, es menor a 6 Kcal/mol. En el otro caso, la Ea es mayor a 10 Kcal/mol. Así para un proceso cuya Ea cae dentro del intervalo de 6 a 10 Kcal/mol, la distinción de la etapa limitante no es posible.El valor de la energía de activación Ea puede obtenerse del análisis de la ecuación de Arrhenius, escrita en la forma logarítmica:

In K = In A- Ea/RT (3)

La ecuación 3 describe la variación de la constante de velocidad con la temperatura. La gráfica de In K vs In 1/T proporciona una relación lineal cuando una misma etapa es la limitante de la velocidad a la temperatura examinada. Un proceso puede cambiar su mecanismo de control químico a bajas temperaturas (Ea alta) a control por difusión a altas temperaturas (Ea baja)


Primera sesión.

1. Preparar 110 mL de solución lixiviante de ácido sulfúrico a pH 0.5.2 Colocar el sistema de lixiviación.3. Transferir 100 ml de la solución de ácido matraz de reacción.4. Colocar el refrigerante, el termómetro y el tapón en el matraz y calentar hasta obtener la temperatura de operación deseada, bajo agitación magnética. Tomar un mililitro de solución y un mililitro de solución de H2SO4 al 10%, aforar a 100 mL con agua destilada y numerarla como muestra cero.5. Adicionar el mineral de calcopirita conservando la relación de % de sólidos en pesos de 10.6. Tomar muestras de 2 a 5 mL de solución a los tiempos de 1, 3, 5, 7, 15, 23, 30 y 45 minutos, filtrando y colectando en el correspondiente frasco vial, cada una de éstas. Tomar 1 mL de la solución filtrada, transferirlo a un matraz aforado de 100 mL, adicionar 1 mL de H2SO4 al 10% y aforar con agua destilada. Transferir las soluciones a frascos de plástico de 125 mL para el análisis de Cu2+ y Fe2+ en solución por absorción atómica.7. Filtrar la mezcla resultante, guardar la solución para su uso posterior en las prácticas de extracción por solventes y almacenar el sólido resultante en el recipiente correspondiente. Segunda sesión.

1. Preparar 110 mL de solución lixiviante de ácido sulfúrico a pH 1.0.2 Colocar el sistema de lixiviación.3. Transferir 100 ml de la solución de ácido matraz de reacción.4. Colocar el refrigerante, el termómetro y el tapón en el matraz y calentar hasta obtener la temperatura de operación deseada, bajo agitación magnética. Tomar un mililitro de solución y un mililitro de solución de H2SO4 al 10%, aforar a 100 mL con agua destilada y numerarla como muestra cero.5. Adicionar el mineral de calcopirita conservando la relación de % de sólidos en pesos de 10.6. Tomar muestras de 2 a 5 mL de solución a los tiempos de 1, 3, 5, 7, 15, 23, 30 y 45 minutos, filtrando y colectando en el correspondiente

frasco vial, cada una de éstas. Tomar 1 mL de la solución filtrada, transferirlo a un matraz aforado de 100 mL, adicionar 1 mL de H2SO4 al 10% y aforar con agua destilada. Transferir las soluciones a frascos de plástico de 125 mL para el análisis de Cu2+ y Fe2+ en solución por absorción atómica.7. Filtrar la mezcla resultante, guardar la solución para su uso posterior en las prácticas de extracción por solventes y almacenar el sólido resultante en el recipiente correspondiente.

Tercera sesión.

1. Preparar 110 mL de solución lixiviante de ácido sulfúrico a pH 2.0.2 Colocar el sistema de lixiviación.3. Transferir 100 ml de la solución de ácido matraz de reacción.4. Colocar el refrigerante, el termómetro y el tapón en el matraz y calentar hasta obtener la temperatura de operación deseada, bajo agitación magnética. Tomar un mililitro de solución y un mililitro de solución de H2SO4 al 10%, aforar a 100 mL con agua destilada y numerarla como muestra cero.5. Adicionar el mineral de calcopirita conservando la relación de % de sólidos en pesos de 10.6. Tomar muestras de 2 a 5 mL de solución a los tiempos de 1, 3, 5, 7, 15, 23, 30 y 45 minutos, filtrando y colectando en el correspondiente frasco vial, cada una de éstas. Tomar 1 mL de la solución filtrada, transferirlo a un matraz aforado de 100 mL, adicionar 1 mL de H2SO4 al 10% y aforar con agua destilada. Transferir las soluciones a frascos de plástico de 125 mL para el análisis de Cu2+ y Fe2+ en solución por absorción atómica.7. Filtrar la mezcla resultante, guardar la solución para su uso posterior en las prácticas de extracción por solventes y almacenar el sólido resultante en el recipiente correspondiente.

Cuarta sesión.

Análisis y discusión de resultados.


• 1 Recipiente para baño María.• 1 parrilla de calentamiento con agitación magnética.• 1 barra magnética.• 1 matraz de 3 bocas de 500 mL.• 3 tapones de Hule.• 1 tapón de hule horadado para sujetar un termómetro.

• 1 termómetro.• 1 matraz aforado de 500 mL.• 3 matraces aforados de 100 mL.• 1 pipeta graduada de 5 mL.• 1 pipeta graduada de 1 mL.• 1 propipeta.• 1 espátula.• 1 pH-metro.• Papel filtro.• 3 embudos de filtración.• 1 soporte para embudos.• 2 soportes universales.• 30 frascos vial de 30 mL etiquetados de manera clara y sistemática.• 1 Refrigerante.• 1 pizeta.• Mineral de Calcopirita (concentrado de flotación).• Ácido sulfúrico (H2SO4).• Agua destilada.


1.- Determinar la concentración de Cu2+ en cada muestra.2.- Determinar la fracción de malaquita disuelta para cada muestra. ∞ = [Cu2+]sol /[Cu2+]tot.

3.- Graficar % extracción, [1-(1-∞)1/3], [(1- 2/3∞)-(1-∞)2/3] contra tiempo y determinar con las graficas si el proceso esta controlado por la reacción química o difusión.4.- Graficar In K vs 1/T y determinar el valor de la energía de activación de la reacción.5.- Discutir los resultados obtenidos y definir la etapa determinante de reacción.6.- Discutir el efecto que tienen sobre la lixiviación la acidez, la temperatura y la agitación.

Bibliografía

• C. B Gill. Nonferrous Extractive Metallurgy. 1980 .• F. R Morral. Metalurgia general, tomo 1. Ed: Reverte S. A. Barcelona 1990.


(3) Lixiviación oxidante de un concentrado de Cu (calcopirita) con cloruro férrico (FeCl3) y en medio ácido.

Objetivos

1. Estudiar el efecto de la concentración del lixiviante en la dilución de un mineral.2. Proponer un modelo para la dilución de la calcopirita.3. Conocer las diferentes etapas de un proceso de lixiviación.


Fundamentación

La lixiviación de sulfuros ha ganando terreno en las ultimas dos décadas, debido principalmente a la disminución del contenido en las menas del metal requerido, para obtener un buen concentrado para ser tratado por tostación. Los procesos piro metalúrgicos convencionales tienen problemas con la contaminación del aire debido a la emisión de gases tales como el SO2, por lo que se tiene la necesidad de utilizar nuevas tecnologías para la extracción de minerales. En este contexto los procesos hidrometalúrgicos han adquirido gran importancia.

La disolución de un mineral en solución acuosa puede llevarse acabo a partir de un proceso fisicoquímico o electroquímico o una combinación de ambos. La naturaleza cristalina del mineral, su estado o subdivisiones, así como sus defectos de la estructura juegan un papel importante en la disolución. Usualmente la calcopirita viene con otros minerales sulfurados. Existen muchos estudios que relacionan la disolución de la calcopirita en varios medios, por ejemplo:La clorinación directa de menas sulfuradas complejas de cobre, níquel y hierro. El estudio cinético de disolución de algunos minerales comunes

incluyendo la calcopirita, la pirita, esfalerita y galena en solución saturada de cloro han sido estudiadas por Jackson y strickland.

Los modelos cinéticos más comunes son los siguientes:Modelo de reacción:

CuFeS2 + 2O2 + 4H2SO4 ↔ 2CuSO4 + 2FeSO4 + 4S° + 4H2O

Si la reacción química es la etapa determinante de la velocidad, la grafica del miembro izquierdo de la ecuación (1) Vs tiempo dará una expresión lineal. [1-(1-∞)1/3] = Ks t (1)

Modelo de difusión:

La reacción de difusión de reactivos acuosos puede considerarse como:

a Asól + b Bac ↔ c Csól + productos solubles

El paso limitante es la difusión de reactivos acuosos a la interfase, o la difusión de productos solubles a partir de esta, si la gráfica del miembro izquierdo de la ecuación (2) Vs tiempo da una relación lineal.

[ (1- 2/3∞)-(1-∞)2/3 ] =Kd t (2)

Donde: ∞ = Fracción de partícula mineral que ha reaccionado en un tiempo t.Ks = Constante cinética para el modelo de reacción de superficie.Kd = Constante cinética para el modelo de difusión.

La energía de activación aparente Ea se relaciona con el cambio de entalpía para la etapa determinante, sin embargo, no es suficiente para especificar la etapa lenta en un proceso de lixiviación. Puede ser útil en la interpretación de los datos cinéticos.Un proceso controlado por difusión se caracteriza por ser ligeramente dependiente de la temperatura y proceso controlado por reacción química, es altamente dependiente de la temperatura. La Ea de un proceso controlado por difusión de iones, es menor a 6 Kcal/mol. En el otro caso, la Ea es mayor a 10 Kcal/mol. Así para un proceso cuya Ea cae dentro del intervalo de 6 a 10 Kcal/mol, la distinción de la etapa limitante no es posible.El valor de la energía de activación Ea puede obtenerse del análisis de la ecuación de Arrhenius, escrita en la forma logarítmica:

In K = In A- Ea/RT (3)

La ecuación 3 describe la variación de la constante de velocidad con la temperatura. La gráfica de In K vs In 1/T proporciona una relación lineal cuando una misma etapa es la limitante de la velocidad a la temperatura examinada. Un proceso puede cambiar su mecanismo de control químico a bajas temperaturas (Ea alta) a control por difusión a altas temperaturas (Ea baja).


Primera sesión.

1. Preparar 110 mL de solución lixiviante de cloruro férrico 0.01M y 0.1M en ácido clorhídrico.2 Colocar el sistema de lixiviación.3. Transferir 100 ml de la solución lixiviante matraz de reacción.4. Colocar el refrigerante, el termómetro y el tapón en el matraz y calentar hasta obtener la temperatura de operación deseada, bajo agitación magnética. Tomar un mililitro de solución y un mililitro de solución de HCl al 10%, aforar a 100 mL con agua destilada y numerarla como muestra cero.5. Adicionar el mineral de calcopirita malla (100) conservando la relación de % de sólidos en pesos de 10.6. Tomar muestras de 2 a 5 mL de solución a los tiempos de 1, 3, 5, 7, 15, 23, 30 y 45 minutos, filtrando y colectando en el correspondiente frasco vial, cada una de éstas. Tomar 1 mL de la solución filtrada, transferirlo a un matraz aforado de 100 mL, adicionar 1 mL de H2SO4 al 10% y aforar con agua destilada. Transferir las soluciones a frascos de plástico de 125 mL para el análisis de Cu2+ y Fe2+ en solución por absorción atómica.7. Filtrar la mezcla resultante, guardar la solución para su uso posterior en las prácticas de extracción por solventes y almacenar el sólido resultante en el recipiente correspondiente. Segunda sesión.

1. Preparar 110 mL de solución lixiviante cloruro férrico 0.05M y 0.1M en ácido clorhídrico.2 Colocar el sistema de lixiviación.3. Transferir 100 ml de la solución lixiviante al matraz de reacción.4. Colocar el refrigerante, el termómetro y el tapón en el matraz y calentar hasta obtener la temperatura de operación deseada, bajo agitación magnética. Tomar un mililitro de solución y un mililitro de solución de H2SO4 al 10%, aforar a 100 mL con agua destilada y numerarla como muestra cero.

5. Adicionar el mineral de calcopirita malla (200) conservando la relación de % de sólidos en pesos de 10.6. Tomar muestras de 2 a 5 mL de solución a los tiempos de 1, 3, 5, 7, 15, 23, 30 y 45 minutos, filtrando y colectando en el correspondiente frasco vial, cada una de éstas. Tomar 1 mL de la solución filtrada, transferirlo a un matraz aforado de 100 mL, adicionar 1 mL de H2SO4 al 10% y aforar con agua destilada. Transferir las soluciones a frascos de plástico de 125 mL para el análisis de Cu2+ y Fe2+ en solución por absorción atómica.7. Filtrar la mezcla reaccionante, guardar la solución para su uso posterior en las prácticas de extracción por solventes y almacenar el sólido resultante en el recipiente correspondiente. Tercera sesión.

1. Preparar 110 mL de solución lixiviante de cloruro férrico 0.1M y 0.1M en ácido clorhídrico.2 Colocar el sistema de lixiviación.3. Transferir 100 ml de la solución de ácido matraz de reacción.4. Colocar el refrigerante, el termómetro y el tapón en el matraz y calentar hasta obtener la temperatura de operación deseada, bajo agitación magnética. Tomar un mililitro de solución y un mililitro de solución de H2SO4 al 10%, aforar a 100 mL con agua destilada y numerarla como muestra cero.5. Adicionar el mineral de calcopirita (malla 300) conservando la relación de % de sólidos en pesos de 10.6. Tomar muestras de 2 a 5 mL de solución a los tiempos de 1, 3, 5, 7, 15, 23, 30 y 45 minutos, filtrando y colectando en el correspondiente frasco vial, cada una de éstas. Tomar 1 mL de la solución filtrada, transferirlo a un matraz aforado de 100 mL, adicionar 1 mL de H2SO4 al 10% y aforar con agua destilada. Transferir las soluciones a frascos de plástico de 125 mL para el análisis de Cu2+ y Fe2+ en solución por absorción atómica.7. Filtrar la mezcla resultante, guardar la solución para su uso posterior en las prácticas de extracción por solventes y almacenar el sólido resultante en el recipiente correspondiente.

Cuarta sesión. Análisis y discusión de resultados.


• 1 Recipiente para baño María.

• 1 parrilla de calentamiento con agitación magnética.• 1 agitador magnético.• 1 matraz de 3 bocas de 500 mL.• 3 tapones de Hule.• 1 tapón de hule adaptado para sujetar un termómetro.• 1 termómetro.• 1 matraz aforado de 500 mL.• 3 matraces aforados de 100 mL.• 1 pipeta graduada de 5 mL.• 1 pipeta graduada de 1 mL.• 1 propipeta.• 1 espátula.• 1 pH-metro.• Papel filtro.• 3 embudos de filtración.• 1 soporte para embudos.• 2 soportes universales.• 30 frascos de 30 mL etiquetados de manera clara y sistemática.• 1 Refrigerante.• 1 pizeta.• Mineral de Calcopirita com tres diferentes tamaños.• Cloruro Férrico (FeCl3).• Agua destilada.

Manejo de Resultados 1.- Observar el efecto de la Temperatura, el grado de acidez y la agitación en la lixiviación y el tamaño de partícula.2.- Determinar la concentración de Cu2+ en cada muestra.3.- Determinar la fracción de calcopirita disuelta para cada muestra. ∞ = [Cu2+]sol /[Cu2+]tot.

4.- Graficar % extracción, [1-(1-∞)1/3], [(1- 2/3∞)-(1-∞)2/3] contra tiempo y determinar si el proceso esta controlado por la reacción química o difusión.5.- Determinar la constante de velocidad de la reacción para la etapa limitante.6.- Graficar In K vs 1/T y determinar el valor de la energía de activación de la reacción.7.- Discutir los resultados obtenidos y definir la etapa determinante de reacción.

Bibliografía

• C. B Gill. Nonferrous Extractive Metallurgy. 1980.• F.R Morral. Metalurgia general, tomo 1. Ed: Reverté S. A. Barcelona 1990.


(4) Extracción por solventes. Equilibrio y cinética.

Objetivos

Estudiar el equilibrio y la cinética de extracción del Cu 2+ por el LIX-622.


Fundamentación

La aplicación e implementación de los procesos de extracción por solventes en procesos metalúrgicos para separar la especie metálica deseada, ha sido incrementada sobre todo en las dos últimas décadas. El método se basa en el uso de un solvente inmiscible que extrae preferentemente el componente seleccionado a partir de la fase acuosa. Durante el contacto de las dos fases los iones metálicos, inicialmente en la fase acuosa, se distribuye entre la fase orgánica y la fase acuosa de acuerdo a su solubilidad en ambas fases. El metal extraído puede regresarse o despojarse a la fase acuosa, concentrada y purificada, reduciendo su solubilidad en la fase orgánica. La extracción, separación y recuperación de metales esta en función de los siguientes parámetros: tipos de extractante, concentración de éste, diluyentes, modificadores, pH, tiempo de contacto, temperatura, etc.Una forma útil de caracterizar el grado de transferencia de un ion metálico, es determinando su coeficiente de distribución definido como:

[ Mn+]orgánica

D = ---------------- [ Mn+]acuosa

La reacción de extracción de un ion metálico bivalente por un reactivo quelante ácido bidentado es

M2+ + 2HR ↔ MR2 + 2H+

De la ley de acción de masas y de la definición de D se obtiene: log D = log K + 2 pH + 2 log [RH]

Al Graficar log D vs pH para varias concentraciones de extractante o log D vs log [RH] para varios valores de pH, se obtienen las curvas de distribución cuyas pendientes son cercanas a 2, lo cual indica que la estequiometría de la especie extraída es CuR2.Los estudios de cinética se llevan acabo perturbando los sistemas en equilibrio con un cambio en la actividad con el tiempo o cuantificando la velocidad de extracción.Los reactivos más utilizados para la extracción del cobre a partir de los licores de lixiviación son: LIX-65N, LIX-622, y KELEX-120. Cada uno de estos reactivos consiste de un extractante activo y un aditivo.


1. Preparar 25 mL de solución de LIX-622 en tolueno conteniendo 0.15 g de LIX-622/L, 0.25 g de LIX-622/L y 0.35 g de LIX-622/L.2. Preparar 100 mL de solución de Cu 2+ de 1 g/L a pH 2.2 (o utilizar licor de lixiviación, medir pH y ajustarlo H2SO4/NaOH).3. Transferir a un embudo de separación 25 mL de solución de Cu 2+ y 25 mL de la solución de extractante concentración 5 g/L.4. Tapar el embudo, tomarlo sujetando la llave y el tapón y agitar vigorosamente durante un minuto. Dejar que las fases se separen, tomar un mL de muestra de fase acuosa, 1 mL de ácido sulfúrico y aforarlo a 50 mL. Numerar como solución C-1. Repetir este pasó tres veces más numerando las soluciones como C-2, C-3 y C-4.5. Repetir el procedimiento con la solución 15 g de LIX-622/L numerando las muestras de C-5 a C-8. 6. Repetir el procedimiento con la solución 30 g de LIX-622/L numerando las muestras de C-9 a C-12.7. Preparar una solución testigo o blanco.


• 4 matraces aforados de 50 mL.• 4 embudos de separación de 125 mL.• 1 matraz aforado de 500 mL.• 4 pipetas volumétricas de 25 mL.• 4 pipetas volumétricas de 1 mL.• 20 viales.• 1 soporte universal.• 1 soporte para embudos.• 1 pH-metro.• 1 electrodo combinado para medir pH.• CuSO4. 5H2O.• H2SO4.• LIX-622.• Tolueno.• Agua destilada.

Manejo de Resultados 25 ml de FO25 ml de FApHo = ________ [Cu(II)]o= __________ppm [Cu(II)]o = _________M

* muestra para análisis: 1ml/50 ml

Reporte:

1.- Calcular las moles de Cu2+ en cada fase. 2.- Calcular el coeficiente de distribución, D, de las extracciones at1minuto.

3.- Graficar el % extracción en función del tiempo para cada concentración de lix-622.4.- Graficar log D contra log [RH] y determinar la estequiometría de la superficie extraída. 5.- Investigar en la literatura cuál es el extractante activo del lix-622.

Bibliografía

• A. K. Biswas, Extractive Metallurgy of Copper. Pergamon Press, 1980.• C. B Gill. Nonferrous Extractive Metallurgy. 1980.

Nombre de la Práctica(5) Extracción por solventes. Isotermas de extracción y despojo.

Objetivos

Trazar las isotermas de extracción y despojo del sistema Cu-LIX-622.


Fundamentación

Los procesos de extracción por solventes son utilizados en escala industrial en la extracción y purificación de metales. El metal extraído (loading) puede regresarse o despojarse a la fase acuosa en forma concentrada y purificada (stripping) ajustando las condiciones de la solución para disminuir la solubilidad del metal en la fase orgánica.

El proceso de extracción y purificación de cobre de las soluciones de lixiviación se expresa:

Extracción

2 RH org + (Cu2+ + SO42-)ac ↔ R2Cu org +(2 H+ +SO4

2-)ac

Despojo

Las isotermas de extracción (loading) y despojo (stripping) representan situaciones de equilibrio y predicen las condiciones óptimas para dichos procesos. El número de pasos necesarios para alcanzar una separación específica puede ser determinado por la aplicación de los diagramas de Mc Cabe-Thiele a las curvas experimentales de extracción y despojo.Para obtener las curvas de equilibrio de extracción (loading), el extractante orgánico se adiciona a varias relaciones de volumen, V ac (cte)/V org, y se mezclan hasta alcanzar el equilibrio.Una vez separadas, las fases son analizadas para determinar el contenido de metal. Los resultados de la fase acuosa se grafican sobre la abcisa y los resultados de la fase orgánica sobre la ordenada.

La isoterma de despojo se obtiene de la misma manera, manteniendo el volumen de la fase orgánica (R2Cu) fijo y graficando los resultados de la fase orgánica en las abscisas y los de la fase acuosa en las ordenadas.


Primera sesión.

1. Preparar 160 mL de solución de Cu2+ 1 g/L a pH 2.2 (o utilizar licor de la lixiviación, medir pH y ajustarlo si es necesario con H2SO4/NaOH).2. Preparar 125 mL de solución de LIX-622/tolueno al 8 % en peso/v.3. Transferir 30 mL de Solución de Cu2+ de 1 g/L a pH 2.2 a cada embudo de separación y adicionar la fase orgánica a cada uno (60, 30, 15, 7.5, 3.75 mL), tapar y agitar los embudos durante 4 minutos. Separar las fases y colectar la acuosa para medir pH y preparar muestras 1/50 para análisis de Cu2+. Incluir el análisis de la muestra inicial de Cu2+ 1 g/L.4. Numerar las muestras como E0, E1, E2, E3, E4 y E5.

Segunda sesión.

1. Preparar 200 mL de solución de Cu2+ 8 g/L a pH natural (tomar muestra para analisis).2. Preparar 200 mL de solución de LIX-622/tolueno al 8 % en peso/v.3. Poner en contacto en un embudo de separación las dos soluciones anteriores por 4 minutos, separar las fases colectando la fase orgánica cargada para el despojo y la fase acuosa para el análisis de Cu2+ y medición de pH.4. Preparar 200 mL de una solución conteniendo 150 g/L de H2SO4.5. Transferir 50 mL de la fase orgánica cargada con Cu2+ a cada embudo de separación y agregar solución ácida de 150 g/L a cada uno (100, 50, 25, 10 y 5 mL). Agitar durante 4 minutos, separar las fases y colectar la fase acuosa para análisis de Cu2+. Preparar muestras 1/50 para análisis de Cu2+. Incluir el análisis de la muestra inicial de Cu2+ 1 g/L (D00) y de la fase acuosa residual del cargado de la fase orgánica (D0).6. Numerar las muestras como D1, D2, D3, D4 y D5.

Tercera sesión.

Analizar y discutir los resultados obtenidos durante la experimentación.


• 1 embudo de separación de 500 mL. • 5 embudos de separación de 125 mL.• 1 matraz aforado de 500 mL. • 1 matraz aforado de 25 mL.• 1 pipeta volumétrica de 25 mL.• 1 Pipeta volumétrica de 10 mL.• 1 pipeta volumétrica de 5 mL.• 1 pipeta volumétrica de 2 mL.• 1 pipeta volumétrica de 1 mL.• 1 pipeta graduada de 10 mL.• 1 soporte universal.• 1 soporte para embudos.• 1 pH-metro.• 1 electrodo combinado para medir pH.• CuSO4. 5H2O.• H2SO4.• LIX-622.• Tolueno.• Agua destilada.


Resultados deextracción.Volumen de la fase acuosa constante = 30 ml de FAVolumen de fase orgánica variable = x ml de FO de lix622 al 8%Tiempo de contacto/agitación = 4 minutosFA: pH0 =_______ [Cu(II)]o = ________ppm [Cu(II)]o =________M

Soln. ml FO

pHf ppm org

[Cu(II)]a ppm org

[Cu(II)]o D (Cu) % Ex Cu

E0 - - - - - - E1 60 E2 30 E3 15 E4 7.5 E5 3.75


Resultados de despojo. Volumen de fase orgánica constante = 25 ml de FO de LIX622 al 8% cargada.Volumen de fase acuosa variable = x ml de solución de H2SO4 de concentración 150 g/L.Fase acuosa inicial (antes de cargar la fase orgánica):

pHo = ________ [Cu(II)]o = _____________ppm [Cu(II)]o= _________MpHf = ________

FOC: [Cu(II)]o = _________ppm [Cu(II)]o= _________M


Reporte

1.- Calcular la concentración de cobre en g/l en cada fase para cada caso.2.- Trazar la isoterma de extracción graficando Cu2+ en fase orgánica contra Cu2+ en fase acuosa.3.- Trazar las isotermas de despojo graficando Cu2+ en fase acuosa contra Cu2+en fase orgánica.4.- Comparar y discutir los resultados.

Bibliografía

• A. K. Biswas, Extractive Metallurgy of Copper. Pergamon Press, 1980.• C. B Gill. Nonferrous Extractive Metallurgy. 1980.

Nombre de la Práctica(6) Biolixiviación.

Objetivos

Obtener un cultivo de bacterias mesófilas, a partir de una muestra de agua de mina.Lixiviar un concentrado de Cu a partir de la cepa obtenida y cuantificar el porcentaje de extracción de Cu.

Tiempo de realización de la práctica: 16 Horas

Fundamentación

El uso de la Hidrometalúrgia en la recuperación de metales a partir de minerales de baja ley ha tenido gran importancia en las últimas décadas, los procesos hidrometalúrgicos se basan fundamentalmente en la solubilización de metales o minerales y en la recuperación posterior de los elementos deseados a partir de la solución por métodos adecuados. Si hay participación de microorganismos en la solubilización, la técnica es conocida como biolixiviación, Biohidrometalurgia o lixiviación bacteriológica.

El proceso de de biolixiviación puede ocurrir de la siguiente forma. Los iones ferrosos pasan a la solución por la acción química del ácido sulfúrico y el oxígeno sobre los minerales de sulfuro de fierro por ejemplo:

CuFeS2 + 4O2 CuSO4 + FeSO4 (en solución acuosa)

La bacteria Thiobacillus ferrooxidans ataca químicamente los iones ferrosos para formar iones férricos

2FeSO4 + H2SO4 + 1/2O2 Fe2(SO4)3 + H2O

Los iones férricos actúan como un lixiviante para los minerales sulfurosos, por ejemplo

Fe(SO4)3 + Cu2S + 2O2 2FeSO4 + 2CuSO4

o bien,

2Fe2(SO4)3 + CuFeS2 + 3O2 + 2H2O

FeSO4 + CuSO4 + 2H2SO4

o también,

Fe2(SO4)3 + FeS2 + 3O2 + 2H2O 3FeSO4 + 2H2SO4

Las reacciones b y c se vuelven cíclicas y el proceso sigue por tiempo indefinido, las reacciones anteriores pueden llevarse acabo sin la presencia de bacterias, pero las enzimas de las bacterias catalizan la velocidad de reacción y aceleran el proceso total de lixiviación.


Primera sesión.

1.- Observar con un microscopio de contraste de fases una gota de agua de mina y contar las bacterias existentes.2.- Observar con un microscopio menagráfico una muestra de jales.3.- Conectar y calibrar un potenciómetro. 4.- Preparar 200 ml de medio de cultivo 10-folk-9k enriquecido con Fe2+.5.- Preparar 100 mL de una solución 1:1 de H2SO4.6.- Transferir en un matraz erlenmeyer de 250 mL 90 mL de medio de cultivo, 10ml de agua de mina y pesarlo.7.- Colocar el reactor en un incubador orbital durante 1 hora a 35 °C y 150 rpm.8.- Retirar el reactor del incubador, medir con el potenciómetro pH y potencial, con el microscopio óptico equipado con contraste de fases contar la cantidad de bacterias/mL.9.- Ajustar el pH a 2 solo en caso de que el valor sea mayor con la solución 1:1 de H2SO4

10.- Regresar el reactor al incubador, volviendo a medir los parámetros anteriores (pH, Potencial de oxido-reducción y conteo celular) cada tercer día.

Segunda sesión.

1.- Preparar 200 mL de medio de cultivo 10-folk-9k enriquecido con Fe2+.2.- Transferir en un matraz erlenmeyer de 250 mL 90 mL de medio de cultivo, 10 ml de cepa de bacterias mesófilas previamente adaptadas (reactor anterior) y pesarlo.3.-Colocar el reactor en un incubador orbital durante 1 hora a 35 °C y 150 rpm.4.-Retirara el reactor del incubador, medir con el potenciómetro pH y potencial, con el microscopio óptico equipado con contraste de fases contar la cantidad de bacterias/mL.5.- Ajustar el pH a 2 solo en caso de que el valor sea mayor con la solución 1:1 de H2SO4.6.-Regresar el reactor al incubador, volviendo a medir los parámetros anteriores (pH, Potencial de oxido-reducción y conteo celular) cada tercer día.

Tercera sesión.

1.- Preparar 200 mL de medio de cultivo 10-folk-9k sin Fe2+.2.- Transferir en un matraz erlenmeyer de 250 mL 90 mL de medio de cultivo, 10 ml de cepa de bacterias mesófilas previamente adaptadas en la etapa anterior y 5 gramos de concentrado de cobre (calcopirita) y pesarlo.3.-Colocar el reactor en un incubador orbital durante 1 hora a 35 °C y 150 rpm.4.-Retirar el reactor del incubador, medir con el potenciómetro pH y potencial, con el microscopio óptico equipado con contraste de fases contar la cantidad de bacterias/m.5.- Cada que se midan las variables anteriores, tomar una alícuota de 1ml del sobrenadante del reactor y filtrarlo, poniendo previamente en el papel filtro 1ml de la solución 1:1 de H2SO4 para cuantificar el aumento en la concentración de Cobre disuelto.

Cuarta sesión.Discusión y análisis de resultados.

Equipo, material y reactivos.

Equipo.• 1 balanza• 1 pH-metro.• 1 electrodo combinado para medir pH• 1 electrodo combinado para medir potencial de oxido reducción.• 1 incubador orbital.• 1 microscopio óptico equipado con contrasté de fases.• 1 microscopio menagráfico.

Material.• 2 embudos • 2 matraces erlenmeyer de 250 mL• 1 matraz aforado de 100 mL. • 1 matraz aforado de 200 mL.• 1 Pipeta volumétrica de 10 mL.• 1 pipeta volumétrica de 1 mL.• 1 espatula.• 1 probeta graduada de 100 mL.• 1 soporte universal.• 1 soporte para embudos.

Reactivos.• (NH4)2SO4

•K2HPO4

•MgSO4.7H2O•KCl•Ca(NO3)2

•FeSO4.7H2O•Agua destilada.


Resultados obtención de cepas.

Resultados Biolixiviación del concentrado de Cu.

Reporte.

Obtención de cepas.

1.- Graficar pH, E redox y # de bacterias Vs Tiempo para cada pase de adaptación.2.- Discutir como cambia el pH, E redox y el # de bacterias al realizar el segundo pase de adaptación.

Tiempo (días)

pH i PHf E redox # de bact Peso i

123456

Tiempo (días)

pH i PHf E redox # de Bacterias

Peso (i)

[Cu2+] % Cudisuelto

123456

Biolixiviación del concentrado de Cu.

1.- Graficar pH, E redox y # de bacterias Vs Tiempo para la etapa de lixiviación.2.- Calcular el 5 de extracción de Cu.3.- discutir como afecta el pH, E redox y el crecimiento de bacterias a la lixiviación del Cu.

Bibliografía.

• A. K. Biswas, Extractive Metallurgy of Copper. Pergamon Press, 1980.• C. B Gill. Nonferrous Extractive Metallurgy. 1980.• José Sancho, Luís Felipe Verdeja, Antonio Ballester. Metalurgia extractiva vol.2, Procesos de obtención. Ed Síntesis.


(7) Lixiviación en autoclave.

ObjetivosConocer y analizar los principios de una lixiviación en autoclave. Observar los efectos de la agitación mecánica, presiones y temperaturas, el tamaño de partícula controlado y una solución acida.


Fundamentación.Las autoclaves son reactores presurizados en forma de cilindros (horizontales o verticales) o largos tubos horizontales, se usa normalmente con agitación para asegurar una mezcla completa de los reactivos y el mineral a lixiviar. Cuando son utilizadas en medios corrosivos las autoclaves son construidas con aleaciones especiales de acero, titanio y otros materiales. La Hidrometalúrgia a elevadas presiones se desarrollo gracias a los adelantos de la fisicoquímica de metales, logrados en la primera mitad del siglo XX. Las autoclaves son ampliamente utilizadas por la industria en la hidrometalúrgia no ferrosa, trabajar a elevadas presiones facilita el tratamiento de minerales o concentrados con contenidos metálicos complejos. La metalurgia a presión ha mostrado que es posible operar pequeñas plantas de refinación de manera económica. La calcopirita es difícil de oxidar en comparación con minerales de Zn y Pb, con el objetivo de reducir el tiempo de reacción se lixivia a levadas presiones y temperaturas, son necesarias de 15 a 30 atm de presión para lixiviar calcopirita y de 1 a 2 atm para lixiviar Zn.

A nivel industrial un concentrado de calcopirita se lixivia en autoclave a 95 °C y una presión de 12 atmósferas utilizando una solución amoniacal y sulfato de amonio, la temperatura de lixiviación no debe ser superior al punto de fusión del S° por lo que se limita 115 °C. La reacción que ocurre en el reactor es la siguiente:

2CuFeS2 + H2SO4 + 2O2 2CuSO4 + Fe2O3 + 4S° + 2H2OBajo estas condiciones y con un exceso de calcopirita se obtiene una solución resultante con 65 g Cu/L y 5 g Fe/L en dos horas y 30 minutos


1.- Observar las partículas de mineral en el microscopio.2.- Preparar 500 mL de una solución con 150 g/L de H2SO4.

3.- Pesar 25 g de concentrado de Calcopirita (CuFeS2).4.- Encender la autoclave (precalentamiento).5.- Depositar en el reactor los 500 mL de solución acida y los 25 g de mineral.6.- Cerrar el reactor y colocarlo dentro del enchaquetado.7.- Operar el reactor a 100 °C y 10 atmósferas de presión durante 1 hr.8.- Concluido el tiempo, dejar enfriar el reactor hasta que disminuya la presión para poder abrir el reactor.9.- Abierto el reactor filtrar la solución con papel filtro de poro abierto, tomar un mililitro de licor de lixiviación, aforarlo a 100 ml y llevarlo al laboratorio de absorción atómica para determinar la concentración de Cu.

Equipo, material y reactivos.

Equipo.• Microscopio menagráfico.• Un reactor autoclave Marca xxxx modelo xxxxMaterial.• 2 embudos • 1 matraces erlenmeyer de 100 mL • 1 matraz aforado de 500 mL.• 1 Pipeta volumétrica de 10 mL.• 1 pipeta volumétrica de 1 mL.• 1 espatula.• 1 probeta graduada de 100 mL.• 1 soporte universal.• 1 soporte para embudos.• 1 vidrio de relojReactivos.• 25 gramos de concentrado mineral.• H2SO4.•Agua destilada.


Reporte.

1.- Analizar el efecto de la temperatura, presión y agitación en la lixiviación del concentrado mineral.2.- Con los datos recibidos del laboratorio de absorción atómica, calcular el % de Cu extraído.3.- Comparar la extracción alcanzada en el autoclave con la extracción lograda con el reactor de tres bocas en la practica 2

Bibliografía


(8) Electrodepositación de cobre.

ObjetivosDeterminar las variables que afectan la electrolisis de cobre.Observar los cambios fisicoquímicos que ocurren en la electrodepositación de Cu al aumentar o disminuir el potencial y al invertir los polos.


Fundamentación

La electrodepositación es un proceso electrometalúrgico en el que se utiliza corriente eléctrica para depositar iones metálicos presentes en una disolución. La calidad (grado de pureza) del metal que puede obtenerse por este proceso es muy alta y competitiva con otros métodos industriales. La electrolisis es la ultima etapa en la obtención de Cu a partir de sus minerales; se pueden obtener purezas de hasta 99.9 de cobre.

La electrolisis se realiza en celdas electroquímicas, que constan de: dos electrodos, un electrolito (sustancia que conduce la corriente mediante el movimiento de iones) y un conductor eléctrico (cable o alambre metálico) que une los electrodos. Estos son superficies conductoras o semiconductoras donde se realiza intercambio electrónico.Los iones metálicos migran bajo la acción de un campo eléctrico hacia uno de los electrodos de acuerdo con las leyes de atracción eléctrica. La reacción en la cual los iones con carga positiva aceptan electrones se denomina reducción

Cu2+ (acu) + 2e- Cu (metálico)


1.- Preparar 200 mL de una solución de CuSO4. 5H20 1 M.2.- Calcular los gramos de Cu contenidos en la solución preparada en el paso 1.3.- Lijar, limpiar, lavar y pesar 2 placas de Cu de 3 cm *10 cm * 0.1 cm4.- Limpiar dos barras de grafito de 10 cm de longitud.5.- Coloque los electrodos (barra de grafito y la placa de cobre) en el interior de un vaso de precipitados de 250 mL, procurando que no haya contacto de ninguno de los electrodos con las paredes del vaso, el fondo y tampoco entre ellos. 6.- Vaciar los 100 mL de la solución de sulfato de cobre 1M en el vaso de precipitados, asegurándose que cubra parcialmente los electrodos.7.- Conecte la lámina de Cu al polo negativo de la fuente de poder, el grafito al polo positivo y establezca una corriente circulante de 1 ampere.8.- Observe cuidadosamente los fenómenos que ocurren en la superficie de la lámina de cobre y en la de la barra de grafito, así como en el seno de la solución acuosa.9.- Pasados 15 minutos apague la fuente de poder.10.- Lave la placa de cobre con agua corriente, secarla cuidadosamente y pesarla. 11.- Monte el dispositivo nuevamente, pero ahora invierta las conexiones. Aplique una corriente de 1 ampere.

Equipo, material y reactivo

Equipo.

• Fuente de poder.

Material.

• 2 barras de grafito de 10 cm de longitud.• laminas de cobre de 3 cm * 10 cm * 0.1 cm.• 2 pinzas de nuez de tres dedos.• 4 Caimanes. • 2 vasos de precipitados de 250 mL.• 1 vidrio de reloj.• Pizeta con agua destilada.

Reactivos.

• CuSO4.5H2O.•Agua destilada.


Reporte.

1.- Calcular los gramos de Cu contenidos en la solución preparada en el paso 1.2.- utilizando las leyes de Faraday calcule el tiempo estimado para depositar los gramos de cobre contenidos en la solución.3.- describa ampliamente los fenómenos observados durante el desarrollo de la experimentación.

Bibliografía

• Terkel, Rosenquist. “Fundamentos de metalurgia extractiva”. Ed. Limusa. 1807.

• A. K. Biswas, Extractive Metallurgy of Copper. Pergamon Press, 1980.

laboratorio hidrometalurgia

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