9. Inf. Resinas Intercambio Inico - Juanpablo Torres 2l1c50

INFORME RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO EN HIDROMETALURGICA PRACTICA No. 6 LABORATORIO DE HIDROMETALURGICA Y ELECTROMETALURGICA

Estudiante: Juan Pablo Torres Álvarez Astrid Pérez Zambrano Profesor: Ing. Julio E. Pedraza R.

ESCUELA DE INGENIERIA METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Bucaramanga, 4 de Diciembre de 2006

OBJETIVO: Conocer experimentalmente la aplicación de las resinas de intercambio iónico al tratamiento de soluciones acuosas con metales, determinando la eficiencia de este proceso mediante la construcción de las curvas respectivas de atrapamiento, elusión y recuperación de un determinado metal. DATOS Y RESULTADOS Todos los resultados que se presentan a continuación fueron leídos por absorción atómica y corresponden a lecturas tomadas de alícuotas de 50µL aforadas a 50 ml. Etapa de atropamiento Volumen de solución (ml) 20 20 20 20 20 20

[Cu] en solución saliente (ppm) Solución sulfatada Solución clorurada 0.0 0.01 0.0 0.5 6.4 8.4 9.6 11.5 12.714 12.714 12.714 12.714

Etapa de elusión Volumen de solución (ml) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

[Cu] en solución saliente (ppm) Solución sulfatada Solución clorurada 4 5 14 14 30 27 14 10 4 2 1 1 0.5 0.6 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.1

CALCULOS, RESULTADOS Y ELABORACION DE GRAFICAS Como los resultados corresponden a lecturas de absorción atómica de muestras de alícuotas de 50 μl aforadas a 50 ml, entonces es necesario con cada uno de los datos: V1*C1 = V2*C2, con esta relación podemos encontrar la concentración en los 50 μl, de esta manera tenemos:

Etapa de atropamiento volumen de solución (ml) 20 20 20 20 20 20

[Cu] en solución saliente (ppm) Solución sulfatada Solución clorurada 0.0 10 0.0 500 6400 8400 9600 11500 12714 12714 12714 12714

Etapa de elusión volumen de solución (ml) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

[Cu] en solución saliente (ppm) Solución sulfatada Solución clorurada 4000 5000 14000 14000 30000 27000 14000 10000 4000 2000 1000 1000 500 600 400 400 300 300 200 100

a) % de Atrapamiento vs. Volumen de solución de Cobre Calculamos los miligramos de cobre que la resina no atrapa, teniendo también el cobre total en la solución que se adiciona a la resina por medio de la concentración inicial de las diferentes soluciones y su respectivo volumen, calculamos el porcentaje de atrapamiento: cobre total en cada adición menos los miligramos de cobre que no es atrapado dividido en el peso del cobre en cada adición de solución por cien. C1: concentración de cobre en la solución saliente en mg/ml V2: Alícuota tomada V1: Volumen del aforo (lt) C2: Concentración de cobre en la alícuota tomada ( [] real) V3: Volumen solución Cu (lt): 20*10-3 V1  C1  V2  C 2

C2=V1*C1/V2 C2*V3= mg de cobre pasan por la resina en los 20 mililitros adicionados

Cobre adicionado en los 20 ml de solución 0.2mol / L  63570mg / mol  20 * 10 3 L  254.28mg

% de Atropamiento: % Atrapamiento 

# de volumen 1 2 3 4 5 6

254.28  mgCupasante  100 254.28

% de Atrapamiento Solución sulfatada Solución Clorurada 100 99.9 100 96 49.6 33.8 24.4 9.44 0 0 0 0

b) % Elusión vs. Volumen de solución HCl. Cálculos para determinar los mg en la solución saliente y el porcentaje de elusión (%E). para las 2 soluciones. Conociendo los miligramos de cobre atrapados por la resina y calculando los miligramos de cobre que son liberados de la resina podemos iniciar del 100% (mg que tine inicialmente la resina) y continuamente se van a liberar proporcionando un nuevo porcentaje de elusion.

Para calcular el % de elusión, sumamos los gramos que hay en el sistema de la etapa de atrapamiento y lo relacionamos con los gramos que salen del sistema para cada volumen, asi: C3 :[Cu] en solución saliente mg/lt V1:Volumen de disolución V2: volumen de alícuota de solucion C4: concentración de Cu en la alícuota V4: Volumen de la solucion de HCl V1  C 3  V2  C 4

C4=V1*C3/V2 C4V4= mg Cu liberados por la resina Cobre total que atrapa la resina 697.11 mg 697.11  100% mg .Cu.liberado  % E

# de volúmenes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

% de elusión Solución sulfatada Solución Clorurada 5.75 8.26 21.37 25.2 58.25 65 65.1 69 53.3 44.4 28.57 40 20 40 20 44 18.7 60 15.3 50

c) % de Cu recuperado vs. Volumen de eluyente Volumen total utilizado = 120 ml, en las tres soluciones. Peso de Cu TOTAL en la solución sulfatada 0.2

moles Cu 63.57 g Cu 1L 1000mg    120mL   1525.68mgCu L 1mol Cu 1000mL 1g

Peso de Cu TOTAL en la solución clorada 0.2

moles Cu 63.57 g Cu 1L 1000mg    120mL   1525.68mgCu L 1mol Cu 1000mL 1g

Cobre Recuperado =

Cobre recuperados =

mgCurecupe rados  100 1525.68mgCu

 mg Cu en solución saliente

Volumen sln de eluyente

10 20 30 40

[Cu] recuperado (mg) Solución sulfatada Solución clorurada mg %R mg %R 40 2.62 50 3.28 180 11.80 190 12.45 480 31.46 460 30.15 620 40.64 560 36.70

50 60 70 80 90 100

660 670 675 679 682 684

43.26 43.91 44.24 44.50 44.70 44.83

580 590 596 600 603 604

38.02 38.64 39.05 39.33 39.52 39.59

ANALISIS DE RESULTADOS  De la gráfica de % de Atrapamiento vs. volumen de solución de cobre tanto para solución sulfatada como para solución clorurada, se observa: En el numero de volumen 2 la diferencia entre el % de atrapamiento entre las dos soluciones es muy poca (4) manteniéndose constante la de la solución sulfatada, es decir es decir que la solución clorada atrapo cobre mas rápido en esta etapa, o en volumen de 40 ml. A un volumen de volumen 3 la solución clorada sigue atrapando mas cobre que la solución sulfatada, pero a un numero de volumen 5 tanto la solución sulfatada como la solución clorada tienen aproximadamente igual el mismo % de atrapamiento, que es independiente del tiempo, siendo así cualesquiera de las dos soluciones utilizadas eficientemente en el proceso. En conclusión con la solución sulfatada se atrapó el 100% del cobre solo hasta los primeros 40 mL, mientras que en la solución clorada ningún volumen de resina atrapó el 100% de Cu.

 Las gráficas de % Elusión vs. Volumen de solución HCl, muestran los rangos de volumen de HCl bajo los cuales es posible recuperar el mayor porcentaje de cobre de la resina, que para ambas soluciónes es de 30 mL. La solución de HCl recupera un mayor porcentaje de cobre, cuando la resina ha absorbido cobre de la solución clorada, en un 44.34%; con la solución sulfatada recupera un 43.03%.  Con la gráfica de % de cobre recuperado vs. Volumen de eluyente, se afirma que con la resina que se utilizo se recupera un mayor porcentaje de cobre con la solución sulfatada (44.83%), además el porcentaje de cobre recuperado solo aumenta considerablemente hasta los 40 mL aproximadamente, se mantiene constante después de los 60 mL. Para la solución clorada el % de cobre recuperado aumenta hasta 30ml y después de los 40ml se mantiene constante.  En definitiva la recuperación de cobre en la solución clorada es mayor y esta mas cerca al 100%, pero no es la mas efectiva en comparación con la sulfatada. PREGUNTAS 1. Concepto del proceso de intercambio iónico con resinas En metalurgia extractiva, el proceso de intercambio iónico [IX] consiste en el tratamiento de soluciones de lixiviación, para extraer de ellas uno o más compuestos, mediante la utilización de resinas sólidas, altamente reticuladas y con iones intercambiables. Estas resinas en general, están compuestas de granos o “perlas” que tienen una gran área específica, debido al retículo ya señalado, y que, al ponerse en o con una solución rica de lixiviación, atrapan químicamente uno o más metales, desprendiéndose el ión intercambiable. Con esto, se obtiene una resina cargada con el metal (o con un complejo del metal). Luego, se usa otra solución de características físico-químicas distintas a la de lixiviación, o eluyente, mediante el cual se descarga el material atrapado y se generan las capacidades extractivas de la resina. 2. Principales aplicaciones de este proceso en hidrometalurgia  En la recuperación de metales fueron realizados en relación con el reciclaje secundario de algunos metales a partir de residuos y desechos industriales. Por ejemplo, del cobre, desde residuos del procesamiento de rayón cupro-amonio y de recortes de la industria del bronce, de la plata, desde películas fotográficas, y del cromo, a partir de soluciones residuales del cromado electrolítico, entre otros.  En el tratamiento de soluciones con contenidos metálicos muy oscilantes y/o diluidos, por ejemplo, con concentraciones del metal de interés en e orden de los 500 ppm o menos. Para soluciones más concentradas, por encima del 0.5% (5000 ppm, ó 5 g/l), este método, en general, no proporciona opciones económicamente muy atractivas. Esto particularmente frente a la alternativa de la extracción por solventes que, generalmente, resulta más convincente para las aplicaciones situadas en el rango de concentraciones mayores y más estables.

Sin embargo, el rango intermedio de concentraciones es bastante amplio y conviene evaluar la viabilidad técnico-económica de ambos procesos, para cada caso particular, pues las singularidades propias de un caso determinado pueden resolver la conveniencia económica de un proceso o del otro. También debe enfatizarse su facilidad para adaptarse a las oscilaciones bruscas o muy pronunciadas de caudales y/o concentración en la alimentación, en los casos del tratamiento de derrames o de fuertes fluctuaciones estacionarias por lluvias o deshielos. Ventajas que se obtienen al usar las resinas de intercambio iónico en Hidrometalurgia Los volúmenes de solución se reducen hasta 20 ó 30 veces, partiendo de soluciones muy diluidas.  Permiten una alta recuperación del metal de interés, la que puede alcanzar el 99%.  Presentan una gran selectividad, si se elige adecuadamente una resina específica. 

3. Variables mas importantes Tipo de carga del ión móvil. Debido a que las resinas de intercambio iónico están constituidas por granos de material sólido macromolecular, de carácter polar e insoluble, con un reticulado muy fuerte que presentan una gran superficie interna y tienen aniones o cationes móviles; y que el intercambio iónico es un fenómeno de interfase que comprende un o iónico, el desplazamiento y finalmente el desprendimiento y alejamiento del ión móvil. Entonces el intercambio iónico dependerá del tipo de carga del ión móvil ya que si esta es positiva, se tendrán resinas catiónicas y si es negativa entonces serán resinas aniónicas. Las reacciones de intercambio se pueden representar así: Para un intercambiador aniónico R  X   A  R  A  X 

o bien, simplemente

X - ( re sin a )  A  ( solución )  A  ( re sin a )  X  ( solución ) Para un intercambiador catiónico: R Y   B   R  B   Y 

o bien, simplemente

Y - ( re sin a )  B  ( solución )  B  ( re sin a )  Y  ( solución ) El Ph. Mientras las resinas catiónicas fuertemente ácidas y las resinas aniónicas fuertemente básicas se ionizan completamente, las débilmente ácidas y las débilmente básicas no lo hacen completamente, y su grado de ionización es dependiente del pH de la solución externa. Los grupos ácidos débiles no se ionizan a pH bajos, mientras que los grupos básicos débiles no lo hacen a pH altos. En consecuencia, bajo esas condiciones el proceso de intercambio iónico se debilita considerablemente. La preferencia que presenta la resina por los contra-iones que forman los pares iónicos o enlaces más fuertes con los grupos iónicos fijos. La ocurrencia de interacciones de este tipo son más probables y se favorecen cuando los grupos iónicos fijos son de estructura similar a la de aquellos agentes precipitantes o acomplejantes

que reaccionan habitualmente con los contra-iones. Este tipo de interacción se conoce como formación de grupos ionogénicos. La capacidad máxima de intercambio iónico. Se trata de la cantidad de grupos ionogénicos por gramo de resina y libres de solutos y solventes adsorbidos. El peso de una resina es función de su forma iónica. Los valores normales de capacidad para una resina catiónica típica varían en el orfen de entre 2 y 5 miliequivalentes/gramo. La capacidad efectiva. Éste es el número de contra-iones intercambiables por una unidad específica de resina. Este valor coincide con la capacidad máxima en los casos de las resina fuertemente ácidas y fuertemente básicas, ya que, en esos casos la resina de ioniza completamente. Luego el número de grupos intercambiables de iguala con el número de grupos ionogénicos. Sinembargo, en los casos de las resinas débilmente ácidas y de las débilmente básicas, este número es menor, dado que la resina no se ioniza completamente. Para determinar la capacidad efectiva de la resina, experimentalmente se titula con un ácido o un álcali, según corresponda. El grado de hinchamiento, o hidratación. Este es de cuidado cuando se desea determinar las propiedades que dependen del volumen de la resina, densidad, peso específico, etc. ya que el resultado será completamente distinto si esté se mide con la resina seca o con la resina húmeda. 4. Principales resinas utilizadas industrialmente en la aplicación metalúrgica de este proceso Las principales resinas utilizadas en Hidrometalurgia son del tipo macroporoso, formadas por un copolímero poliestireno / di-vinil-benceno, el cual ha sido activado para la extracción por IX mediante un grupo funcional quelato. Estas son, Dowex XFS 4196 y, su versión más resiente, Dowex XFS 43084, ambos de DOW Chemical Co, utilizadas en la extracción del cobre. Resinas comerciales de IX, con aplicaciones en Hidrometalurgia, son: Dowex de DOW Chemical Co. (EEUU). Levextrel de Bayer AG (Alemania), Amberlite de Rohm & Haas (Gran Bretaña), Duolite de Diaprosim Ltd. (Francia), Ionac de Sybron Chem. Inc. (EEUU), entre varios proveedores alternativos de similar calidad e importancia. 5. equipos y plantas utilizadas en hidrometalurgía para el intercambio ionico.

Retención de cobre mediante una resina quelantante.

Columnas de intercambio iónico en una Planta de Concentración

OBSERVACIONES  En la etapa de atrapamiento se observa que el orden de mayor retención de cobre con respecto a la cantidad de volumen usado, en la resina es; sulfurada seguida de la clorada.  En la etapa de elusion se observa un orden contrario al de la etapa de atrapamiento, en donde la liberación más rápida de cobre es la clorada seguida de la sulfurada.  La capacidad absorción de cobre de la resina, se determina experimentalmente cuando cambia de color produciéndose la saturación, en este punto es innecesario seguir adicionando solución, y simultáneamente termina la etapa de atrapamiento e inicia la de elusión.  A medida que transcurre la etapa de elusión (adición de la solución de HCl) la resina retoma su color original de una forma progresiva, iniciando el cambio desde la parte superior de la resina y progresa a medida que se adiciona más solución de cobre (sulfatada o clorada ) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  Con la solución sulfatada se consigue un porcentaje de atrapamiento mayor que con la clorada pero hasta el final del proceso o en el ultimo numero de volumen.  El punto de saturación de la resina es al adicionar 5 volúmenes de 20ml c/u de solución sulfatada de cobre mientras que con la clorada se satura a los 6

volúmenes, es decir la resina en o con la solución clorada aumenta su punto de saturación.  Con base a los resultados tabulados y graficados se afirma que la solución con mayor facilidad para liberar el cobre de la resina lo presenta la solución clorurada donde el máximo porcentaje de elusión se alcanza al adicionar tres volúmenes de HCl.  Para el porcentaje de cobre recuperado vs. el volumen de eluyente con ninguna de las dos soluciones se recupera mas del 50%, es decir no se recupera ni la mitad de cobre inicialmente agregado.  Según el comportamiento de las tablas y las graficas se establece que la etapa de atrapamiento es la mas influyente al final del % de cobre recuperado porque si en esta etapa la resina capta mayor cantidad de iones se producirá una mayor cantidad de elemento de interés que se podrá extraer en una etapa de elusión.  La solución sulfatada es la que más rápido cede cobre a la resina, pero su posterior retiro de la resina es menor y más lento en comparación con la clorada, que a pesar de ceder el cobre mas lentamente después se retira con mayor eficiencia.  la solución clorada produjo menor porcentaje de recuperación con un total del 39.59% (604 mg) del cobre contenido en la solución (1525.68 mg) inicial, la eficiencia de este proceso en la etapa de atrapamiento es del 39.91% , y en la etapa de elusión fue del 99.20%, por lo tanto la solución clorada requiere de mayor numero de volúmenes en la etapa de atrapamiento pero es lo contrario para la etapa de elusión y recuperación del cobre.  De acuerdo a lo anterior se analiza si los beneficios que traen la mayor cantidad de cobre recuperado justifican la mayor cantidad de solución clorada de cobre a tratar o si por el contrario no lo hacen, se puede usar otra solución que aunque se recupera menos cobre, el volumen a utilizar en el atrapamiento es menor. Por esta razón la eficiencia de los distintos procesos queda mas condicionada a la parte económica, en donde se establece si hay o no un buen aprovechamiento de todos los recursos, en donde la eficiencia no se mide tomando en cuenta solo el cobre recuperado, si no todo el conjunto que incluye el beneficio económico del proceso.  Con la solución sulfatada aparece un precipitado que se deposita en la parte inferior de la bureta causando taponamiento y variaciones en el caudal que pueden afectar cualesquiera de las etapas. BIBLIOGRAFIA  DOMIC E. Hidrometalúrgia. Santiago de Chile, 2001.

 PEDRAZA ROSAS, Julio. Apuntes de Metalurgia Extractiva II sobre cementación de metales.