Extracción y Procesamiento del Cobre: Desde la Mina hasta el Cátodo

El proceso de obtención del cobre se inicia con la **explotación de la mina** y continúa con una serie de etapas que permiten purificar el mineral hasta obtener cátodos de alta pureza. Estas etapas se pueden dividir en dos grandes grupos:

1. Procesos pirometalúrgicos:
   • Reducción de tamaño
   • Concentración
   • Fusión y conversión
   • Refinación a fuego
   • Electrorefinación
2. Procesos hidrometalúrgicos:
   • Lixiviación
   • Tratamiento de soluciones
   • Electrorecuperación

El resultado final de ambos procesos son los cátodos de cobre.

Electrorefinación del Cobre

La electrorefinación es un proceso electrolítico que permite obtener cobre de alta pureza (99.99%). Se lleva a cabo en celdas electrolíticas donde se utiliza un ánodo de cobre impuro y un cátodo de cobre puro, sumergidos en una solución electrolítica de sulfato de cobre.

Reacciones en la Electrorefinación

• Reacción anódica: Cu = Cu²⁺ + 2e^– (El cobre del ánodo se disuelve en el electrolito como ion cúprico)
• Reacción catódica: Cu²⁺ + 2e^– = Cu (El ion cúprico disuelto en el electrolito se deposita en el cátodo como cobre metálico)
• Reacción global de la celda: Cu_{(impuro, ánodo)} = Cu_{(puro, cátodo)}

Las reacciones anódicas pueden ocurrir a diferentes velocidades:

• Reacciones anódicas rápidas: Cu_(impuro) = Cu⁺ + e^–
• Reacciones anódicas lentas: Cu⁺ = Cu²⁺ + e^–

Estos procesos son complejos y asimétricos, presentando sobrepotenciales:

• Disolución anódica: 30-40 mV
• Disolución catódica: 120 mV

También ocurre la reacción de oxidación del agua:

H₂O = 2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^–

Impurezas en la Electrorefinación

Durante la disolución anódica del cobre, las impurezas presentes se desprenden. Los metales más reactivos que el cobre se disuelven en el electrolito, mientras que las especies insolubles sedimentan en el fondo de la celda, formando barros anódicos.

Purificación del Electrolito

El electrolito se purifica en un circuito de celdas de limpieza por electrodepositación. En la primera etapa se deposita cobre, y en las siguientes, además de cobre, se eliminan arsénico (As), bismuto (Bi) y antimonio (Sb). La remoción del arsénico también se puede realizar con extractantes orgánicos líquidos o resinas sólidas.

Indicadores Técnicos y Económicos en la Electrorefinación

Los principales indicadores son:

• Calidad del cátodo
• Rapidez de producción
• Consumo unitario de energía
• Productividad

Variables de Control en la Electrorefinación

Las variables de control clave son:

• Características químicas y físicas del cobre
• Características del cátodo inicial
• Características del electrolito (químicas, temperatura, flujo, niveles)
• Densidad de corriente
• Cortocircuitos y corrientes fugitivas

Densidad de Corriente

La densidad de corriente es un indicador que muestra la rapidez de depositación del cobre sobre el cátodo y, por lo tanto, condiciona la capacidad productiva de la refinería. Se encuentra típicamente entre 220 y 350 A/m².

Eficiencia de Corriente

La eficiencia de corriente (Ec %) es la corriente efectivamente utilizada para la depositación del cobre respecto a la corriente total. Suele estar entre 95 y 98%. Las pérdidas se deben a:

• Fugas de corriente (1 a 3%)
• Cortocircuitos (1 a 3%)
• Reoxidación del cobre por el O₂ y Fe³⁺ (1%)

Consumo Específico de Energía

El consumo específico de energía (CEE) se encuentra entre 250 y 450 kWh/t de cobre.

Electroobtención Metálica

La electroobtención es un proceso de recuperación de metales desde soluciones ácidas de sulfato cúprico. Se aplica un campo eléctrico entre un ánodo inerte y un cátodo.

Componentes de la Celda de Electroobtención

• Ánodos: Fabricados de plomo aleado. En su superficie ocurre la reacción anódica u oxidación.
• Cátodos: Pueden ser una lámina inicial de cobre o una placa de acero. En su superficie ocurre la reacción catódica o reducción.
• Electrolito: Actúa como medio conductor iónico de la corriente y transporte de iones.
• Conductores metálicos: Conectan el ánodo con el cátodo externamente para la transferencia de electrones a la fuente generadora de energía.

Dimensiones Típicas de las Celdas de Electroobtención

• Largo: 4 a 7 m
• Ancho: 1.1 a 1.2 m
• Altura: 1.2 a 1.5 m
• Electrodos (ánodos y cátodos): laminares, área aproximada de 1 m²
• Separación entre electrodos: 2 a 5 cm
• Número de cátodos: 30 a 70
• Número de ánodos: 1 más que el número de cátodos

Calidad Catódica en la Electroobtención

El objetivo de la electroobtención es obtener cátodos de alta calidad:

• Calidad física: Densos, homogéneos, libres de protuberancias y rugosidades.
• Calidad química: Bajas impurezas (Pb, Fe, Cl, Mn), que afectan las propiedades físicas del metal. La calidad química es proporcional a la física.

Variables que Afectan la Electroobtención

• Variables de transferencia de masa: Difusión, migración y convección.
• Variables inherentes al electrodo: Tipo de material, superficie disponible, geometría, condiciones de superficie.
• Variables externas: Temperatura, presión, tiempo.
• Variables eléctricas: Potencial eléctrico, corriente eléctrica.
• Variables inherentes al electrolito: Tipo de solvente, concentración de especies electroactivas, oxidantes, reductoras, impurezas y otras.

Variables de Control en la Electroobtención y sus Efectos

Densidad de Corriente

En electrorefinación, se utiliza un rango de 170 a 240 A/m².

Si la densidad de corriente aumenta:

• Disminuye la eficiencia de corriente.
• Disminuye el consumo energético por unidad de masa del producto.
• Disminuyen los consumos de vapor al requerir temperaturas menores.
• Aumenta la pérdida de los metales nobles.
• Riesgos de deterioro de la calidad física de los ánodos.
• Aumento de los cortocircuitos.
• Depósitos de mala adherencia.
• Pasivación anódica.

Temperatura

Se utiliza un rango de 50 a 65 °C.

Si la temperatura aumenta:

• Se favorece la cinética de reducción del cobre.
• Mejora la migración iónica.
• Disminuye el consumo energético.
• Aumenta la solubilidad del ácido y del sulfato de cobre.
• Favorece la corriente de trabajo, incrementando la productividad.

Limitantes para el incremento de temperatura:

• Características del solvente.
• Resistencia térmica de los materiales de construcción.

Flujo de Electrolito

Si el flujo de electrolito aumenta:

• Favorece la cinética electroquímica, permitiendo incrementar las densidades de corriente y la productividad.

Limitantes para el incremento del flujo:

• Levantamiento de barros anódicos desde el fondo de la celda debido a la mala circulación del electrolito.
• Mala distribución del flujo en la celda, provocando que las zonas de mayor estancamiento se empobrezcan rápidamente, dando pie al crecimiento de nódulos.

Concentración Iónica

• Ion Cobre (Cu²⁺):
  • Concentraciones elevadas: Riesgo de cristalización de sulfato de cobre.
  • Concentraciones reducidas: Oclusión de electrolito.
• Ácido Sulfúrico (H₂SO₄): Se generan 1.54 toneladas de ácido por tonelada de cobre, un fenómeno químico que favorece el intercambio iónico en la extracción por solventes (SX).
• Ion Hierro (Fe): Reacciona en la zona catódica, reduciéndose a ion ferroso (Fe²⁺), que oxida al cobre del cátodo, disolviéndolo y afectando la eficiencia de corriente.

Adición de Aditivos

Los aditivos juegan un papel importante en la calidad física del depósito. Actúan como inhibidores que controlan el crecimiento preferencial y la formación de nódulos en los depósitos catódicos. Se utilizan aditivos orgánicos como proteínas (pegamento o cola de origen animal) y modificadores tipo lignosulfonatos o tiourea.

Fórmulas Clave en Electroquímica

• Intensidad de corriente: I = carga eléctrica / tiempo
• Voltaje: E = R * I
• Resistencia: R = d / K * 1 / A
• Energía: Energía = E * I * t
• Equivalente electroquímico: Masa_F = Pa / (z * F) = EEQ
• Masa de cobre depositada: M_Cu⁺/Cu = EEQ * I * tiempo
• Masa real depositada: Masa real = EEQ * I * t * Ef * 2
• Eficiencia de corriente: Ef = 100 * M_real / M_F
• Densidad de corriente: i = I / A
• Potencial teórico: E_theo = E° – (RT / FZ) * ln(potenciales)
• Producción por celda: Producción celda = M_real * (#cátodos/celda) / t_ciclo
• Producción de la planta: Producción de la planta = #celdas * Producción celda
• Consumo específico de energía: CEE = (E * I * t) / masa (agregar 2 por cátodos)
• Producción horaria: Producción horaria = Masa depositada / (área * tiempo)
• Rendimiento energético: Rendimiento energético = energía teórica / energía real consumida (los índices se invierten en oxidación)