WO2015164990A1 - Dispositivo electródico insertable que no genera neblina acida u otros gases, incluye procedimiento - Google Patents

Dispositivo electródico insertable que no genera neblina acida u otros gases, incluye procedimiento Download PDF

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WO2015164990A1
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dei
acid mist
insertable
electrode
strategic
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PCT/CL2015/000027
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Inventor
Jaime Roberto SIMPSON ALVAREZ
Original Assignee
ARAYA BORQUEZ, Victor
CORTES PANTOJA, Marco
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/12—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/04—Diaphragms; Spacing elements

Definitions

  • the present invention patent discloses an Insertable Electrode Device (DEI), for processes of electro obtaining metals, to solve the problem of pollution generated by current processes, since it does not generate acid mist or other gases.
  • DEI Insertable Electrode Device
  • the principle is based on the fact that within the (DEI) there is an oxidation semi-cell reaction that is complemented by the semi-reduction cell that occurs in the electro-obtaining metal cell that uses it.
  • the (DEI) does not generate gases and as a consequence no acid mist is emitted into the environment.
  • the electrode insertable device (DEI) replaces the current anodes and allows oxidation reactions to be produced below the energy threshold of electrolytic decomposition of water, thus avoiding electrodegeneration of gaseous oxygen that is the main cause of acid mist.
  • the (DEI) is an insertable electrode device as a contained monolithic unit or cartridge.
  • the (DEI) consists mainly of an outer polymeric frame that acts as a container, lateral membranes and inlet and outlet ducts for solutions inside the device.
  • a conductive or semiconductor material is incorporated, which we will call a conductive or strategic semiconductor material (CSE), which is immersed in an electrolyte with ions suitable for a particular application, which circulates from the inlet ducts to the ducts of Departures.
  • CSE conductive or strategic semiconductor material
  • the (CSE) inside the device is attached to an external conductive bar located above the device container.
  • This conductive bar must be designed to support the weight of the container as a whole and to contact the (CSE) located inside, with the system that conducts the electrical energy of the plant.
  • the width of the (DEI) allows it to be placed in electrolytic cells without making any modifications to the industrially used geometries.
  • the (DEI) replaces the traditional anodes used in electro-obtaining metal processes (mainly lead alloys or other conductive or semi-conductive electrodes); that is, like the anodes currently used in electro-obtaining processes, the (DEI) is mounted in the electrolytic tank, contacting the lateral electrical conductors that correspond to the positive pole and isolating the electrical contact in the negative pole , submerging in the electrolyte that contains the metal of interest usually referred to as rich electrolyte (ER), inside the tank.
  • ER rich electrolyte
  • the field of application of (DEI) is in the mining industry, specifically in the processes of electro obtaining metals, such as copper, nickel, cadmium, gold, silver, zinc, cobalt and many more.
  • the (DEI) also allows efficient processing of solutions directly from leaching, without the need to concentrate the element of interest via solvent extraction, ion exchange or activated carbon, as the incorporated membranes perform this work. That is, the (DEI) can replace solution concentration systems. It can also be applied effectively in the treatment of effluents with heavy metal contents from various industries, electrolyte recirculation in production systems or in the treatment of special electrolytic coatings.
  • the main comparative advantage is that the (DEI) of the invention allows operation without acid mist emission, and therefore, the installation problems associated with this point (environmental pollution, corrosion, increased consumption of water, etc.)
  • the electro-obtaining cell operating with the (DEI) achieves better energy efficiency, with a very low specific consumption of electrical energy compared to conventional and similar current efficiencies. There is no acid mist because water does not electrolytically decompose and consequently there is water savings.
  • the electro-obtaining (EO) process is currently carried out in rectangular polymer concrete ponds called "conventional electrolytic cells or tanks” (CEO), which are arranged inside metal plates submerged in a solution rich in copper in an acidic environment. These plates correspond alternately to anode and cathode.
  • CEO conventional electrolytic cells or tanks
  • the traditional procedure uses permanent 316L stainless steel cathodes or other equivalent in the vast majority of operations. All the plates are electrically connected in parallel in an electrolytic cell, so as to form a circuit through which a continuous electric current is circulated, from anode to cathode.
  • the metal in solution such as copper in oxidation state +2 (Cu 2+ ) migrates to the cathode that is negatively polarized, electro depositing on the surface of it as metallic copper.
  • the so-called acid mist is caused by the electro generation of small oxygen bubbles on the surface of the anode that emerge to the surface of the electrolyte, bursting and emitting a set of micro electrolyte particles that are distributed spatially in the electrolytic space, polluting the environment labor and the environment surrounding the plant, generating risks for people, flora, fauna and the environment in general.
  • This acid mist corrodes equipment, electrodes and structures, forcing operational measures to mitigate these emissions.
  • the law requires the control of the concentration of acid inside the Ship and has set at 0.8 ppm / m 3 of air at sea level, but, this value decreases depending on the altitude of the site, for example to 3000 masl is required 0.53 ppm / m 3 .
  • the great copper mining has high economic budgets destined to comply with the current regulation, but, it is quite possible that in the near future the environmental demands increase.
  • the (DEI) applied in this case solves these problems associated with the current procedure, not generating gases or acid mist.
  • the field of application is mainly in the mining industry but not exclusive of other industrial applications and uses. STATE OF THE TECHNIQUE
  • the acid mist in addition to the serious damage that can occur in the human body, which today are mitigated by the use of more sophisticated EPP, but increasingly more uncomfortable for operators, does not prevent serious damage to structures, to the electronic equipment and machinery that are inside the ship, as well as the important fraction of this mist that leaves the electrolytic ship, which damages the rest of the industrial facilities (which also affects the people who work there) and the surrounding communities, flora and fauna of the environment, which could eventually contaminate water resources.
  • the anode In conventional electrolytic procedures, the anode, conductive or semi-conductive, is immersed inside the electrolytic cell, so that the electrolytic reactions that occur on its surface, occur with the rich electrolyte (ER), that is to say anode and cathode They share the same electrolyte.
  • ER rich electrolyte
  • Equations 1 to 6 represent these reactions on the anodic surface.
  • the traditional process of electro obtaining copper is carried out with lead alloy anodes, DSA or RGT anodes immersed in an electrolytic cell or cell through which the (ER) circulates, and are arranged alternately anode-cathode-anode, treating to maintain a minimum distance between anode and cathode, but, avoiding that they are contacted electrically between them to avoid short circuits.
  • the semi-cell reactions that occur in this process, regardless of the type of conductor are the following:
  • (DEI) has external contact with the rich electrolyte (ER) through ion exchange membranes that make up the wider walls of the device, unlike the traditional process in which the anode is directly in contact with the (ER). That is, the (DEI) does NOT directly use the (ER) for its electrochemical reactions.
  • the IMAM cell (Request, CL / 201100617) does not produce acid mist, however, it is a new electrolytic cell that replaces the current ones, unlike the (DEI) that only replaces the anode, as an insertable electrode device.
  • the electrode insertable device replaces the current anodes and allows oxidation reactions to be produced below the energy threshold of electrolytic decomposition of water, thus avoiding electrodegeneration of gaseous oxygen that is the main cause of acid mist.
  • FIG. 1 Symmetric view showing the main elements.
  • FIG. 2 Isometric view of the exploded view of the device (DEI).
  • FIG. 3 Lateral view showing the direction of movement.
  • FIG. 4 Front section view showing elements and flow.
  • FIG. 5 Front section view showing a conventional cell.
  • FIG. 6 Front section view showing the (DEI) in a (CEO).
  • FIG. 7 Cutting view in conventional cell plant (CEO).
  • FIG. 8 Plan view of the (DEI) as an anode in the (CEO).
  • the electrode insertabie device (DEI) (1) of the invention is shaped and confined as a box or cartridge that acts as a container and is a movable, insertable and removable monolithic basic unit in the electrolysis cells for obtaining metals.
  • the (DEI) (1) allows its configuration of shape and dimensions to be variable as a mobile unit container, to adapt it to the shape and dimensions of the cell in which it will be used.
  • the (DEI) (1) considers and allows the possibility of giving it different volumetric shapes, being able to be rectangular, cylindrical in shape and can even have special geometries as required by a specific application.
  • Fig. 1 shows the cartridge or container that as a unit forms the device (DEI) (1), which has a polymeric structure that constitutes a perimeter frame (2) that gives it structural strength and ensures the tightness of the assembly, preventing the leakage of solutions from the inside to the outside or vice versa, where this perimeter frame (2) works together with some side walls that are formed by ion exchange membranes (3) located on both sides of the cartridge, where by the Inner cavity formed by these ion exchange membranes (3), a strategic electrode (4) is located, which is a conductive or strategic semiconductor material (CSE).
  • DEI device
  • an inlet duct (5) is located and in the right an outlet duct (6), where a horizontal conductive bar (7) is electrically connected to the strategic electrode (4) ), by means of vertical conductive bars (8), in which presses or handles (9), allow to insert or remove the (DEI) (1).
  • Fig. 2 isometrically shows the exploded view of the insertabie electrode device (DEI) (1), where it is shown that the device as a cartridge is configured and confined by retaining walls that are ion exchange surfaces or membranes (3), These membranes are supported by the perimeter frame (2) that includes two perimeter seals on both sides.
  • the perimeter frame (2) is made of polymer based resistant to corrosive environments, this structure allows varying the volumetric shape as required, depending on the aqueous medium containing the metal to be obtained. It shows the horizontal conductive bar (7), the inlet duct (5) and the outlet duct (6). It also indicates the location of vertical busbars (8) and where A conductive electrolyte (10) circulates which is an electrolyte with ions suitable for a particular application, which circulates from the inlet ducts (5) to the outlet ducts (6).
  • Fig. 3 shows in side section as inside the insertable electrode device (DEI) (1), a strategic electrode (4) is located, which can be found configured or with the condition of massive electrode, mesh electrode or as plate electrode;
  • the materials of the strategic electrode (4) can be conductors or semiconductors (metals, graphite, graphene, metals coated with oxides of iridium, tantalum or ruthenium). It indicates the location of a busbar (11) connected to the inlet duct (5) and the location of a busbar (12) connected to the outlet duct (6) and the direction of circulation of the conductive electrolyte (10).
  • Fig. 4 shows the direction of circulation of the conductive electrolyte
  • the conductive electrolyte (10) is called strategic electrolyte and is an aqueous medium that contains the ionic pair that will be used for the anodic semi-cell reaction and which in the case of copper will be the Fe (II) / Fe (III) cup.
  • the circulation of the conductive electrolyte (10) inside the cartridge (1) that makes up the (DEI) (1) is carried out through circulation outlet ducts (14), in which the ingress of the fluid is injected through the connector or inlet duct (5), where the fluid that enters it does it at constant pressure and descends vertically, distributing perpendicularly and horizontally throughout the inner surface of the cartridge (1) thanks to the distributor bar (11), the fluid pressure allows that is captured by the evacuation bar (12) in a homogeneous manner, to be evacuated from (DEI) (1) by the outlet duct (6).
  • Fig. 5 shows in front section a conventional electro-obtaining or electrolysis cell (CEO), indicates the connector with positive polarity (15) and the capping board (16) that allows to isolate anode from the contact with negative polarity.
  • CEO electro-obtaining or electrolysis cell
  • Fig. 6 shows in front section a conventional electro obtaining or electrolysis cell (CEO) and inside the cartridge or device (DEI).
  • the (DEI) at the top has a bar horizontal conductor (7) that is electrically connected to the strategic electrode (4), by means of vertical conductor bars (8), which also allow the cartridge to be physically held as a whole.
  • the (DEI) must remain in electrical contact with the positively conductive busbars (15) of the conventional cells, by means of the support of the horizontal busbar (7) of the device.
  • This horizontal conductive bar (7) must rest on the capping boards (16) that allow electrically isolating the negative pole of the conductive bars or base (15) of the cells.
  • the connection between the vertical conductor bars (8) and the horizontal conductor bar (7) is carried out by means of a system of presses or handles (9).
  • the (DEI) is in electrical contact with the positive polarity conductor bars (15) of the CEO CEO cells, by means of the support of the horizontal conductor bar (7) of the device.
  • This horizontal conductive bar (7) rests on the capping boards (16) that allow electrically isolate the negative pole of the conductive bars or base with positive polarity (15) of the cells (CEO).
  • the connection between the vertical conductor bars (8) and the horizontal conductor bar (7) is carried out by means of the presses or handles (9).
  • Fig. 7 shows a plan cut of a conventional electrolysis cell (CEO) and the arrangement of the traditional cathode (18) and the traditional anodes (17) and the conductive bars or base with positive polarity (15) of the cells (CEO) .
  • Fig. 8 shows a plan section of a conventional electrolysis cell (CEO) and the arrangement of the traditional cathode (18) and the location of the insertable electrode device (DEI) or cartridge, where in the case of electro obtaining Of copper, the (DEI) or cartridge considers a maximum thickness to achieve an adequate insertion as a device inside a conventional electrolysis cell, without changing the original design of the traditional cathode (18), which allows ranges of variation between 10 to 15 millimeters approximately between the anode to anode centers, (17) to (17) or cartridge to cartridge.
  • the (DEI) or cartridge acts as a detachable and removable anode inside a conventional electro-obtaining cell (CEO). Procedure and method of work of the DEI
  • the electrode insertable device (DEI) (1) replaces the current anodes (17) and allows oxidation reactions to occur below the energy threshold of electrolytic decomposition of water, thus avoiding the problem of the electro-product technique. of gaseous oxygen that is the main cause of acid mist.
  • the (DEI) is designed to act as an anode in the processes of
  • CSE conductive or semiconductor material
  • the membrane (3) is a polymeric material with fixed groups electrically charged inside. If the functional groups are positive, it is a cation exchange membrane (3) and if the groups are negative, it corresponds to an anion exchange membrane (3).
  • the importance of the membranes (3) is to maintain a physical separation between the (ER) rich electrolyte, which contains the metal to be recovered, and the fluid that circulates inside the (DEI), but, which allow to maintain the electrical conductivity between the (ER) and the fluid circulating inside the (DEI) thanks to the selective ion exchange in only one direction, from the ER into the (DEI).
  • the fluid circulating inside the (DEI), with conductive characteristics and containing a suitable REDOX cup, is called strategic electrolyte (EE).
  • the (CSE) inside the device is attached to a horizontal conductive bar (7) external to the (CEO) located above the device's container.
  • This horizontal conductive bar (7) must be designed to support the weight of the container as a whole as a device or cartridge and to contact the (CSE) located inside, with the system that conducts the electrical energy of the plant.
  • the geometry of the (DEI) allows to locate it in the current industrial cells, maintaining the amount of cathodes of each cell and without making any change in the geometry of the current cells.
  • the (DEI) or cartridge replaces the traditional anodes used in electro-metal processes (mainly lead alloys or other conductive or semi-conductive electrodes); that is, like the anodes currently used in electro-obtaining processes, the (DEI) is mounted in the electrolytic tank, contacting the lateral electrical conductors that correspond to the positive pole and isolating the electrical contact in the negative pole , submerging in the electrolyte that contains the metal of interest usually referred to as rich electrolyte (ER), inside the tank.
  • ER rich electrolyte
  • the walls corresponding to the membranes must be submerged in the outer electrolyte that contains the metal to be recovered.
  • n + 1 cartridges (1) or (DEI) Between two cartridges or units of (DEI) a cathode is located, so that in an electrolytic cell there will always be n + 1 cartridges (1) or (DEI), for every n cathodes. This is very similar to the current situation, for that reason no modifications should be made to the current electrolytic cells or to the electrical conductors, or to the electrical insulators. Nor are modifications to the lifting and displacement equipment of materials in the electrolytic building considered.
  • the process sequence would occur as follows: inside the (DEI) a ferrous ion contained in the (EE) , it contacts the (CSE) located inside the (DEI) box, reacting electrolytically on the surface of the (CSE), in which the electrolytic transformation of the ferrous ion to ferric ion occurs, so that the (EE) that comes out of (DEI), results in a high content of ferric ion.
  • the reaction of ferrous ion to ferric ion transformation implies the loss of electrons that are transported by the electrical conductors to the cathode, polarizing it negatively. In the cathode the reduction of the cupric ion occurs, which captures the electrons deposited as metallic copper.
  • ferrous ion to ferric ion occurs at a much lower energy threshold than the electrolytic decomposition of water, and because of this, it does not produce acid mist, because it does not generate micro bubbles of gaseous oxygen that emerge and burst on the surface of the electrolyte, which are the cause of the emission of acid mist.
  • the procedure for installing (DEI) in a conventional cell includes the following steps: a) installation of an external recirculation tank (EE), with heat exchanger and respective piping; b) de-energization of the plant to execute replacement procedure;
  • the (DEI) allows electro deposition of metals without emitting acid mist to the work environment or to the environment surrounding the facilities, so that existing acid mist mitigation systems can be eliminated.
  • the main objective of the (DEI) is to eliminate the Acid Mist that is emitted from the current electro-obtaining systems that are applied and use the electrolytic decomposition of water, which generates micro oxygen bubbles that emerge to the surface of the electrolytes, where they burst and emit a distribution of micro drops that pollute the environment.
  • the (DEI) eliminates the root of the problem and does not generate acid mist.
  • the energy threshold for not electrolytically decomposing water allows eliminating the production of chlorine gas.
  • the number of units of (DEI) that are required for a certain level of production is calculated by means of Faraday's law, commonly used for these calculations and that relates the production of a metal of interest with current density and the area of (DEI).
  • the (DEI) In the case of copper, the (DEI) must be arranged in cells of 15, 30 or 60 cathodes that exist in the market.
  • the (EE) that is fed is a solution in sulfuric environment in an acidity range between 150 to 180 g / L of sulfuric acid with a total Fe concentration in solution between 50 at 90 g / L, mostly as Fe (II).
  • the working temperature can be moved from room temperature to 90 ° C.
  • the (EE) leaving (DEI) contains between 150 to 180 g / L of sulfuric acid with a total Fe concentration in solution between 50 to 90 g / L, mostly as Fe (III).
  • the working temperature can be moved from room temperature to 90 ° C.
  • the flow rate at each (DEI) can be moved between 1 to 60 L / min.
  • the (CSE) can be a conductive or semi-conductive material, in the form of a plate, mesh, metallic wool or pieces of these materials filling the cavity of the cartridge (1), as long as they have electrical contact with the conductive horizontal bar (7) higher.
  • the selection of the (CSE), the (EE) and the redox pair to be used, as well as the most suitable ion exchange membrane (3) is carried out by means of laboratory-level tests that consider performing linear voltammetries in a unit scalable to industrial size and of tests in a scalable unit, also of laboratory level, of electro-obtaining tests in which all the metallurgical responses that allow selecting these materials properly are measured.
  • cell voltages recorded values between 0.6 to 1.85 V, range in which no acid mist occurs, operating with current densities of 250 to 600 A / m 2 , respectively. These values were validated at the pilot level, without the emission of acid mist.
  • the reactions involved in the selection correspond to those presented in equations 7 through 11.
  • the polymeric materials that constitute the structure that supports (DEI) and that tenses the membranes, must also be tested to ensure their chemical resistance.
  • the metals that can be recovered with this new technology are zinc, copper, gold, silver, cadmium, nickel, palladium, platinum, cobalt and rhodium, whose semi-cell reactions correspond to the reduction of these ionic species to their metallic form, reaction that necessarily occurs on the negatively polarized surface of the cathode.
  • the anodic reaction is any oxidation reaction that in the series of standard potentials is located above the reduction of the metallic species and below the oxidation reaction of water, which does not form gases.
  • the Fe (II) / Fe (III) cup This change is substantial, since the generation of acid mist due to the evolution of gases is avoided, as is the case with the oxygen generated in the electrolytic decomposition of water. Therefore, the anodic reaction used by technology (DEI) is below the energy threshold of water oxidation. This further allows to avoid the occurrence of undesired oxidation reactions such as electro-chlorine generation and thus avoiding all the problems that are associated with these reactions.
  • the anion that will be transferred into the (DEI) is the ion SO ⁇ .
  • the anionic ion exchange membrane (3) used in the (DEI) only allows the passage of anions, therefore the electrolyte rich in copper and other species, will maintain the cations that make it up, in the same way as the cations that make up the anolyte; This allows the current efficiency to be very high, as undesirable reactions of oxide impurity reduction do not occur as the conventional process.
  • the energy threshold will be lower than the decomposition of water, so the energy requirements are lower, no acid mist is generated and chlorine is not oxidized.
  • the physical barrier of the external frame of the DEI protects the membranes and the electrode (CSE) located inside, from accidental shocks when cathodes are handled during the harvest of the deposited product.
  • the change in anodic reaction decreases in water consumption, which is estimated to be approximately halved; for example in the conventional process to deposit 1 mole of 1 mole of copper, consumes one mole of water, increasingly scarce input.
  • the water that must be replenished must be pretreated to ensure its purity and must be heated so as not to cause sudden temperature changes. With the incorporation of the DEI, water is not consumed by this concept and only the water that evaporates and the equivalent of purges of the system must be replaced.
  • Fe (III) is generated, an essential reagent for sulfide leaching.
  • Any solution concentration process can be eliminated (eg solvent extraction).

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Abstract

Dispositivo Electródico Insertable (DEI), para procesos de electro obtención de metales, no contaminante debido a que no genera neblina ácida u otros gases. El principio se basa en que al interior del (DEI) se produce una reacción de semi-celda de oxidación que se complementa con la semi celda de reducción que se produce en la celda de electro obtención de metales que la utiliza. El (DEI) no genera gases y como consecuencia no emite neblina ácida al medio ambiente. El (DEI) reemplaza a los ánodos actuales y permite producir reacciones de oxidación por debajo del umbral energético de la descomposición electrolítica del agua, evitando de esta forma la electro generación de oxígeno gaseoso que es la causa principal de la neblina ácida. El dispositivo electródico insertable DEI comprende un marco perimetral, membranas de intercambio iónico, un electrodo estratégico que es un conductor o semiconductor estratégico CSE, ducto de entrada y ducto de salida, una barra conductora horizontal, barras conductoras eléctricas verticales, agarraderas o prensas, un electrolito estratégico, una barra distribuidora, una barra evacuadora, perforaciones de entrada de circulación y perforaciones de salida de circulación.

Description

DISPOSITIVO ELECTRÓDICO INSERTABLE QUE NO GENERA NEBLINA ACIDA U OTROS GASES, INCLUYE PROCEDIMIENTO.
CAMPO DE APLICACIÓN
La presente patente de invención, divulga un Dispositivo Electródico Insertable (DEI), para procesos de electro obtención de metales, para resolver el problema de la contaminación generada por los actuales procesos, ya que no genera neblina ácida u otros gases. El principio se basa en que al interior del (DEI) se produce una reacción de semi-celda de oxidación que se complementa con la semi celda de reducción que se produce en la celda de electro obtención de metales que la utiliza. El (DEI) no genera gases y como consecuencia no se emite neblina ácida al medio ambiente. El dispositivo electródico insertable (DEI) reemplaza a los ánodos actuales y permite producir reacciones de oxidación por debajo del umbral energético de la descomposición electrolítica del agua, evitando de esta forma la electro generación de oxígeno gaseoso que es la causa principal de la neblina ácida.
El (DEI) está concebido para actuar como ánodo en los procesos de electro obtención de metales, particularmente, para reemplazar la reacción anódica correspondiente a la descomposición electrolítica del agua (H20 = 2H+ + θ2 + 2e E0,25oC = -1,23 VENH,25°c) Por la oxidación del ion ferroso a ión férrico (Fe2+ = Fe3+ + e E0 25oc = -0,77 VENH;25°C) o para el reemplazo de cualquier reacción anódica por una reacción de menor requerimiento energético y que no genere gases de ningún tipo que se emitan al medio ambiente en forma de neblina ácida.
El (DEI) es un dispositivo electródico insertable como unidad monolítica contenida o cartucho. El (DEI) está constituido principalmente por un marco polimérico exterior que actúa como contenedor, por membranas laterales y por conductos de entrada y salida de soluciones al interior del dispositivo. Al interior del (DEI) se incorpora un material conductor o semiconductor que denominaremos material conductor o semiconductor estratégico (CSE), que se encuentra inmerso en un electrolito con iones adecuados para alguna aplicación particular, que circula desde los conductos de entradas hacia los conductos de salidas.
El (CSE) en el interior del dispositivo, está unido a una barra conductora externa ubicada por sobre el contenedor del dispositivo. Esta barra conductora debe ser diseñada para soportar el peso del contenedor en su conjunto como dispositivo y para contactar el (CSE) ubicado en su interior, con el sistema que conduce la energía eléctrica de la planta. El ancho del (DEI) permite ubicarlo en celdas electrolíticas sin realizar ningún tipo de modificaciones a las geometrías usadas industrialmente.
El (DEI) reemplaza a los ánodos tradicionales utilizados en los procesos de electro obtención de metales (principalmente aleaciones de Plomo u otros electrodos conductores o semi conductores); es decir, al igual que los ánodos utilizados en la actualidad en los procesos de electro obtención, el (DEI) se monta en la cuba electrolítica, contactándose con los conductores eléctricos laterales que corresponden al polo positivo y aislando el contacto eléctrico en el polo negativo, sumergiéndose en el electrolito que contiene el metal de interés denominado usualmente como electrolito rico (ER), al interior de la cuba.
El campo de aplicación del (DEI) es en la industria de la minería, específicamente en los procesos de electro obtención de metales, como por ejemplo cobre, níquel, cadmio, oro, plata, cinc, cobalto y muchos más.
En la actualidad se utiliza generalmente la descomposición electrolítica del agua y al respecto, el problema de la Neblina Acida se ha consumido una gran cantidad de recursos en cuantificación, investigación, control y mitigación del problema, pero, que necesariamente invita a reflexionar por la cantidad de recursos "menos visibles" como son corrosión de estructuras, equipos, tarjetas electrónicas, daño en ánodos y cátodos del mismo proceso y los más importantes, pero, a veces más difíciles de medir aun, gastos en Salud y Seguridad para las personas, daño en el medio ambiente, aumento de la huella de carbono por una mala eficiencia energética, que si se suma, a las crecientes exigencias medio ambientales a nivel mundial, indudablemente se llega a la conclusión que los procesos de electro obtención que utilizan la electro descomposición de agua como reacción anódica en un futuro próximo, y en forma inexorable deberán dejar de operar. El (DEI) constituye una solución al problema de la técnica de este proceso.
El (DEI) permite además, procesar en forma eficiente las soluciones provenientes directamente de lixiviación, sin necesidad de concentrar el elemento de interés vía extracción por solventes, intercambio iónico o carbón activado, pues las membranas incorporadas realizan este trabajo. Es decir, el (DEI) puede reemplazar los sistemas de concentración de soluciones. También se puede aplicar en forma eficaz en el tratamiento de efluentes con contenidos de metales pesados provenientes de variadas industrias, recirculación de electrolito en sistemas productivos o en el tratamiento de recubrimientos electrolíticos especiales.
La principal ventaja comparativa, obedece a que el (DEI) de la invención, permite operar sin emisión de neblina ácida, y por lo tanto, no se presentarán los problemas en la instalación asociados a este punto (contaminación ambiental, corrosión, mayor consumo de agua, etc.). La celda de electro obtención operando con el (DEI) logra un mejor rendimiento energético, con un consumo específico de energía eléctrica muy bajo en comparación al convencional y eficiencias de corriente similares. No hay neblina ácida porque no se descompone electrolíticamente agua y consecuentemente hay un ahorro de agua.
Como ejemplo de campo de aplicación para el caso del cobre, en la actualidad el proceso de electro obtención (EO) se lleva a cabo en estanques rectangulares de concreto polimérico llamados "celdas o cubas electrolíticas convencionales" (CEO), en cuyo interior se disponen placas metálicas sumergidas en una solución rica en cobre en ambiente ácido. Estas placas corresponden alternadamente a ánodo y cátodo.
El procedimiento tradicional utiliza cátodos permanentes de acero inoxidable 316L u otro equivalente en la gran mayoría de las operaciones. Todas las placas se encuentran conectadas eléctricamente en paralelo en una celda electrolítica, de manera de conformar un circuito por el que se hace circular una corriente eléctrica continua, desde ánodo a cátodo.
El metal en solución, como por ejemplo, el cobre en estado de oxidación +2 (Cu2+), migra hacia el cátodo que está polarizado negativamente, electro depositándose en la superficie del mismo como cobre metálico.
Una vez transcurrido el ciclo de depósito del metal de interés (por ejemplo, cinco a siete días en el caso del cobre) desde que los cátodos sin el depósito ingresaran a las celdas, se efectúa la cosecha de los mismos. Siendo éstos lavados y luego llevados a las máquinas despegadoras de las láminas de metal depositadas en ambas caras o son raspados o separados, en los casos en que se produce polvo o algún depósito especial. Volviéndose a utilizar el cátodo para un nuevo ciclo. En las celdas de electrólisis convencionales (CEO), la reacción que ocurre en el ánodo es la descomposición electrolítica del agua : H20 = 2H+ + i 02 + 2e. El uso de esta reacción anódica requiere de una elevada tensión de celda y consecuentemente un alto consumo de energía. La generación de oxígeno producida por la descomposición del agua es la causa raíz de la emisión de neblina ácida en las naves de electro obtención.
La denominada neblina ácida es causada por la electro generación de pequeñas burbujas de oxígeno sobre la superficie del ánodo que emergen a la superficie del electrolito, reventando y emitiendo un conjunto de micro partículas de electrolito que se distribuyen espacialmente en la nave electrolítica, contaminando el ambiente laboral y el entorno circundante a la planta, generando riesgos para las personas, flora, fauna y medio ambiente en general. Esta neblina ácida corroe equipos, electrodos y estructuras, lo que obliga a tomar medidas operacionales para mitigar estas emisiones. La ley exige el control de la concentración de ácido al interior de la Nave y ha fijado en 0,8 ppm/m3 de aire a nivel del mar, pero, esta valor disminuye en función de la altitud del emplazamiento, por ejemplo a 3000 msnm se exige 0.53 ppm/m3. La gran minería del cobre tiene altos presupuestos económicos destinados a cumplir con la regulación actual, pero, es bastante posible que en un futuro cercano las exigencias ambientales aumenten.
Los problemas existentes asociados al uso de la actual reacción anódica, principalmente son los siguientes:
• Generación de Neblina ácida
• Mayor consumo de Agua
• Alto consumo específico de energía
• Umbral de energía para la oxidación del agua
• Baja eficiencia de corriente farádica
• Uso de ánodos base plomo
El (DEI) aplicado en este caso, resuelve estos problemas asociados al actual procedimiento, no generando gases ni neblina ácida. El campo de aplicación es principalmente en la industria de la minería pero no privativa de otras aplicaciones y usos industriales. ESTADO DE LA TÉCNICA
En la actualidad el procedimiento que se utiliza para electro obtención de metales, se basa en la reacción de descomposición electrolítica del agua, que al electro generar oxígeno gaseoso produce la emisión de neblina ácida al medio ambiente y todos los efectos colaterales que esto provoca. Este procedimiento utilizado en la actualidad deja en evidencia un problema de la técnica.
La neblina ácida además de los graves daños que puede producir en el organismo humano, los cuales hoy día se mitigan por el uso de los EPP cada día más sofisticados, pero crecientemente más incómodos para los operadores, no evita el grave daño a las estructuras, a los equipos electrónicos y las maquinarias que están al interior de la nave, así como la fracción importante de esta neblina que sale de la nave electrolítica, que daña el resto de las instalaciones industriales (que también afecta a las personas que laboran ahí) y a las comunidades aledañas, flora y fauna del entorno, que eventualmente podría contaminar recursos hídricos.
En este sentido, el principal problema de la técnica asociado, radica en el uso de la reacción que ocurre sobre la superficie del ánodo que es la descomposición electrolítica del agua : H2o = 2H+ +
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+ 2e.
En los procedimientos electrolíticos convencionales, el ánodo, conductor o semi conductor, se sumerge al interior de la cuba electrolítica, de manera que las reacciones electrolíticas que ocurren sobre su superficie, se producen con el electrolito rico (ER), es decir ánodo y cátodo comparten el mismo electrolito.
Ejemplo de aplicación; en el caso del cobre, una molécula de agua del electrolito rico ER, reacciona sobre la superficie anódica dónde se descompone electrolíticamente el agua, formando dos moléculas de ión hidrógeno y una molécula de oxígeno gaseoso, que emerge a la superficie del electrolito contenido en la celda electrolito, ahí explota y expulsa una distribución de micro gotas de este electrolito que contamina el galpón o nave electrolítica con neblina ácida. Cada vez que ocurre esta reacción se liberan dos electrones que viajan a través del circuito eléctrico polarizando negativamente el cátodo. En el cátodo se acumulan iones cúpricos, que captan estos electrones produciéndose la reducción y consecuente precipitación de cobre sobre la superficie del cátodo. El circuito eléctrico se cierra con el transporte de cargas iónicas en el único electrolito del sistema, moviéndose los aniones hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo, la conductividad del único electrolito constituye en sí, una resistencia eléctrica del sistema . Las ecuaciones 1 a 6 representan estas reacciones sobre la superficie anódica .
El proceso tradicional de electro obtención de cobre se lleva a cabo con ánodos de aleación de Plomo, ánodos DSA o RGT inmersos en una cuba o celda electrolítica por el que circula el (ER), y se disponen alternadamente ánodo-cátodo-ánodo, tratando de mantener una dista ncia mínima entre ánodo y cátodo, pero, evitando que se contacten eléctrica mente entre ellos para evitar cortocircuitos. Las reacciones de semi celda que ocurren en este proceso, independiente del tipo de conductor son las siguientes :
Reacciones sobre la superficie Anódica (las reacciones se presentan en el sentido de la oxidación) :
Principal : H20 = 2H+ + ± 02 + le £o,25°c - -1,23 VENH ( 1)
Secundarias : 1CI~ = Cl2 + le 0,25 °c = -1,36 VENH (2)
: Fe2+ = Fe3+ + e Eo,25°c =—0,77 VENH (3)
Reacciones sobre la superficie Catódica (las reacciones se presentan en el sentido de la reducción) :
Principal : Cu2+ + le = Cu E0j25oc = 0,34 VENH (4)
Secundaria : Fe3+ + e = Fe2+ E0 2 S oc = 0,77 VENH (5)
Reacción Global : Cu2+ + H20 = Cu + lH+ + 02 (6)
Una diferencia fundamental que presenta el (DEI), es que el (DEI) tiene contacto externo con el electrolito rico (ER) por medio de membranas de intercambio iónico que conforman las paredes más amplias del dispositivo, a diferencia del proceso tradicional en que el ánodo está directa mente en contacto con el ( ER) . Es decir, el (DEI) NO utiliza directamente el (ER) para sus reacciones electro químicas.
Hoy en día las soluciones tecnológicas se han orientado a mitigar el problema de la neblina ácida, aplicando las siguientes tecnologías (no excluyentes entre sí) :
• Esferas de polipropileno.
• Ventilación Forzada .
• Uso de tenso activos.
• Sistemas de Captura, Extracción y Lavado de Neblina ácida .
• Uso de epp especiales.
• Uso de Lonas Sobre las Celdas. Los nuevos desarrollos tecnológicos en electro obtención, se han orientado a mitigar o capturar la neblina ácida, diferenciándose principalmente en la efectividad de la medida.
Ninguno de los procedimientos empleados hasta ahora en la industria, elimina la neblina ácida. Sin embargo, para controlar que el proceso cumpla con las normas ambientales vigentes, se deben combinar las diferentes alternativas tecnológicas existentes, pero, aumenta la mantención y elevan la complejidad operacional, aumentando así el costo de la operación.
En el estado de la técnica; la celda IMAM (Solicitud, CL/201100617) no produce neblina ácida, sin embargo, se trata de una celda electrolítica nueva que reemplaza las actuales, a diferencia del (DEI) que solo reemplaza el ánodo, como un dispositivo electródico ¡nsertable.
Los desarrollos más audaces han alcanzado solo el nivel de laboratorio, por ejemplo, se ha estudiado el uso de la oxidación de Fe2+ a Fe3+, como reacción anódica en la EO de cobre; sin embargo, el uso de esta reacción anódica en la EO convencional conlleva una importante disminución de la eficiencia de corriente farádica, debido a que una parte de la corriente se consume en la reducción de los iones de Fe3+ a Fe2+ sobre la superficie del cátodo y posteriormente se oxida de Fe2+ a Fe3+ en el ánodo. El uso de esta cupla siempre se plantea bajo el objetivo de operar a mayores densidades de corriente con tensiones de celda equivalentes a los valores actuales, es decir, nunca se han enfocado en eliminar la generación de oxígeno gaseoso, de hecho por los voltajes de celda que se muestra, debiera electro descomponerse agua en forma paralela a la oxidación del ferroso.
El dispositivo electródico insertable (DEI) reemplaza a los ánodos actuales y permite producir reacciones de oxidación por debajo del umbral energético de la descomposición electrolítica del agua, evitando de esta forma la electro generación de oxígeno gaseoso que es la causa principal de la neblina ácida.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS:
FIG. 1 Vista en ¡sométrica que muestra los elementos principales.
FIG. 2 Vista en isométrica del despiece del dispositivo (DEI).
FIG. 3 Vista en corte lateral que muestra el sentido de circulación. FIG. 4 Vista en corte frontal que muestra elementos y flujo.
FIG. 5 Vista en corte frontal que muestra una celda convencional.
FIG. 6 Vista en corte frontal que muestra el (DEI) en una (CEO).
FIG. 7 Vista de corte en planta de celda convencional (CEO).
FIG. 8 Vista de corte en planta del (DEI) como ánodo en la (CEO). DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN:
El dispositivo electródico insertabie (DEI) (1) de la invención, está conformado y confinado como una caja o cartucho que actúa como un contenedor y que es una unidad básica monolítica movible, insertabie y desmontable en las celdas de electrólisis para obtención de metales.
El (DEI) (1) permite que su configuración de forma y dimensiones sean variables como un contenedor unitario móvil, para adaptarlo a la forma y dimensiones de la celda en que se utilizará. El (DEI) (1) considera y permite la posibilidad de otorgarle distintas formas volumétricas, pudiendo ser de forma rectangular, de forma cilindrica e incluso puede tener geometrías especiales según requiera una determinada aplicación específica.
La Fig. 1 muestra el cartucho o contenedor que como unidad conforma el dispositivo (DEI) (1), el cual tiene una estructura polimérica que constituye un marco perimetral (2) que le otorga la resistencia estructural y asegura la hermeticidad del conjunto, impidiendo la fuga de soluciones desde el interior al exterior o viceversa, en donde este marco perimetral (2) trabaja en conjunto con unas paredes laterales que están conformadas por unas membranas de intercambio iónico (3) ubicadas en ambos lados del cartucho, en donde por la cavidad interior que forman éstas membranas de intercambio iónico (3), se ubica un electrodo estratégico (4), que es un material conductor o semiconductor estratégico (CSE). En la parte superior izquierda del cartucho (1) se encuentra ubicado un ducto de entrada (5) y en la derecha un ducto de salida (6), en donde una barra conductora horizontal (7) está conectada eléctricamente con el electrodo estratégico (4), por medio de barras conductoras verticales (8), en que unas prensas o agarraderas (9), permiten insertar o retirar el (DEI) (1).
La Fig. 2 muestra en isométrica el despiece del dispositivo electródico insertabie (DEI) (1), en donde se muestra que el dispositivo como cartucho, está configurado y confinado por paredes de contención que son superficies o membranas de intercambio iónico (3), estas membranas son sostenidas por el marco perimetral (2) que incluye dos sellos perimetrales por ambos lados. El marco perimetral (2) está conformado a base de polímeros resistente a ambientes corrosivos, esta estructura permite variar la forma volumétrica según se requiera, dependiendo del medio acuoso que contiene el metal a electro obtener. Muestra la barra conductora horizontal (7), el ducto entrada (5) y el ducto de salida (6). Indica además la ubicación de barras conductoras verticales (8) y por donde circula un electrolito conductor (10) que es un electrolito con iones adecuados para alguna aplicación en particular, que circula desde los conductos de entradas (5) hacia los conductos de salidas (6).
La Fig. 3, muestra en corte lateral como en el interior del dispositivo electródico insertable (DEI) (1), se ubica un electrodo estratégico (4), que se puede encontrar configurado o con la condición de electrodo masivo, de electrodo malla o como electrodo placa; Los materiales del electrodo estratégico (4), pueden ser conductores o semiconductores (metales, grafito, grafeno, metales recubiertos de óxidos de iridio, tantalio o rutenio). Indica la ubicación de una barra distribuidora (11) conectada al ducto de entrada (5) y la ubicación de una barra evacuadora (12) conectada al ducto de salida (6) y el sentido de circulación del electrolito conductor (10).
La Fig. 4, muestra el sentido de circulación del electrolito conductor
(10) , en donde su ingreso se realiza por el ducto de entrada (5) y es distribuido perpendicular y horizontalmente por la barra distribuidora
(11) en que la circulación es hacia la barra evacuadora (12) que está conectada con el ducto de salida (6), en donde ambas barras cuentan con perforaciones o ductos de entrada de circulación (13) que permiten el paso del electrolito conductor (10). El electrolito conductor (10) se denomina electrolito estratégico y es un medio acuoso que contiene el par iónico que se utilizará para la reacción anódica de semi celda y que en el caso del cobre será la cupla Fe(II)/Fe(III).
La circulación del electrolito conductor (10) por el interior del cartucho (1) que conforma el (DEI) (1) se realiza a través de ductos de salida circulación (14), en que el ingreso del fluido se inyecta por el conector o ducto de entrada (5), en donde el fluido que ingresa lo hace a presión constante y desciende verticalmente, distribuyéndose perpendicular y horizontalmente en toda la superficie interna del cartucho (1) gracias a la barra distribuidora (11), la presión del fluido permite que sea capturado por la barra evacuadora (12) de manera homogénea, para ser evacuado del (DEI) (1) por el ducto de salida (6).
La Fig. 5 muestra en corte frontal una celda de electro obtención o electrólisis convencional (CEO), señala el conector con polaridad positiva (15) y el capping board (16) que permite aislar ánodo del contacto con polaridad negativa.
La Fig. 6 muestra en corte frontal una celda de electro obtención o electrólisis convencional (CEO) y en su interior ubicado el cartucho o dispositivo (DEI). El (DEI) en la parte superior cuenta con una barra conductora horizontal (7) que está conectada eléctricamente con el electrodo estratégico (4), por medio de barras conductoras verticales (8), que permiten además, sostener físicamente el cartucho como conjunto. El (DEI) debe quedar en contacto eléctrico con las barras conductoras con polaridad positiva (15) de las celdas convencionales, por medio del apoyo de la barra conductora horizontal (7) del dispositivo. Esta barra conductora horizontal (7), debe apoyarse sobre los capping board (16) que permiten aislar eléctricamente el polo negativo de las barras o base conductoras (15) de las celdas. La unión entre las barras conductoras verticales (8) y la barra conductora horizontal (7), se realiza por medio de un sistema de prensas o agarraderas (9).
El (DEI) queda en contacto eléctrico con las barras conductoras con polaridad positiva ( 15) de las celdas convencionales CEO, por medio del apoyo de la barra conductora horizontal (7) del dispositivo. Esta barra conductora horizontal (7), se apoya sobre los capping board (16) que permiten aislar eléctricamente el polo negativo de las barras o base conductoras con polaridad positiva (15) de las celdas (CEO). La unión entre las barras conductoras verticales (8) y la barra conductora horizontal (7), se realiza por medio de las prensas o agarraderas (9).
La Fíg. 7, muestra un corte en planta de una celda de electrólisis convencional (CEO) y la disposición del cátodo tradicional (18) y los ánodos tradicionales (17) y las barras o base conductoras con polaridad positiva (15) de las celdas (CEO).
La Fig. 8, muestra un corte en planta de una celda de electrólisis convencional (CEO) y la disposición del cátodo tradicional (18) y la ubicación del dispositivo electródico insertable (DEI) o cartucho, en donde en el caso de la electro obtención de cobre, el (DEI) o cartucho considera un máximo espesor para lograr una adecuada inserción como dispositivo dentro de una celda de electrólisis convencional, sin variar el diseño original del cátodo tradicional (18), que permite rangos de variación entre 10 a 15 milímetros aproximadamente entre los centros de ánodo a ánodo, (17) a ( 17) o cartucho a cartucho. El (DEI) o cartucho actúa como ánodo insertable y desmontable en el interior de una celda de electro obtención convencional (CEO). Procedimiento y método de trabajo del DEI
El dispositivo electródico insertable (DEI) (1) reemplaza a los ánodos actuales ( 17) y permite producir reacciones de oxidación por debajo del umbral energético de la descomposición electrolítica del agua, evitando de esta forma el problema de la técnica producto de la electro generación de oxígeno gaseoso que es la causa principal de la neblina acida.
El (DEI) está concebido para actuar como ánodo en los procesos de
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oxidación del ion ferroso a ión férrico (Fe2+ = Fe3+ + e E0 25°c = -0,77 VENH,25°C) o para el reemplazo de cualquier reacción anódica por una reacción de menor requerimiento energético y que no genere gases de ningún tipo que se emitan al medio ambiente en forma de neblina ácida.
Al interior del (DEI) se incorpora un material conductor o semiconductor (CSE) que es el electrodo estratégico (4), que se encuentra inmerso en un electrolito con iones adecuados para alguna aplicación particular, que circula desde los ductos de entradas (5) hacia los conductos de salidas (6) .
La membrana (3) es un material polimérico con grupos fijos cargados eléctricamente en su interior. Si los grupos funcionales son positivos, se trata de una membrana (3) de intercambio catiónica y si los grupos son negativos, corresponde a una membrana (3) de intercambio aniónico.
La importancia de las membranas (3) es mantener una separación física entre el (ER) electrolito rico, que contien el metal a recuperar, y el fluido que circula al interior del (DEI), pero, que permiten mantener la conductividad eléctrica entre el (ER) y el fluido que circula por el interior del (DEI) gracias al intercambio iónico selectivo en una sola dirección, desde el ER hacia el interior del (DEI). Al fluido que circula en el interior del (DEI), de características conductoras y que contiene una cupla REDOX conveniente, se denominada electrolito estratégico (EE) .
El (CSE) en el interior del dispositivo, está unido a una barra conductora horizontal (7) externa a la (CEO) ubicada por sobre el contenedor del dispositivo. Esta barra conductora horizontal (7) debe ser diseñada para soportar el peso del contenedor en su conjunto como dispositivo o cartucho y para contactar el (CSE) ubicado en su interior, con el sistema que conduce la energía eléctrica de la planta. La geometría del (DEI), permiten ubicarlo en las celdas industriales actuales, manteniendo la cantidad de cátodos de cada celda y sin realizar ningún cambio en la geometría de las celdas actuales.
El (DEI) o cartucho reemplaza a los ánodos tradicionales utilizados en los procesos de electro obtención de metales (principalmente aleaciones de Plomo u otros electrodos conductores o semi conductores); es decir, al igual que los ánodos utilizados en la actualidad en los procesos de electro obtención, el (DEI) se monta en la cuba electrolítica, contactándose con los conductores eléctricos laterales que corresponden al polo positivo y aislando el contacto eléctrico en el polo negativo, sumergiéndose en el electrolito que contiene el metal de interés denominado usualmente como electrolito rico (ER), al interior de la cuba. Las paredes correspondientes a las membranas deben quedar sumergidas en el electrolito exterior que contiene el metal a recuperar.
Entre dos cartuchos o unidades del (DEI) se ubica un cátodo, por lo que en una celda electrolítica siempre existirán n+1 cartuchos (1) o (DEI), por cada n cátodos. Esto es muy similar a la situación actual, por esa razón no se deben realizar modificaciones a las celdas electrolíticas actuales ni a los conductores eléctricos, ni a los aisladores eléctricos. Tampoco se consideran modificaciones en los equipos de izamiento y desplazamiento de materiales en la nave electrolítica.
Por ejemplo para el caso del cobre, en que se puede usar como (EE), una solución rica en sulfato ferroso, la secuencia del proceso ocurriría de la siguiente forma: al interior del (DEI) un ion ferroso contenido en el (EE), se pone en contacto con el (CSE) ubicado dentro de la caja del (DEI), reaccionando electrolíticamente sobre la superficie del (CSE), en que ocurre la transformación electrolítica del ion ferroso a ion férrico, de manera que el (EE) que sale del (DEI), resulta con un alto contenido de ion férrico. La reacción de transformación de ion ferroso a ion férrico, implica la pérdida de electrones que se transportan por los conductores eléctricos hacia el cátodo, polarizándolo negativamente. En el cátodo ocurre la reducción del ion cúprico, que capta los electrones depositándose como cobre metálico.
Al ocurrir las reacciones de Oxidación al interior del (DEI) y de Reducción del ión cúprico, resulta un desequilibrio de cargas positivas al interior del (DEI) y de cargas negativas en el ER, que se compensa por el paso selectivo de aniones a través de las membranas (3) de intercambio desde el (ER) hacia el interior del (DEI). En este ejemplo, el principal ion que se transfiere es el ion SOl~ . Aquí aparecen otras diferencias con los sistemas actuales, las conductividades eléctricas involucradas son ahora la correspondiente al (ER), a la conductividad en la membrana (3) y la conductividad en el EE, todas son resistencias del sistema.
La reacción de ion ferroso a ion férrico se produce a un umbral energético mucho más bajo que la descomposición electrolítica del agua, y debido a esto, no produce neblina ácida, porque no genera micro burbujas de oxígeno gaseoso que emergen y revientan en la superficie del electrolito, que son las causantes de la emisión de la neblina ácida.
Reacciones sobre la superficie (CSE) al interior del (DEI) :
Principal : Fe2+ = Fe3+ + é E0;25oc = -0,77 vENH,25°c (?)
Secundarias : No Hay
Equilibrio sobre la superficie de la membrana
Ysor [soI-]EE = Ysor [sonER (8)
Reacciones sobre la superficie Catódica :
Principal : Cu2+ + 2e = Cu E0,25°C - O-34 VENH,25°C ^
Secundaria : Fe3+ + e = Fe2+ £o,25 °C = 0'77 VENH,2S°C (10) Reacción Global : Cu2+ + 2Fe2+ = Cu + 2Fe3+ (11)
La instalación del (DEI) para reemplazar los ánodos actuales no afecta el número de cátodos considerados en una celda convencional. El (DEI) no considera cambios ni modificaciones en los conductores y en las celdas electrolíticas en que se van a disponer para llevar a cabo el proceso, se requiere de la instalación de:
• un estanque de recirculación, con un ¡ntercambiador de calor y
• un sistema de impulsión externo, con su respectivo piping para transportar el electrolito estratégico (EE) hacia el interior del (DEI).
El procedimiento de instalación del (DEI) en una celda convencional incluye los siguientes pasos: a) instalación de un estanque de recirculación externo de (EE), con intercambiador de calor y piping respectivo; b) desenergización de la planta para ejecutar procedimiento de reemplazo;
c) retiro de cátodos convencionales y ánodos de plomo convencionales desde la celda a intervenir;
d) instalación de (DEI) en las posiciones correspondientes a los ánodos convencionales de plomo e intercaladas entre las posiciones de los cátodos convencionales;
e) conexión de piping del sistema de recirculación externo de (EE) f) preparación de soluciones de (EE) en el estanque de recirculación;
g) instalación de cátodos en la celda convencional;
h) impulsión de electrolito estratégico (EE) hacia el (DEI);
i) impulsión de electrolito rico (ER) en la celda convencional;
j) energización de la cuba electrolítica, imponiendo la corriente requerida por el proceso;
k) Los ánodos (DEI) solo son removidos en caso de mantenimiento.
No se requiere de ninguna instalación para controlar la neblina ácida, como las campanas de extracción y scrubbers, que actualmente se usan.
El (DEI) permite electro depositar metales sin emitir Neblina ácida al medio ambiente laboral ni al medio ambiente que rodea las instalaciones, por lo que se pueden eliminar los sistemas de mitigación de neblina ácida existentes. Sin embargo, el principal objetivo que del (DEI) es eliminar la Neblina Ácida que se emite desde los actuales sistemas de electro obtención que se aplican y utilizan la descomposición electrolítica del agua, que genera micro burbujas de oxígeno que emergen a la superficie de los electrolitos, lugar en que se revientan y emiten una distribución de micro gotas que contaminan el medio ambiente. El (DEI) elimina la raíz del problema y no genera neblina ácida. El umbral energético para no descomponer electrolíticamente agua, permite eliminar la producción de cloro gaseoso.
El número de unidades de (DEI) que se requieren para un determinado nivel de producción, se calcula por medio de la ley de Faraday, comúnmente utilizada para estos cálculos y que relaciona la producción de un metal de interés con densidad de corriente y el área del (DEI). Para el caso del cobre, los (DEI) se deben disponer en celdas de 15, 30 o 60 cátodos que existen el mercado.
Para el caso del cobre, el (EE) que se alimenta, es una solución en ambiente sulfúrico en un rango de acidez entre 150 a 180 g/L de ácido sulfúrico con una concentración de Fe total en solución entre 50 a 90 g/L, en su mayoría como Fe(II). La temperatura de trabajo se puede mover desde temperatura ambiente hasta 90°C. El (EE) que sale del (DEI), contiene entre 150 a 180 g/L de ácido sulfúrico con una concentración de Fe total en solución entre 50 a 90 g/L, en su mayoría como Fe(III). La temperatura de trabajo se puede mover desde temperatura ambiente hasta 90°C. El caudal a cada (DEI) se puede mover entre 1 a 60 L/min.
El (CSE) puede ser un material conductor o semi conductor, en forma de placa, malla, lana metálica o trozos de estos materiales llenando la cavidad del cartucho (1), siempre y cuando tengan contacto eléctrico con la barra horizontal (7) conductora superior.
La selección del (CSE), del (EE) y el par redox que se utilizará, así como la membrana (3) de intercambio iónico más adecuada se realiza por medio de ensayos a nivel laboratorio que considera la realización de voltametrías lineales en una unidad escalable a tamaño industrial y de ensayos en una unidad escalable, también de nivel laboratorio, de pruebas de electro obtención en que se midan todas las respuestas metalúrgicas que permitan seleccionar estos materiales adecuadamente.
Por ejemplo, para el caso del cobre, usando el (EE) descrito más arriba, con un (SCE) de Ti recubierto con óxidos de iridio, las tensiones de celda registraron valores entre 0,6 a 1,85 V, rango en que no se produce neblina ácida, operando con densidades de corriente de 250 a 600 A/m2, respectivamente. Estos valores se validaron a nivel piloto, sin registrarse emisión de Neblina ácida. Las reacciones involucradas en la selección corresponden a las presentadas en las ecuaciones 7 a la 11.
Los materiales poliméricos que constituyen la estructura que soporta el (DEI) y que tensa las membranas, también se deben testear para asegurar su resistencia química.
Los metales que se pueden recuperar con esta nueva tecnología son el cinc, cobre, oro, plata, cadmio, níquel, paladio, platino, cobalto y rodio, cuyas reacciones de semi celda corresponden a la reducción de estas especies iónicas a su forma metálica, reacción que ocurre necesariamente sobre la superficie polarizada negativamente del cátodo.
La reacción anódica es cualquier reacción de oxidación que en la serie de potenciales estándar esté ubicada por sobre la reducción de la especie metálica y por debajo de la reacción de oxidación del agua, que no forme gases. Por ejemplo, la cupla Fe (II)/Fe (III). Este cambio es sustancial, pues se evita de esta forma la generación de neblina ácida por la evolución de gases, como ocurre con el oxígeno generado en la descomposición electrolítica del agua. Por lo tanto, la reacción anódica que utiliza la tecnología (DEI), está por debajo del umbral energético de la oxidación del agua. Esto permite adicionalmente, evitar que se produzcan reacciones de oxidación indeseadas como por ejemplo la electro generación de cloro y evitando de este modo, todos los problemas que están asociados a estas reacciones.
En la depositación del cobre, de acuerdo a los electrolitos que actualmente se usan en la industria, es decir en medio sulfúrico, el anión que se transferirá hacia el interior del (DEI) (cruzando las paredes de membranas (3)), es el ion SO ~. La membrana (3) de intercambio iónico aniónica usada en el (DEI), solo permite el paso de aniones, por lo tanto el electrolito rico en cobre y otras especies, mantendrá los cationes que lo conforman, de igual forma que los cationes que conforman el anolito; esto permite que la eficiencia de corriente sea muy alta, pues no se producen reacciones indeseadas de óxido reducción de impurezas como el proceso convencional. El umbral energético será inferior a la descomposición de agua, por lo que las exigencias energéticas son menores, no se genera neblina ácida y no se oxida el cloro.
El hecho de tener separados los materiales polarizados con una barrera física como las membranas (3), impide el contacto entre el ánodo y cátodo, y por lógica se eliminan la posibilidad de cortocircuito. El ánodo de plomo no presenta buena respuesta para las cuplas que se desean utilizar para el cambio de reacción anódica, por lo tanto, no se utilizan ánodos de plomo. Dado que no se utiliza plomo, el sistema del (DEI) no genera borras anódicas, por lo que no se requiere detener la operación (mejora la continuidad operacional) y no hay generación de residuos sólidos peligrosos. Dado que no se requieren desborres ni aislaciones eléctricas, no es necesario extraerlos de la celda, salvo situaciones muy especiales.
La barrera física del marco externo del DEI, protege a las membranas y al electrodo (CSE) ubicado en su interior, de golpes accidentales cuando se manipulan los cátodos durante la cosecha del producto depositado.
El cambio de reacción anódica disminuye del consumo de agua, que se estima debiera bajar aproximadamente a la mitad; por ejemplo en el proceso convencional para depositar un mol 1 mol de cobre, se consume un mol de agua, insumo cada vez más escaso. Además, el agua que debe reponerse debe tratarse previamente para asegurar su pureza y debe calentarse para no producir cambios bruscos de temperatura. Con la incorporación del DEI, no se consume agua por este concepto y solo se debe reponer el agua que se evapora y el equivalente de purgas del sistema.
Asociado a este cambio de reacción, se observa un menor daño en los conductores y contactos, por lo que se requiere una menor mantención de ellos y de las estructuras de la planta.
El hecho de que el (DEI) desarrollado sea hermético en su interior y con escasas partículas sólidas, sin borras, permite operar con una condición de flujo más agresiva, mejorando la transferencia iónica, aumentando la densidad de corriente límite y con ello la densidad de corriente de operación, manteniendo en forma óptima la calidad superficial, física y química del producto final.
Para el cobre se pudo operar a densidades de corriente mucho mayores que los procesos actuales (entre 100 y 600 A/m2), registrando tensiones menores a los procesos convencionales (entre 0,6 a 1,8 V, dependiendo de la densidad de corriente). Debe hacerse notar que los procesos convencionales de cobre, operando a 300 A/m2 registran tensiones del orden de 2,0 volts en el mejor de los casos, si se operara a una densidad de 600 A/m2, la tensión de celda superaría los 3 volts.
Ventajas del (DEI) :
• No evoluciona cloro gaseoso.
• Permite una operación con mayores densidades de corriente y consecuentemente menores consumos específicos de energía (del orden del 50% más bajo) lo que permitirá depositar mayor cantidad del metal por área efectiva de depósito (ocupará menos espacio, menos cátodos, menos celdas, menos impulsión).
• Se tendrá un menor consumo de energía específica para alcanzar igual densidad de corriente (para producir lo mismo por unidad de área : en el caso del cobre 2100 kWh/ton para el convencional versus 600 kWh/ton para el (DEI)).
• Produce una menor contaminación del cátodo por tener el (CSE) al interior de una caja.
• Disminuye los gases Invernadero y mejora la eficiencia de corriente.
• No genera Borras anódicas de PbÜ2 como en el caso de la mayoría de los procesos convencionales de cobre. No produce ni hay contaminación con plomo en los cátodos como en el caso de la mayoría de los procesos convencionales de cobre.
El problema del manganeso se mantiene absolutamente controlado.
En el caso de usar un (EE) ferroso, se genera Fe (III), reactivo esencial para la lixiviación de sulfuras.
Mejora la calidad de los cátodos.
Se puede eliminar cualquier proceso de concentración de soluciones (ej : extracción por solventes).
No hay corto circuitos y No es necesario desborrar las celdas electrolíticas.

Claims

REIVINDICACIONES:
1. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI), que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases, CARACTERIZADO porque comprende;
a) un marco perimetral (2) dispuesto en ambos lados del dispositivo de manera coincidente y enfrentada, soportando y estabilizando cada uno a las;
b) membranas de intercambio iónico (3) conformadas de material polimérico y estancas con grupos fijos cargados eléctricamente, en donde entre dichas membranas está contenido un;
c) electrodo estratégico que es un conductor o semiconductor estratégico CSE (4), en que dichos elementos conforman una unidad monolítica que es el dispositivo electródico insertable DEI (1) o cartucho, y la unión de los elementos que lo conforman se realiza por medio de sellos y medios de fijación, en donde se instala un;
d) ducto de entrada (5) y un;
e) ducto de salida (6) en que ambos ductos están ubicados en la parte superior del dispositivo DEI (1); en dónde el CSE (4) contenido en el interior del DEI (1) está conectado en la parte horizontal superior a una;
f) barra conductora horizontal (7), en donde unas;
g) barras conductoras eléctricas verticales (8), permiten sostener físicamente el dispositivo DEI (1) que está conectado como conjunto a unas;
h) agarraderas o prensas (9) que permiten la unión entre las barras conductoras verticales (8) y la barra conductora horizontal (7), en donde por el interior del dispositivo circula un;
i) electrolito estratégico ( 10), que se distribuye por una;
j) barra distribuidora (11) conectada al ducto de entrada (5) y que circula en dirección a una;
k) barra evacuadora (12) conectada al ducto de salida (6), en que el electrolito estratégico (10) ingresa a presión por;
I) perforaciones de entrada de circulación (13) ubicados en la barra distribuidora (11) y sale por;
m) perforaciones de salida de circulación (14) ubicados en la barra evacuadora (12).
2. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI), que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque por el interior del dispositivo (DEI) (1) circula el electrolito estratégico (10) que es un medio acuoso que contiene el par iónico que se utilizará para la reacción anódica de semi celda, que en el caso del cobre será la cupla Fe(II)/Fe(III).
3. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI), que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque la forma y dimensiones del dispositivo (DEI) (1) son variables como un contenedor unitario móvil, para adaptarlo a la forma y dimensiones de la celda de electrólisis convencional (CEO) en que se utilizará; en donde el dispositivo considera y permite la posibilidad de otorgarle distintas formas volumétricas.
4. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque es de forma rectangular.
5. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque es de forma cilindrica.
6. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque es de forma con geometrías especiales según requiera una determinada aplicación específica.
7. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque el conductor o semiconductor estratégico (CSE) (4) ubicado en el interior del dispositivo electródico insertable (DEI) (1), está configurado con la condición de electrodo masivo.
8. - Dispositivo Electródico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque el conductor o semiconductor estratégico (CSE) (4) ubicado en el interior del dispositivo electrodico insertable (DEI) (1) es un electrodo malla.
9. - Dispositivo Electrodico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque el conductor o semiconductor estratégico (CSE) (4) ubicado en el interior del dispositivo electrodico insertable (DEI) (1) es un electrodo placa.
10. - Dispositivo Electrodico Insertable (DEI) que reemplaza al ánodo tradicional en procesos de electro obtención de metales, que no genera neblina ácida u otros gases de acuerdo a la reivindicación N°l CARACTERIZADO porque la materialidad del conductor o semiconductor estratégico (CSE) (4) pueden ser metales, grafito, grafeno, metales recubiertos de óxidos de iridio, tantalio o rutenio.
11. - Procedimiento de aplicación del dispositivo electrodico insertable (DEI) de la reivindicación N° 1 CARACTERIZADO porque la instalación del (DEI) comprende los siguientes pasos;
a) Evacuar electrolito rico (ER) desde las celdas convencionales, retirar cátodos y ánodos de plomo convencionales;
b) instalación de (DEI) en las posiciones correspondientes a los ánodos convencionales de plomo e intercaladas entre las posiciones de los cátodos convencionales;
c) conexión de piping del sistema de recirculación externo de (EE)
d) preparación de soluciones de (EE) en el estanque de recirculación;
e) instalación de cátodos en la celda convencional;
f) impulsión de electrolito estratégico (EE) hacia el (DEI);
g) impulsión de electrolito rico (ER) en la celda convencional; h) energización de la cuba electrolítica, imponiendo la corriente requerida para el proceso.
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