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Capítulo 5

Electro­obtención (EW)

Por fin, terreno conocido: un rectificador de decenas de kiloamperes, celdas en serie y la ley de Faraday. Aquí el cobre disuelto vuelve a ser metal, y la química se mide en volts y amperes.

01La celda: un cargador de baterías

Cada celda es un estanque con electrolito rico (unos 48 g/L de cobre) y placas alternadas: ánodos de plomo y cátodos de acero inoxidable. La corriente continua del rectificador hace dos reacciones a la vez:

Cátodo: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu (el cobre se deposita en la placa)
Ánodo: H₂O → ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ (se libera oxígeno y se regenera ácido)

El electrolito sale con menos cobre y más ácido: es el electrolito pobre que vuelve a SX para descargar el orgánico (capítulo 4). El ácido da la vuelta completa al circuito.

Las celdas se conectan en serie (la misma corriente pasa por todas) y dentro de cada celda los cátodos quedan en paralelo. La ley de Faraday dice cuánto cobre deposita cada ampere:

m = I · t · M / (z · F) = 1,1855 g de cobre por ampere-hora (M = 63,546 g/mol, z = 2, F = 96.485 C/mol)
En términos eléctricos: la celda es una batería que se está cargando. Tiene una fuerza contraelectromotriz que hay que vencer (0,89 V, la diferencia entre los potenciales del oxígeno y del cobre), dos "diodos" en serie (los sobrepotenciales del ánodo y del cátodo, que crecen con el logaritmo de la corriente, igual que la curva de un diodo) y una resistencia (el electrolito, los contactos y las barras).

02¿Dónde se van los 2 volts?

Una celda convencional trabaja cerca de 2 V y gasta unos 2 kWh por kilo de cobre, con densidades de corriente bajo los 360 A/m² (Cifuentes y otros, Universidad de Chile). Solo 0,89 V son química inevitable. El resto es pérdida, y la más grande está en el ánodo, donde se forma oxígeno.

Laboratorio 1 · El voltaje de una celda, componente por componenteModelo de batería + diodos + resistencia. La fuerza contraelectromotriz es exacta; los sobrepotenciales y la conductividad son valores didácticos ajustados para dar unos 2 V a 300 A/m².

Voltaje de celda
Energía específica
Producción por m² de cátodo
Costo de energía

La energía por tonelada depende de dos cosas: el voltaje y la eficiencia de corriente. Subir la densidad de corriente produce más por metro cuadrado (menos celdas para la misma producción), pero cada ampere extra cuesta más volts. Es el mismo dilema que dimensionar un conductor: sección contra pérdidas.

energía [kWh/t] = V_celda × 1000 / (1,1855 × eficiencia de corriente)

03La eficiencia de corriente: corrientes de fuga

No todo ampere deposita cobre. Lo que se pierde es equivalente a una corriente de fuga en paralelo con la carga útil:

CortocircuitosUn nódulo de cobre que crece hasta tocar el ánodo. La corriente pasa por ahí sin depositar nada. Es la pérdida más grande y la más fácil de medir.
Hierro férricoEl Fe³⁺ que llegó desde SX se reduce a Fe²⁺ en el cátodo, vuelve al ánodo, se oxida otra vez y repite. Una lanzadera de electrones que consume corriente sin producir cobre (Sole y otros lo señalan como perjudicial para la eficiencia).
Fugas a tierraCorrientes por el electrolito derramado, las cañerías y las estructuras. Además de pérdida, corroen.

Abre el simulador de nave → Provoca cortocircuitos y compara cuánto cobre se pierde con rondas manuales y con monitoreo continuo del voltaje de cada celda.

04La pureza: qué significa "grado A"

El cátodo se vende según la norma BS EN 1978 (Cu-CATH-1), que es la que exige la Bolsa de Metales de Londres (LME) para el cobre grado A. No fija un porcentaje de cobre: fija máximos para cada impureza, en partes por millón, y un máximo para la suma. Por eso "99,99 %" es una forma corta de decir que la suma de impurezas no pasa de 65 ppm.

Cada impureza tiene una causa en el proceso que un instrumentista puede vigilar:

PlomoViene del ánodo que se corroe. Se controla con cobalto en el electrolito y cuidando el manganeso.
AzufreElectrolito atrapado en un depósito rugoso o nodular. Lo provoca una densidad de corriente alta, poco aditivo o mala distribución de corriente.
Hierro y otrosArrastrados desde SX o por contaminación física en la cosecha y el lavado de los cátodos.

Laboratorio 2 · ¿Pasa este cátodo como grado A?Límites reales de la LME (BS EN 1978:2022, Cu-CATH-1). Mueve las impurezas y mira qué límite se rompe primero.

Suma de impurezas
Cobre
Resultado
LímiteValorMáximo LMEUso

Lo que vas a encontrar instrumentado

RectificadorCorriente continua de decenas de kiloamperes para toda la nave. Control de corriente, tensión, factor de potencia y armónicos hacia la red.
Voltaje por celdaRondas manuales con multímetro y gaussímetro, cámaras térmicas o sensores permanentes. Una celda con voltaje bajo suele tener un cortocircuito.
Temperatura del electrolitoIntercambiadores de calor. Más temperatura da más conductividad, pero también más evaporación y desgaste del orgánico al volver a SX.
Dosificación de aditivosCobalto para proteger los ánodos y un aditivo nivelador (como guar) para un depósito liso. Bombas dosificadoras con caudal controlado.
Neblina ácidaEl oxígeno que sale del ánodo arrastra gotas de ácido. Ventilación, coberturas y medición ambiental.
Calidad del cátodoMuestreo por lote y análisis químico contra la norma. La trazabilidad lote-celda permite volver al origen de un problema.

Fuentes

  • London Metal Exchange, Special Contract Rules for Copper Grade A: composición según BS EN 1978:2022, Cu-CATH-1. Límites del laboratorio 2.
  • Cifuentes, L., Glasner, R., Crisóstomo, G., Casas, J. M. y Simpson, J. Aspects of the Development of a New Copper Electrowinning Cell based on Reactive Electrodialysis, Electrochemical Society: celdas convencionales de cerca de 2 V, unos 2 kWh/kg y densidades bajo 360 A/m².
  • Sole, K. C. y otros. Global survey of copper solvent extraction operations and practices: composición del electrolito y efecto del Fe(III) en la eficiencia de corriente.
  • Schlesinger, M. E. y otros, Extractive Metallurgy of Copper, Elsevier: reacciones de electroobtención, aditivos y práctica de naves.
  • Los sobrepotenciales, la conductividad, la caída en contactos y las impurezas iniciales del laboratorio son valores didácticos.