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Capítulo 0

Química para eléctricos

Lo mínimo de química que necesitas para entender una planta de lixiviación, SX y electroobtención, explicado con voltajes, corrientes y nodos.

Si vienes de la electricidad o la automatización, ya sabes más química de lo que crees. En una planta hidrometalúrgica, casi todo lo que se mide termina siendo un voltaje, y casi todo lo que se controla es un flujo que entra y sale de un nodo. Este capítulo traduce cuatro ideas que vas a escuchar todos los días.

01El pH es un voltaje

El pH mide cuánta acidez tiene una solución. En la planta importa porque el ácido sulfúrico es el que disuelve el cobre en la lixiviación, y porque la extracción por solventes (SX) funciona solo dentro de un rango de pH.

El sensor es un electrodo de vidrio. La membrana de vidrio desarrolla un voltaje que depende de la acidez a cada lado. Frente a un electrodo de referencia, entrega una diferencia de potencial que sigue la ecuación de Nernst:

E = E₀ − S · (pH − 7) con S = 2,303 · R · T / F = 0,1984 · T [mV por unidad de pH, T en kelvin]

A 25 °C la pendiente es 59,16 mV por unidad de pH. En pH 7 el electrodo ideal entrega 0 mV; en pH 4, unos +177 mV; en pH 1, unos +355 mV.

En términos eléctricos: el electrodo es una fuente de voltaje con una resistencia interna enorme, del orden de cientos de megaohms. Por eso el transmisor necesita una entrada de altísima impedancia y por eso el cable del electrodo es corto y blindado.

Laboratorio 1 · Un electrodo de pH en la líneaMueve el pH y la temperatura de la solución. Mira el voltaje del electrodo y lo que muestra el transmisor.

Voltaje del electrodo
pH que muestra
Error
Señal 4–20 mA (0–14 pH)

Dos lecciones del laboratorio que valen oro en terreno. Primero, si el electrolito de electroobtención trabaja cerca de 45–50 °C y el transmisor no compensa temperatura, el pH leído se corre. Segundo, un electrodo envejecido pierde pendiente y se desplaza: sin calibración periódica con soluciones tampón, el lazo de control sigue con fe ciega a un sensor que miente.

02El potencial redox también es un voltaje

Oxidar es quitar electrones; reducir es entregarlos. En la lixiviación de sulfuros de cobre, el que quita los electrones es el ion férrico (Fe³⁺), que al hacerlo se convierte en ferroso (Fe²⁺). La razón entre ambos dice cuánta capacidad oxidante tiene la solución.

Esa razón se mide como un voltaje con un electrodo de platino: el potencial de óxido-reducción (ORP, o Eh si se refiere al electrodo de hidrógeno). También sigue a Nernst:

E = 0,771 V + 0,05916 · log₁₀( [Fe³⁺] / [Fe²⁺] ) (vs. electrodo de hidrógeno, 25 °C)
En términos eléctricos: la solución es una batería cuyo voltaje indica su "estado de carga oxidante". Más férrico que ferroso, más voltaje. Los instrumentos usan una referencia de plata/cloruro de plata, que está unos 0,20 V sobre la del hidrógeno, así que el número del transmisor es más bajo que el Eh.

Laboratorio 2 · ¿Cuánto oxidante queda en la solución?Cambia la proporción de hierro férrico. El voltaje responde al logaritmo: cada factor 10 suma 59 mV.

Razón Fe³⁺/Fe²⁺
Potencial medido

03Concentración: cuánto hay en cada litro

En planta casi todo se expresa en gramos por litro (g/L): cobre en la solución rica, ácido libre, hierro. Para cálculos químicos se usa mol por litro (M): un mol de cobre pesa 63,55 g y uno de ácido sulfúrico 98,08 g. Una solución de lixiviación típica lleva unos pocos g/L de cobre; un electrolito de electroobtención, del orden de 35–50 g/L.

flujo de cobre [kg/h] = caudal [m³/h] × concentración [g/L] (porque 1 g/L = 1 kg/m³)
En términos eléctricos: el caudal es la corriente del "fluido" y la concentración es cuánto cobre lleva cada unidad. Su producto es el flujo de cobre, igual que corriente por tensión da potencia: dos variables que se miden por separado y se multiplican.

04Un balance de masa es la ley de Kirchhoff

En régimen permanente, lo que entra a un nodo es lo que sale. Vale para el agua, para el cobre y para el ácido, cada uno por separado. Si no cuadra, hay acumulación (un estanque que sube) o hay un instrumento que está midiendo mal. Esta segunda posibilidad es la razón por la que el balance es una herramienta de diagnóstico, no solo un cálculo.

Laboratorio 3 · El nodo que no cuadraDos soluciones se mezclan en un estanque. Los flujómetros y el análisis de laboratorio deberían cerrar el balance de cobre.

Cobre que entra
Cobre que sale (medido)
Descuadre

Lo que vas a encontrar instrumentado

pHElectrodo de vidrio y referencia. Ácido en lixiviación y en la alimentación a SX.
ORP / EhElectrodo de platino. Capacidad oxidante de la solución, razón férrico/ferroso.
CaudalFlujómetros electromagnéticos: funcionan por inducción en líquidos conductores, como las soluciones ácidas.
Densidad y nivelEstanques, piscinas de solución y separación de fases en SX.
Conductividad y temperaturaElectrolito de electroobtención: afecta el voltaje de celda y la compensación del pH.
Análisis químicoCobre, ácido y hierro en g/L. Laboratorio o analizadores en línea; es la variable que cierra los balances.

Fuentes

  • Ecuación de Nernst y pendiente del electrodo de vidrio: Bard, A. J. y Faulkner, L. R., Electrochemical Methods, 2.ª ed., Wiley, 2001. Constantes R y F según CODATA.
  • Potencial estándar Fe³⁺/Fe²⁺ (0,771 V) y referencia Ag/AgCl en KCl saturado (≈ +0,197 V): CRC Handbook of Chemistry and Physics.
  • Concentraciones típicas de soluciones de lixiviación y electrolito: Schlesinger, M. E. y otros, Extractive Metallurgy of Copper, Elsevier (capítulos de lixiviación, SX y electroobtención). Encuesta de 27 plantas SX: Sole, K. C. y otros, Global survey of copper solvent extraction operations and practices.
  • Masas molares: tabla de pesos atómicos IUPAC.