Purificación de zinc: diseño de cementación para Cd, Cu y Co
Tres tanques, 45 minutos de residencia total y 2,0–2,5 kg de polvo de zinc por metro cúbico llevan una solución de lixiviación neutra desde unos 600 mg/L de cobre a menos de 1 mg/L. Ese es el sobre en el que convergen la mayoría de los circuitos de purificación de zinc, y lo que decide si se sostiene no es el volumen de los tanques sino la masa de polvo que realmente llega a la reacción. El contexto del proceso está en nuestra biblioteca técnica.
Puntos clave
- Dimensionar con 30–90 minutos de residencia total en dos o tres tanques, nunca en un solo mezclador.
- La estequiometría es 1,03 kg de Zn por kg de Cu y 0,58 por kg de Cd; el exceso corre de 1,5–3 veces.
- El cobalto no cementa a 60 °C sin activación con antimonio o arsénico; la barrera es cinética.
- La filtración interetapa protege la etapa de cobalto de la redisolución del cobre y eleva la calidad de la torta.
- La mayoría de los eventos de paso se rastrean hasta la alimentación de polvo, no a la química de la solución.
¿Por qué la purificación decide toda la planta de electroobtención?
En un flowsheet de tostación-lixiviación-electroobtención, la purificación se sitúa entre la remoción de hierro y la casa de celdas. La solución de lixiviación neutra llega con todos los metales base que reportaron a la lixiviación, y la casa de celdas no puede rechazar ninguno: lo que entra al electrolito se deposita en el cátodo, lo corroe o ataca el ánodo.
El cobre es el más dañino a baja concentración: es más noble que el zinc, se deposita como esponja oscura y nodular, arrastra la eficiencia de corriente y, además, disuelve químicamente el zinc metálico —un cátodo en un circuito con cobre se perfora localmente—. Cobre residual por encima de 1 mg/L casi siempre significa que el polvo no estaba: el cobre cementa en segundos sobre polvo fresco. El cadmio codeposita con el zinc y baja la ley de cada tonelada. El cobalto es peor de lo que sugiere su concentración: promueve picaduras, la redisolución del zinc depositado y la corrosión del ánodo de plomo, metiendo plomo también en el cátodo. El antimonio y el germanio son los venenos: depósitos dendríticos y quebradizos, y puntos de eficiencia de corriente perdidos a decenas de microgramos por litro.
¿Qué elimina cada etapa?
Casi todas las plantas corren la misma secuencia: cobre y cadmio primero, cobalto y níquel después, y un pulido opcional al final. La división existe porque las tareas quieren temperaturas distintas y porque el cobre debe desaparecer antes de añadir el antimonio, o el activador se consume en el metal equivocado.
- Etapa 1, cobre y cadmio: 60–75 °C con 1,3–1,8 veces la estequiometría. El cobre cementa casi al instante; el cadmio es más lento y necesita la mitad alta de la ventana. Residencia de 20–30 minutos hasta residuos cercanos a 1 mg/L de cada uno; el talio sigue al cadmio.
- Etapa 2, cobalto y níquel: el licor filtrado se calienta a 80–90 °C y se dosifica con polvo más un activador cobre-antimonio o arsénico. El cobre se mantiene deliberadamente en 20–60 mg/L a la entrada, porque el activador trabaja a través del par cobre-antimonio depositado sobre el zinc. La filtración entre etapas es preferida: el cemento de cobre que entra a la etapa 2 se redisuelve y consume activador.
- Etapa 3, pulido (opcional): derriba el antimonio residual del activador y atrapa cualquier excursión de cobalto antes de la casa de celdas.
| Etapa | Temperatura | Residencia | Exceso de polvo | Activador | Residuo objetivo |
|---|---|---|---|---|---|
| Cu-Cd | 60–75 °C | 20–30 min | 1,3–1,8× | Ninguno | Cu <1 mg/L, Cd <1 mg/L |
| Co-Ni | 80–90 °C | 25–45 min | 2,0–3,0× | Cu-Sb, 1–3 mg/L Sb | Co <0,5 mg/L, Ni <1 mg/L |
| Pulido | 70–80 °C | 15–20 min | 0,3–0,5× | Ninguno | Sb <0,03 mg/L |
La tabla completa de impurezas típicas entra con 500–900 mg/L de Cu (objetivo 0,2–1,0), 80–250 de Cd (0,3–1,5), 5–25 de Co (0,2–0,5 tras activación), 3–15 de Ni (0,3–1,0), 0,05–0,5 de Sb (<0,03), 0,02–0,3 de Ge (<0,05), 0,1–2 de As (<0,1, co-precipitado como arseniato con hierro) y 0,5–5 de Tl (<1, cementado con el cadmio). Todos los valores son indicativos y deben confirmarse sobre su licor, porque la razón entre impurezas importa tanto como su nivel absoluto.
¿Cómo se dimensiona el tren de cementación?
Un tren de purificación es una cascada de tanques agitados continuos. Un tanque perfectamente mezclado da una distribución exponencial de tiempos de residencia: una fracción de la alimentación hace cortocircuito a la salida, y esa fracción es la cola que aparece como 5 mg/L de cobre en un tanque que promedia 0,8. Tres tanques en serie estrechan la distribución hasta que el último ve una alimentación casi uniforme.
El ejemplo siguiente dimensiona una tarea de 320 m³/h. Supuestos: densidad 1,28 t/m³ a 70 °C, residencia total de 45 minutos, tres tanques iguales, 25% de borde libre, fondos cónicos a 60°.
- Base de caudal: flujo máximo sostenido a temperatura de operación, 320 m³/h. El margen de diseño va en el borde libre, no en el caudal.
- Residencia a volumen de trabajo: 45 min = 0,75 h → 320 × 0,75 = 240 m³ en el tren.
- División en etapas: tres tanques de 80 m³ de volumen de trabajo. Dos tanques de 120 m³ pasarían el mismo cobre promedio y fallarían en la cola.
- Borde libre y geometría: 80 m³ útiles con 25% → 100 m³ brutos. A 4,5 m de diámetro la sección es 15,9 m², el cono a 60° aloja 20,6 m³ y el fuste recto resulta en 5,0 m, para una altura total cercana a 8,9 m.
- Agitación para suspensión, no para mezclar: velocidad periférica de 2,0–2,5 m/s mantiene 3–5 kg/m³ de cemento en suspensión con ~0,8 kW/m³, es decir 64 kW por tanque. Más rápido compra arrastre de aire y redisolución.
- Polvo y filtración: a 2,4 kg/m³ la tarea es 768 kg/h, repartidos 60:40 entre los tanques 1 y 2 mediante un tornillo de pérdida de peso a ±1% del consignado, con un filtro entre etapas para 320 m³/h más agua de lavado.
Un fondo cónico de 60° o más no es opcional: el cemento se asienta en un lecho denso a los minutos de una parada. Y el agitador debe seleccionarse contra el lecho asentado, porque una marcha de 64 kW puede necesitar dos a tres veces eso para rearrancar un lecho que pasó la noche quieto. La dosificación se recorta contra el potencial de óxido-reducción, porque el ORP responde en segundos y un ensayo tarda una hora: contra referencia Ag/AgCl, la etapa 1 típicamente se asienta en −200 a −300 mV y la etapa 2 en −350 a −450 mV; el consignado es específico de planta y se fija titulando polvo contra ORP sobre su propio licor. El pH se controla en el tanque, no en un colector: por debajo de ~3,8 la evolución de hidrógeno come polvo y disuelve cemento de cadmio; por encima de 5,2 precipita sulfato básico de zinc que arrastra cadmio y cobre como sólido cegador.
Dosis de polvo, activador y coste
La dosis parte de la estequiometría y se multiplica por la realidad: 1,03 kg de Zn por kg de Cu, 0,58 por kg de Cd, 1,11 por kg de Co. Para 600 mg/L de Cu, 140 de Cd y 12 de Co, el consumo teórico es 0,62 + 0,08 + 0,01 = 0,71 kg/m³; las plantas corren 1,5–4 kg/m³, y esa brecha es el problema de diseño. La llenan tres efectos: el polvo es una aleación, no zinc puro —85–92% de Zn es normal—; el oxígeno disuelto y el hierro férrico consumen zinc sin remover nada (~0,3 kg de Zn por 10 mg/L de oxígeno); y el exceso es deliberado: 1,5–3 veces la estequiometría sostiene un residuo bajo durante los diez minutos en que el alimentador se atrasa. El cobalto es la razón de la activación: el par Co²⁺/Zn tiene potencial cercano a +0,48 V, así que la reacción es termodinámicamente cómoda pero simplemente no avanza a velocidad útil sobre zinc limpio; el antimonio depositado crea sitios de baja sobretensión de hidrógeno y actúa como plantilla de nucleación.
| Línea de coste | USD/m³ indicativo | Participación | Motor principal |
|---|---|---|---|
| Polvo de zinc | 5,1–9,5 | 70–80% | Dosis, ensayo del polvo, precio del metal |
| Energía y calentamiento | 0,25–0,45 | 4–6% | Temperatura de etapa, velocidad periférica |
| Mano de obra | 0,30–0,50 | 5–7% | Cobertura de turnos, escala |
| Consumibles | 0,15–0,30 | 3–4% | Vida de tela, activador, electrodos |
| Mantenimiento | 0,10–0,20 | 2–3% | Desgaste de agitadores, recubrimientos, incrustaciones |
| Crédito del cemento | −(1,5–4,0) | −15 a −30% | Ley de torta, precios de Cd y Cu |
El coste neto queda en 3,5–7,0 USD/m³ para un circuito bien operado y 8–11 USD/m³ para uno sobredosificando para compensar un alimentador en el que nadie confía. Cifras indicativas, base 2026, sin capital. Caso de campo (planta de 120.000 t/año, clase 90–110 m³/h): dos tanques, un alimentador volumétrico y sin filtración interetapa entregaban a la casa de celdas 4,2 mg/L de Cu, 6,5 de Cd y 3,1 de Co con 88,4% de eficiencia de corriente. La actualización —cascada de tres tanques de 95 m³ brutos, prensa de 60 m² entre etapas, alimentador de pérdida de peso, etapa 2 de 74 a 86 °C y recorte de polvo por ORP— dejó en tres meses 0,5 de Cu, 0,8 de Cd y 0,4 de Co, con el polvo de 2,9 a 2,1 kg/m³ y la eficiencia en 91,3%. El ahorro de polvo, ~600 t/año, vale ~1,8 millones de USD; el beneficio neto, ~1,5 M/año contra 2,1 M instalados: retorno bajo dieciocho meses. Dos lecciones: la etapa 1 dejada a 62 °C cegó la prensa en cuatro días —68 °C arregló la filtración—, y las sondas ORP montadas en el cuerpo del tanque en lugar del canal de salida costaron dos semanas de errores fantasma.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto polvo de zinc consume un circuito por metro cúbico?
El consumo teórico sigue las razones de intercambio: 1,03 kg de Zn por kg de Cu, 0,58 por kg de Cd y 1,11 por kg de Co. Los circuitos reales corren 1,5–4 kg/m³ porque el polvo es 85–92% Zn, el oxígeno consume zinc, y hace falta un exceso de 1,5–3 veces para alcanzar residuos bajos.
¿Por qué el cobalto necesita antimonio o arsénico para cementar?
El intercambio cobalto-zinc es termodinámicamente favorable a unos +0,48 V, pero el cobalto cementado forma una capa coherente y pasiva que bloquea la reacción. El antimonio sobre la superficie del zinc crea sitios de baja sobretensión de hidrógeno y actúa como plantilla de nucleación. Sin él, la reacción es demasiado lenta para llegar a 0,5 mg/L.