OBTENCIÓN DE ZINC POR REDUCCIÓN CARBOTÉRMICA ALCALINA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA CARRERA DE METALURGIA Y CIENCIA DE MATERIALES OBTENCIÓN DE ZINC POR REDUCCIÓN CARBOTÉRMICA ALCALINA

1. INTRODUCCIÓN El zinc es uno de los materiales más utilizados. Puro, aleado o con cierto grado de oxidación. Importancia del zinc y óxido de zinc en la industria. Zn: aleado como recubrimiento. ZnO: industria del caucho, química, plástica, vidrio, etc. Utilización del óxido de zinc por sectores

Caracterización del origen mineralógico del zinc. Sulfuro: Blenda (ZnS) Marmatita (Zn,Fe S) Mineral marmatita.

Procesos productivos de obtención de zinc. VÍA PIROMETALÚRGICA VÍA HIDROMETALÚRGICA TOSTACIÓN REDUCCIÓN CARBOTÉRMICA Procesos: Retortas, ISP, Eléctrico, Ausmelt. LIXIVIACIÓN PURIFICACIÓN Procesos: Jarosita, Goetita y Hematita ELECTROLISIS FUSIÓN DE PLACAS

VÍA PIROMETALÚRGICA TOSTACIÓN Rango de operación: 500°C y 1000°C Producto: 65% Zn, <2% S DESVENTAJAS Pérdida de calor Formación de ferritas Formación de sulfatos Formación de gas SO2

REDUCCIÓN Reducción con formación de Zinc gaseoso y no así de metálico, a partir de óxido.

Constante de equilibrio Reducción a partir de sulfuro, no es posible. Constantes de Equilibrio y Energía Libre para la Reducción Directa de Sulfuro de Zinc REACCIÓN Constante de equilibrio Energía Libre [Kcal] k, 900ºC k, 1 000ºC ∆G, 900ºC ∆G, 1 000ºC ZnS +C → Zn + CS(g) 2.556 E-12 1.262 E-10 62.222 57.661 2ZnS + C → 2Zn + CS2(g) 2.097 E-13 1.508 E-11 68.051 63.035 ZnS + C → Zn(g) + CS(g) 2.416 E-12 3.008 E-10 62.353 55.464 2ZnS + C → 2Zn(g) + CS2(g) 1.874 E-13 8.568 E-11 68.313 58.641

REDUCCIÓN CARBOTÉRMICA ALCALINA Mediante la adición de un agente desulfurizante a un proceso de reducción carbotérmica. MeS +C + CaO = Me + CaS + CO 2MeS + C + 2CaO = 2Me + 2CaS + CO2 Para mineral marmatita se tiene: Rafael Padilla, señala que: El mecanismo de la RCA de sulfuros es complejo. reacciones sólido-sólido reacciones sólido-gas formación de compuestos intermedios sólidos y gaseosos. (Zn,Fe)S(s) + C(s) + CaO(s) → Zn (g) + Fe/FeO/FeS(s) + CaS(s) + CO (g) (Zn,Fe)S(s) + 2C(s) + CaCO3 (s) → Zn (g) + Fe/FeO/FeS(s) + CaS(s) + CO/CO2 (g) CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2 (g)

Mecanismos de reacción: 1) ZnS(S) + CaO(S) → ZnO(S) + CaS(S) T [ºC] ∆Gº[kcal] 1 000 2.332 1 100 2.281 1 200 2.223 2) Hua-ChingHsu, Chun-I Lin y Hsi-KueiChen, plantean: ZnS(s) + CO (g) → Zn (g) + COS (g) CaO (s) + COS (g) → CaS(s) + CO2 (g) T [ºC] ∆Gº [kcal] 900 -35.852 1000 -32.937 1100 -30.046 1200 -27.173

ZnS(s) + CaO(s) + CO (g)→ Zn (g) +CaS(s) + CO2 (g) REACCIÓN GLOBAL: ZnS(s) + CaO(s) + CO (g)→ Zn (g) +CaS(s) + CO2 (g) ZnS(s) + CaO(s) +C (s) → Zn (g) +CaS(s) +CO (g)

DIAGRAMAS DE PREDOMINANCIA DE FASES SISTEMAS SUPERPUESTOS: Zn-S-O, Fe,S-O y Ca-S-O a 1100°C.

3. EXPERIMENTACIÓN La experimentación ha sido desarrollada utilizando un horno eléctrico de temperatura regulable, en el cual muestra de 50 gr de mineral fue colocada en un crisol de mullita juntamente con carbón y el desulfurizante, en cantidades medidas según la variable de estudio. La evaluación de resultados se ha realizado en base al análisis químico y peso de residuo que quedó en el crisol.

3. RESULTADOS EFECTO DE LA TEMPERATURA

EFECTO DEL INCREMENTO DE REACTANTES

EFECTO DEL TIEMPO DE REACCIÓN CAL: Etapa controlante= Reacción Química, Tτ=12.43 h CALIZA: Etapa controlante= Reacción Química, Tτ=7.41 h

Análisis químico de ZnO común: [1] %ZnO calculado a partir del %Zn CALIDAD DEL PRODUCTO OBTENIDO Análisis químico de ZnO común: Elemento % Zn 77.89 ZnO 97.06 Pb <0.01 Cd Cu Sn

REPERCUSIÓN AL MEDIO AMBIENTE Los productos secundarios se identifican al estado sólido. Por análisis de difracción de rayos X, el residuo está formado por: Sulfuro de calcio Marmatita (remanente) Hierro Sulfuro de zinc (remanente)

El método empleado fue: Método SOBECK Varias muestras de residuos de diferentes experimentaciones fueron sometidas a estudios de estabilidad química. El método empleado fue: Método SOBECK Los resultados revelan que los residuos NO SON GENERADORES DE DRENAJE ÁCIDO DE ROCA (DAR) Respecto a la generación de gases: NO SE GENERA EMISIONES GASEOSAS DE SO2.

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Pérdida de peso por: 1. Pérdida de humedad de la carga y el carbón 2. Eliminación del material volátil del carbón cargado al crisol 3. En las pruebas llevadas a cabo con caliza, la descomposición del carbonato de calcio a partir 900°C 4. La volatilización de zinc y la oxidación del C hasta CO(g) o CO2(g). 5. Oxidación del carbón por el oxigeno de la atmósfera. De 1 a 3, se ocasiona el mismo valor de pérdida de peso.

La pérdida de peso debido a la volatilización. Combustión del carbón de grano grueso (concentración de oxígeno en el interior del crisol es bastante baja).

La cantidad de xCO(g), ocasiona deficiencia de carbón. En el horno: ZnS(s) + CaO(s) + (x+1)CO(g) → Zn(g) + CaS(s) + CO2(g) + xCO(g) La cantidad de xCO(g), ocasiona deficiencia de carbón. Para satisfacer esta necesidad o mejorar las condiciones reductoras será necesario añadir una cantidad x de carbón: ZnS(s) + CaO(s) + (x+1)C(S) + xCO2(g) → Zn(g) + CaS(s) + (2x+1)CO(g) Reacción de Bouduard y descomposición del carbonato. C (s) + CO2 (g) → 2CO (g) CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2 (g)

S (del sulfuro) ---- COS(g), CaS(s) El tamaño de grano de los materiales que intervienen en el proceso influye en la rapidez con que el zinc es reducido y el azufre es retenido. ZnS ----- CO(g) S (del sulfuro) ---- COS(g), CaS(s)

5. CONCLUSIONES La reducción carbotérmica de mineral sulfuroso de zinc (marmatita) bajo la presencia de un agente desulfurizante sea este cal o caliza, es posible. El azufre es retenido en forma de sulfuro de calcio de manera eficiente. El producto obtenido es de buena calidad. No se generan emisiones gaseosas de SO2 y los residuos son químicamente estables. Pruebas complementarias

SPECTROLAB LABORATORIO DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X LABORATORIO DE CONCENTRACIÓN DE MINERALES

Ing. CAMPOS SARAVIA ANA KARINA M.Sc.Ing. VELASCO HURTADO CARLOS Ingeniero de Planta Empresa Metalúrgica Karachipampa M.Sc.Ing. VELASCO HURTADO CARLOS Docente de Pirometalurgia, Universidad Técnica de Oruro, Facultad Nacional de Ingenieria, Carrera de Metalurgia y Ciencia de Materiales