Estudio del efecto de la luz visible en la electrodisolución de calcopirita.

Abstract

La calcopirita es la mena principal de cobre en el mundo y tradicionalmente se procesa por vía pirometalúrgica, sin embargo, ante problemáticas como la disminución de las leyes de cobre, la presencia de elementos como el As, Bi y Sb que complejizan la composición del mineral, el agotamiento de mineral oxidado de cobre que dejaría inutilizada la capacidad instalada de la vía SX-EW y por las normas ambientales cada vez más exigentes, la vía hidrometalúrgica se muestra como una opción viable para enfrentar cada una de estas problemáticas. No obstante, la calcopirita es un sulfuro cuya cinética de lixiviación es extremadamente lenta, por lo cual es de gran relevancia investigar posibles mecanismos para acelerar este proceso. Debido a la naturaleza semiconductora de la calcopirita se plantea el uso de luz visible en el proceso de lixiviación, donde la hipótesis planteada por el autor es que la luz visible modifica el comportamiento electroquímico de la Disolución oxidante de la calcopirita en el proceso de lixiviación mientras la capa de productos formada se comporte como un semiconductor tipo n, lo cual ocurre dentro de un intervalo óptimo de potencial. Fuera de estos valores, la capa formada tendrá un comportamiento tipo p y la luz no afectará la oxidación del mineral. La hipótesis planteada fue puesta a prueba mediante distintas técnicas electroquímicas a un electrodo de calcopirita en una solución de ácido sulfúrico a 30 g/l, donde el electrodo fue iluminado por una fuente de luz LED de 10 W y variando la longitud de onda. Estas pruebas tenían como fin cuantizar el efecto de la luz visible mediante parámetros cinéticos, que fueron obtenidos mediante voltametría lineal y por determinación de la resistencia a la polarización. Por otro lado, se realizaron pruebas de capacitancia con el fin de determinar el comportamiento semiconductor de la calcopirita en función del potencial aplicado. Luego, mediante espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se planteó un circuito equivalente con el fin de proponer (de manera parcial) un mecanismo de reacción a un potencial tipo n (300 mV/Ag|AgCl) y a un potencial tipo p (850 mV/Ag|AgCl). Finalmente, se polarizaron electrodos a estos potenciales en distintas condiciones de iluminación, los cuales fueron posteriormente caracterizados mediante espectroscopía Raman. Como resultado, se determinó que el uso de luz visible causo el aumento en la densidad de corriente de intercambio en la oxidación de la calcopirita en comparación con la condición de oscuridad pero no afecta a la resistencia a la polarización a 25°C, mientras que a 45°C sí se muestra una disminución de este parámetro. Por otro lado, mediante EIS y la caracterización por espectroscopía Raman se plantea que en potenciales tipo n, la capa de productos estaría conformada por un polisulfuro no estequiométrico del tipo Cu1−xFe1−yS2, cuya formación se ve afectada de manera positiva al aplicar luz visible en el sistema, en cambio, a potenciales tipo p la capa de productos estaría conformada por polisulfuros de tipo Cu1−x−zS2 y por azufre elemental, capa que no se vería afectada por el uso de luz visible. De este trabajo de investigación se concluye que la luz visible afecta de manera positiva a la lixiviación de calcopirita en una solución de ácido sulfúrico cuando la capa de productos formada tiene un comportamiento tipo n, en cambio, en condiciones altamente oxidantes, la capa de productos formada tiene un comportamiento tipo p, la cual no se ve afectada por el uso de luz visible.

Chalcopyrite is the main copper ore in the world, which is traditionally processed by the pyrometallurgical means, however, given problems such as the decrease in copper grades, the presence of elements such as As, Bi and Sb that make the composition more complex. of ore, the depletion of oxidized copper ore that would leave the installed capacity of the SX-EW road unused, and due to increasingly demanding environmental regulations, the hydrometallurgical route appears as a viable option to address each of these problems. However, chalcopyrite is a sulfide whose leaching kinetics is extremely slow, so it is highly relevant to investigate possible mechanisms to accelerate the process. Due to the semiconducting nature of chalcopyrite, the use of visible light in the leaching process is proposed, where the hypothesis put forward by the author is that visible light modifies the electrochemical behaviour of the oxidising solution of chalcopyrite in the leaching process as long as the product layer formed behaves as an n-type semiconductor, which occurs within an optimal range of potential. Outside this range, the formed layer will have a p-type behaviour and light will not affect the oxidation of the mineral. The proposed hypothesis was tested by different electrochemical techniques on a chalcopyrite electrode using a 30 g/l sulfuric acid solution, where the electrode was illuminated by a 10 W LED light source, whose wavelength was varied. These tests were intended to quantify the visible light effect by kinetics parameters, which were obtained by linear sweep voltammetry and polarization resistance technique. On the other hand, capacitance tests were analyzed to determine the semiconductive behavior of the chalcopyrite in function of the applied potential. Then, using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) an equivalent circuit was determined to propose (partially) a reaction mechanism in a n-type potential (300 mV/Ag|AgCl) and in a p-type potential (850 mV/Ag|AgCl). Finally, chalcopyrite electrodes were polarized in different illumination conditions, which were characterized by Raman spectroscopy. As a result, it was obtained that in the oxidation of chalcopyrite, the exchange current density increased when the electrode was illuminated by visible light in comparison with the dark condition. The polarization resistance wasn't affected using visible light in 25 °C, while at 45 °C the polarization resistance decreases in illumination condition. By the other hand, using EIS and characterization by Raman spectroscopy, it is suggested that in n-type potentials the product layer would be made up of a non-stoichiometric polysulfide of the Cu1−xFe1−yS2 type, which is positively affected by applying visible light. In the system, on the other hand, at p-type potentials, the product layer would be made up of Cu1−x−zS2 type polysulfides and elemental sulfur which would not be affected using visible light. From this research work was concluded that the visible light affects positively the chalcopyrite leaching in sulfuric acid solution when the product layer has a n-type behavior, instead, in highly oxidative condition the product layer has an p-type layer, which is not affected using visible light.