Mecanismo y cinética de oxidación de enargita (Cu3AsS4) y estibina (Sb2S3) a altas temperaturas[archivo computacional

Abstract

El arsénico y antimonio son dos metaloides que comúnmente se encuentran en los concentrados de cobre chilenos en concentraciones pequeñas, aunque en el caso de arsénico su concentración puede variar hasta valores mayores a 4% en peso. Estos elementos ocasionan variados problemas relacionados principalmente con contaminación ambiental, puesto que sus compuestos suelen ser altamente volátiles durante el tratamiento pirometalúrgico de concentrados sulfurado complejos de cobre ricos en impurezas. El comportamiento de estos minerales que contienen estas impurezas incluso a temperaturas de tostación sigue siendo incierto. Considerando lo anterior, se decidió definir como objetivo principal de la presente tesis, el determinar el mecanismo y la cinética de oxidación de enargita (Cu3AsS4) y estibina (Sb2S3) en función de la temperatura, T, y la presión parcial de oxígeno, PO2. El trabajo experimental de esta tesis se desarrolló en el marco del proyecto FONDECYT Nº1080296. La mayor parte de los experimentos se realizaron en un equipo termogravimétrico a distintas temperaturas (350~1200ºC) y presiones parciales de oxígeno (0.01 a 0.21 atm.). La gravimetría en conjunto con la difracción de rayos X, XRD, de muestras parcial o totalmente tratadas, permitieron determinar las reacciones involucradas en el proceso de oxidación tanto de la enargita como de la estibina. Los resultados obtenidos concernientes a la enargita en todo el rango de temperaturas estudiado (375-1100ºC) mostraron que en presencia de oxígeno, se descompone primeramente a tenantita (Cu12As4S13) con la consecutiva formación de calcosina (Cu2S) y volatilización del arsénico como As4O6. Después de estas reacciones consecutivas, la calcosina se oxida a cuprita (Cu2O) para finalmente sobre-oxidarse a tenorita (CuO). La cinética de oxidación de la enargita resultó ajustable a un control de orden cero: X=kapp t. La energía de activación calculada fue de 35.6 kJ/mol, característico de una cinética de reacción controlada por reacción química. Por otra parte, los resultados obtenidos concernientes a la oxidación de estibina mostraron la completa reacción para producir senarmontita (Sb2O3) en fase sólida en un rango de temperaturas de 300-500ºC. La cinética de oxidación de la estibina fue ajustable a un modelo de primer orden 1-(1-X)1/3 = kapp t. Se determinó que la velocidad de oxidación de la estibina es de orden 0.6 con respecto a la PO2 e inversamente proporcional al tamaño de partícula. La energía de activación calculada fue de 93.6 kJ/mol. La gravimetría en el rango de temperatura (700-1000ºC) en conjunto con los análisis de XRD sugiere que la reacción de oxidación de la estibina involucra la formación secuencial de Sb2O3 con su parcial volatilización dejando un remanente de SbO2. Por último, sobre 1000ºC, se determinó que la estibina se oxida para formar Sb2O3, el que luego se descompone formando antimonio metálico.