ADSORCIÓN DE Au(CN)2
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CONAMET/SAM-2008
ADSORCIÓN DE Au(CN)2- EN CARBÓN ACTIVADO. EFECTO DE VARIABLESY ANÁLISIS MECANÍSTICO
C. Vargas, P. Navarro y C. Aguayo
Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Santiago de Chile (USACH), Avda. Libertador
Bernardo O´Higgins 3363 – Santiago – Chile
Email: [email protected]
Resumen.
Se estudió la adsorción de oro en carbón activado a partir de soluciones acuosas sintéticas, utilizando dos
tipos de carbón activado: carbón granular tipo Industrial (carbón 1) y carbón granular de nombre comercial
tipo CPG-LF (carbón 2). Estas pruebas experimentales consistieron en contactar el carbón activado con una
solución sintética de oro a la forma de Au(CN)2-, tanto en reactor agitado como en columnas.
En las experiencias en reactor agitado, se contactó el carbón activado en un reactor de vidrio con agitación
mecánica constante, y sumergido en un baño termoregulado para mantener una temperatura constante durante
todo el proceso, y se modificaron los siguientes parámetros: tipo de carbón, temperatura, fuerza iónica y
presencia de agente oxidante. Además se monitoreó la evolución del pH y del potencial electroquímico de la
solución acuosa.
En las pruebas en columnas, se utilizó una columna de lecho fijo usando una concentración constante de 10
ppm de oro en solución y pH 11. Se trabajó a una razón constante de 40,4 BV/hr. Posteriormente se evaluó la
influencia de los distintos factores en el proceso de adsorción de oro.
Entre las conclusiones mas importantes de este trabajo destacan que el principal mecanismo para el proceso
de adsorción de oro mediante carbón activado es del tipo par iónico, y los parámetros que ejercen mayor
influencia en la adsorción en forma batch es la fuerza iónica a través de la presencia de diferentes cationes,
especialmente el ión calcio, y la temperatura. Se encontró también que el fenómeno de adsorción de oro se
ajusta satisfactoriamente a la isoterma de Freundlich para ambos carbones estudiados, con constantes
características de 0,0925 y 0,00012, para los carbones 1 y 2, respectivamente.
Por otra parte, se evidenció que las propiedades físicas del carbón activado también tienen un rol importante
en la adsorción de oro. Es así que destacan % de macroporos, el área superficial y el tamaño promedio de
poros, como variables influyentes en el proceso de adsorción y que son particulares del tipo de carbón
utilizado.
En relación a las pruebas en columna, se encontró que la tendencia para carga por etapas es la misma para
ambos carbones, pero el carbón 2 alcanza el pseudoequilibrio en menos etapas que el carbón 1.
Palabras claves: Adsorción, carbón activado, oro, cianuro.
1. INTRODUCCIÓN
El uso del carbón activado se ha incrementado en las
últimas décadas en el campo de la hidrometalurgia,
especialmente en la recuperación de oro y plata
desde soluciones alcalinas provenientes del proceso
de cianuración [1-3]
.
La adsorción de ( )
en carbón activado ha
sido extensamente estudiada y en general se
concuerda que el mecanismo por el cual el oro se
adsorbe dentro del carbón activado es el denominado
“mecanismo de par iónico”. Diversos autores,
encontraron que el dicianurato de oro es adsorbido
por el carbón activado sin ningún tipo de cambio
químico desde soluciones alcalinas involucrando el
mecanismo de par iónico del t ipo()en la superficie del carbón,
donde M+n
representa un tipo de catión como Na+,
K+, o Ca
+2, cationes que son frecuentes en las
soluciones de cianuración[4-10]
.
Además se ha encontrado que al aumentar la
temperatura en un rango de 22°C a 80°C la
capacidad de adsorción del carbón disminuye, y la
razón de este comportamiento estaría relacionada
con la solubilidad del complejo. El calor de la
reacción se encontró en un valor promedio de 42
kJ/mol-1
.
Estudios actuales predicen que la estructura grafítica
del carbón activado es uno de los factores más
importantes de proceso de adsorción de dicianuro de
oro [11]
. Sin embargo, muy pocas consideraciones han
sido entregadas respecto de la influencia del tipo de
carbón activado utilizado.
En la actualidad existe escasa información
actualizada sobre estudios que reflejen la
importancia de las propiedades físicas de los
carbones activados, y su implicancia en el
mecanismo y cinética de adsorción de oro dentro del
interior de la superficie del carbón estudiado. Dentro
de la escasa información actual, se ha reportado que
existe la influencia de las condiciones superficiales
del carbón activado en la adsorción de oro en carbón
activado, involucrando preferentemente la
distribución de tamaño de poros[12]
.
El objetivo de este trabajo científico fue estudiar a
nivel de laboratorio el efecto de diversas variables en
la cinética de adsorción de oro desde soluciones
cianuradas y verificar algunos aspectos mecanísticos
del proceso, utilizando dos carbones activados de
diferentes características fisicoquímicas.
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL
Se utilizaron 2 carbones activados de diferentes
propiedades cuya denominación y características se
presentan en la tabla I.
Tabla I. Características de los carbones activadosutilizados.
Características Carbón 1 Carbón 2
NaturalezaCáscaras de
coco
Cáscaras de
coco
Tamaño
promedio de
poros (nm)
1,82 2,35
Superficie
específica
(m2/g)
985,69 786,27
% de
macroporos40,04 63,21
Para la preparación de las soluciones de oro se
utilizó agua bidestilada y reactivos de grado analítico
como dicianurato de potasio [K(Au(CN)2)], CaCl2,
NaCl, KCl, LiCl, KOH y peróxido de hidrógeno
[H2O2].
Los ensayos de adsorción batch se realizaron en un
reactor de 500 mL con agitación mecánica y a
temperatura constante, controlada a través de un
baño termorregulador. Se mantuvieron constantes los
siguientes parámetros:
- Concentración inicial de oro: 6 ppm
- Velocidad de agitación : 500 (rpm)
- Tiempo de adsorción : 6 (h)
- Masa de carbón : 0,1 (g)
- pH : 11
Las variables estudiadas y sus rangos de
experimentación se presentan en la tabla II.
Tabla II. Variables y rangos de experimentación
VariableRango de
experimentación
Tipo de carbón Carbón 1 y carbón 2
Tipo y concentración de
cationes
Na+, Li
+, K
+ y Ca
+2;
(0,01 - 0,1 - 0,5) (M)
Temperatura 5 - 20 - 50 (ºC)
Agente oxidante 0,01 - 0,04 (M)
La metodología experimental seguida para cada
prueba fue la misma, variando solo las condiciones
propias de cada caso. Las etapas desarrolladas fueron
las siguientes:
- Se agregaron 400 mL de la solución acuosa de
oro en el reactor que se dispuso en un baño
termorregulador.
- Se ajustó el valor de pH de la solución.
- Se controló la temperatura del baño
termorregulador en forma paralela a los puntos
anteriores.
- Se ajustó la velocidad del agitador mecánico a
500 rpm.
- Una vez acondicionada la solución se incorporó
el carbón activado.
- Se tomaron muestras de 5 mL de la solución a
diferentes tiempos de muestreo.
- Se midió la evolución del pH y potencial
electroquímico.
- A las 6 horas se detuvo la experiencia.
Las muestras de solución acuosa fueron enviadas a
análisis químico por absorción atómica. El oro
adsorbido en el carbón tanto en términos
porcentuales como la carga de oro, se determinó por
balance de oro presente en las soluciones.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Efecto de cationes
En primer término para dilucidar la concentración
característica solo se trabajó con el carbón 1. Los
resultados se presentan en las figuras 1 a 4.
0 1 2 3 4 5 60
20
40
60
80
100
Ad
sorc
ión
de
Au
, %
Tiempo, horas
0,01M Na+
0,1M Na+
0,5M Na+
Figura 1. Efecto de la concentración de Na+ en laadsorción de oro. Condición experimental: Carbón 1; 0,1
[g.] de carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C].
Se encontró que al incrementar la concentración del
ión Na+ de 0,1 a 0,5 [M], el porcentaje de adsorción
de oro aumenta a tiempos cortos, haciéndose
constante a tiempos mayores de 4 horas de adsorción
en las tres concentraciones del ión sodio. Además, al
comparar el efecto del ión Na+ a bajas
concentraciones (0,01 [M] y 0,1 [M]) no tiene un
efecto apreciable entre ambos, pudiéndose considerar
este efecto similar en este rango de concentración.
Esto puede explicarse ya que a bajas concentraciones
iónicas el mecanismo predominante es el
intercambio iónico y se haría independiente de la
cantidad de iones en solución.
0 1 2 3 4 5 60
20
40
60
80
100
Ad
sorc
ión
de
Au
, %
Tiempo, horas
0,01M Li+
0,1M Li+
0,5M Li+
Figura 2. Efecto de la concentración de Li+ en laadsorción de oro. Condición experimental: Carbón 1; 0,1
[g.] de carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C].
Por otro lado se observa que la velocidad inicial de
carga es rápida en un inicio (0 a 2 horas), pudiendo
estar entonces controlada por la difusión en el film,
luego esta se vuelve lenta cambiando probablemente
a difusión dentro de los poros del carbón, hasta
alcanzar un equilibrio en la superficie interna del
carbón cuando se detiene la adsorción. Para el caso
del ión Litio y Potasio se observa el mismo
comportamiento explicado anteriormente.
0 1 2 3 4 5 60
20
40
60
80
100
Ad
sorc
ión
de
Au
, %
Tiempo, horas
0,01M K+
0,1M K+
0,5M K+
Figura 3. Efecto de la concentración de K+ en laadsorción de oro. Condición experimental: Carbón 1; 0,1
[g.] de carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C].
En el caso del catión Ca+2
, el efecto es similar en las
tres concentraciones utilizadas, debido al efecto de
fuerza iónica, ya que es un catión bivalente, y por
esto, el efecto de fuerza iónica se cuadriplica, es
decir en presencia del catión calcio, la carga del ión
es el principal aporte en la adsorción, aumentando
ésta y haciéndose independiente de la masa de
cationes en solución
0 1 2 3 4 5 60
20
40
60
80
100
Ad
sorc
ión
de
Au
, %
Tiempo, horas
0,01M Ca2+
0,1M Ca2+
0,5M Ca2+
Figura 4. Efecto de la concentración de Ca2+ en laadsorción de oro. Condición experimental: Carbón 1; 0,1
[g.] de carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C].
En las siguientes pruebas se estudió la influencia de
distintos cationes durante el proceso de adsorción de
oro en carbón activado y el efecto de la
concentración de estos iones en la cinética de
adsorción de oro. El efecto de la presencia de
diferentes cationes en la adsorción de oro se muestra
en la figura 5.
El efecto de diferentes cationes en la adsorción de
oro, utilizando el carbón 1, sigue el siguiente orden:
Para el caso del carbón 2 se observa en la figura 5 (b)
que el efecto de los cationes en la adsorción, sigue el
siguiente orden:
2CaKNaLiSincationes++++>>>>
3.2 Evolución del pH
La evolución del pH en el tiempo (figura 6) indica
que durante el proceso de adsorción de oro en medio
básico se adsorben iones hidroxilos, lo que se ve
reflejado en una disminución del pH hasta
mantenerse constante a las 2 horas de contacto y
llegar a un equilibrio a las 6 horas de adsorción a un
pH neutro.
Figura 5. Efecto de la concentración de cationesen la adsorción de oro. Condición experimental: Carbón 1;
0,1 [g.] de carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C], cationes
0,1M.
0 1 2 3 40
2
4
6
8
10
12
14
pH
Tiempo, horas
Presencia de Au
Ausencia de Au
Figura 6. Evolución del pH en función del tiempoen presencia y ausencia del complejoaurocianurado. Condición experimental: 0,1 [g.] de carbón
activado, pH inicial = 11, T° =20[°C], Catión: 0,1[M] Ca+2.
La evolución del pH en ausencia de oro podría
indicar que el carbón activado absorbe iones
hidroxilos, lo cual se puede representar mediante la
siguiente expresión:
( ) ( )
3.3 Efecto de la temperatura
La isoterma de adsorción (figura 7) muestra que la
capacidad de carga del carbón en pseudoequilibrio
disminuye marcadamente cuando la temperatura de
la adsorción es incrementada.
La razón de este comportamiento es descrita
mediante consideraciones de solubilidad, ya que la
solubilidad del complejo Au(CN)2- en agua caliente
es aproximadamente 4 veces mayor que en agua
fría.
0 1 2 3 4 50
2
4
6
8
10
12
14
Au adsorbido (g Au/kg carbón)
Au en solución, ppm
5ºC
20ºC
50ºC
Figura 7. Influencia de la temperatura en laisoterma de adsorción. Condición experimental: Carbón 1;
0,1 [g.] de carbón activado, pH inicial = 11, Catión: 0,1[M] Ca+2.
3.4 Efecto del agente oxidante
En la figura 8 se graficó el porcentaje de adsorción
con la incorporación de peróxido de hidrógeno a
concentraciones de 0,04 y 0,14 [M]. En el rango de
operación no se observa un efecto importante en la
extracción de oro.
Pero al observar la figura 9, se verifica que el
potencial de la solución referido al electrodo de
hidrógeno se incrementa al introducir el peróxido de
hidrógeno, como agente oxidante en la solución
cianurada, aún así el efecto en la adsorción no es
marcado dentro del rango de operación utilizado.
0 1 2 3 4 5 60
10
20
30
40
50
60
70
Adsorción de Au( %)
Tiempo, horas
Sin agente oxidante 0,01 M H
2O
2
0,04 M H2O
2
Figura 8. Efecto del agente oxidante en laadsorción de oro. Condición experimental: Carbón 1; 0,1
[g.] de carbón activado, pH inicial = 11, , T° =20[°C], Catión:
0,1[M] Ca+2.
0 1 2 3 4 5 60
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Potencial electroquímicomV/ENH
Tiempo, horas
Sin agente oxidante 0,01 M H
2O
2
0,04 M H2O
2
Figura 9. Efecto del agente oxidante en laevolución del potencial electroquímico. Condición
experimental: Carbón 1; 0,1 [g.] de carbón activado, pH inicial =
11, T° =20[°C], Catión: 0,1[M] Ca+2.
Con el apoyo del programa Medusa 2.0, se realizó la
especiación de las especies estables en solución
acuosa. Se observa que la especie
termodinámicamente estable es el Au+
, por lo cual
aunque se opere con agentes oxidantes altamente
oxidantes, el oro no se oxida a su estado de
oxidación +3, lo cual se comprueba en la figura 10,
en la cual se simuló una variación de la
concentración de peróxido hasta un valor de 20 [M],
y el oro en el complejo, se mantiene en su estado de
oxidación +1.
0 5 10 15 200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Fra
cció
n
H2O2 , moles/L
Au(CN)-
2
Eh = 0,16VpH = 11CN
TOTAL = 60 μM
AuTOTAL
= 30 μ
25ºC
Figura 10. Especiación del sistema Au-CN-H2O2
variando la concentración de peróxido dehidrógeno. Condición experimental: Carbón 1; 0,1 [g.] de
carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C], Catión: 0,1[M] Ca+2.
3.5 Efecto de las propiedades físicas del carbónactivado en la adsorción de oro.
En la figura 11 se puede observar que el carbón 2,
que posee mayor cantidad de macroporos (63,21%),
posee una velocidad de adsorción mayor que el
carbón 1 (41,04 % macroporos), a tiempos de
adsorción de 6 horas, aún cuando en ambas curvas
no se alcanza el equilibrio. El carbón 2 presenta una
pendiente menos pronunciada, con lo cual este
carbón se encuentra más cercano de alcanzar un
equilibrio próximo.
0 1 2 3 4 5 60
20
40
60
80
100
Ad
sorc
ión
de
Au
, %
Tiempo, horas
Carbón 1 (40,04% macroporos) Carbón 2 (63,21% macroporos)
Figura 11. Efecto del % de macroporos en laadsorción de oro. Condición experimental: 0,1 [g.] de
carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C], Catión: 0,1[M] Ca+2.
Como puede observarse en la Figura 12 al aumentar
el diámetro promedio de poro la carga de oro por
superficie de carbón activado aumenta, para todo
tipo de catión, es decir, la carga de oro es mayor en
el caso del carbón 2 ya que presenta un mayor
diámetro interno de poro, y la molécula de
aurocianuro ingresa en mayor proporción dentro del
carbón activado, presentando una menor resistencia
al ingreso del complejo. A su vez, el carbón 1
presenta la menor carga de oro por superficie de
carbón para todos los tipos de cationes involucrados.
1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4
8
10
12
14
16
Carbón 2(2,35 nm)A
u a
dso
rbid
o.
g A
u/k
g c
arb
ón
Diámetro promedio de poros (nm)
Ca2+
Na+
K+
Li+
Carbón 1(1,82 nm)
Figura 12. Efecto del diámetro promedio de porosen la carga de oro en el carbón en presencia dediferentes cationes. Condición experimental: 0,1 [g.] de
carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C].
En la figura 13 se observa que el carbón 2 presenta
una mayor carga de oro por área superficial de
carbón durante el proceso de adsorción, más aún,
éste alcanza a duplicar la carga de oro del otro
carbón durante las primeras 6 horas de adsorción.
0 1 2 3 4 5 60,000
0,005
0,010
0,015
0,020
Au
ad
sorb
ido, m
g A
u/m2
Tiempo, horas
Carbón 1 (985,69 m2/g)
Carbón 2 (786,27 m2/g)
Figura 13. Efecto del área superficial del carbónen la adsorción de oro. Condición experimental: 0,1 [g.] de
carbón activado, pH inicial = 11, T° =20[°C], Catión: 0,1[M] Ca+2.
El mayor grado de carga, no implica mayor área
superficial -como podría esperarse- ya que el carbón
2 posee menor área superficial, aproximadamente
200 m2 menos que el carbón 1, y aún así el complejo
aurocianurado ingresa en mayor proporción al
interior de este. Además, a mayor área superficial del
carbón, mayor es la cantidad de microporos en la
distribución de tamaño de poros, siendo su cinética
de adsorción más lenta.
Si se observa la capacidad de carga por distintas
etapas (Figura 14), se observa la misma tendencia
descrita anteriormente, observando que el carbón 2
alcanza un estado de pseudoequilibrio a las 9 etapas
de contactar la solución de oro con el carbón. Sin
embargo el carbón 1 a las 11 etapas de proceso,
todavía no alcanza un valor constante, y puede que
posean la misma capacidad de carga, diferenciándose
solamente en la velocidad de carga (cinética) de
adsorción, ya que el carbón 2 presenta una cinética
más rápida.
0 2 4 6 8 10 120,00
0,02
0,04
0,06
0,08
Au
ad
sorb
ido, g A
u/m2
Nº Cargas
Carbón 1
Carbón 2
Figura 14. Capacidad de Carga de Oro porsuperficie contactándolo en etapas batch.Condición experimental: 0,1 [g.] de carbón activado, pH inicial =
11, T° =20[°C], Catión: 0,1[M] Ca+2.
Además se construyeron las isotermas de Freundlich
a tiempos de 4 horas de pseudoequilibrio del sistema
a diversas condiciones de razón carbón-solución. En
la tabla III se presentan las ecuaciones de Freundlich
para los dos carbones estudiados.
Tabla III. Isotermas de Freundlich de loscarbones activados a 4 horas de adsorción.
Carbón 1 Carbón 2
EcuaciónFreundlich
Q =9,25·10-2
·C1,763
Q=12,33·10-5
·C3,7397
R20,9866 0,9688
La ecuación de Freundlich se ajusta
satisfactoriamente al proceso de adsorción en los
dos carbones activados y presenta una pendiente
menor a uno. Esto indica que la cantidad de
aurocianuro adsorbido por masa de carbón
disminuye al aumentar la razón carbón/solución,
hecho que se refleja en la disminución de la cantidad
adsorbida.
3.6 Análisis mecanístico de la adsorción de oroen carbón activado
De acuerdo a los resultados obtenidos, desde un
punto de vista mecanístico, es factible indicar lo
siguiente:
- La fuerza iónica de la solución es
determinante en la adsorción de oro en
carbón activado, lo que sugiere un
mecanismo del tipo par iónico.
- Se varió el potencial electroquímico del
sistema, aportando una mínima variación en
la cantidad de oro adsorbido, descartando
una componente electroquímica en la
adsorción de oro en carbón activado.
- Desde un punto de vista cinético es muy
importante el factor físico del carbón en
relación al tamaño de sus poros y el área
especifica, debido a que inicialmente el oro
es adsorbido en la superficie mas externa
del carbón y posteriormente debe
transportarse al interior de las partículas
donde se ponen en relevancia los factores
físicos del carbón en relación a la velocidad
de adsorción de oro y de la cantidad de oro
adsorbido.
4. CONCLUSIONES
- La presencia de cationes favorece el
proceso de adsorción de oro en medio
cianuro, especialmente los de mayor
valencia.
- Por lo anterior, el principal mecanismo en el
proceso de adsorción de oro en carbón
activado es el del tipo par iónico.
- Durante el proceso de adsorción el pH
evoluciona a valores mas bajos que el
inicial, pudiéndose co-adsorber los iones
hidroxilos en el carbón activado.
- El aumento de temperatura desfavorece el
proceso de adsorción de oro.
- La presencia de un agente oxidante como el
H2O2 no afecta significativamente el
proceso de adsorción de oro, pese a que
existe un aumento en el potencial
electroquímico de la solución. Esto descarta
la posibilidad de un mecanismo de tipo
electroquímico que predomine en este tipo
de proceso.
- Una mayor cantidad de macroporos en el
carbón activado produce una mayor
adsorción de oro.
- Al aumentar el diámetro promedio de poro,
aumenta la carga de oro por superficie de
carbón activado.
- Una menor área superficial del carbón
activado produjo una mayor carga de oro y
por ello con ese carbón se obtiene una
mayor capacidad de carga.
5. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Comisión Nacional de
Investigación Científica y Tecnológica (CONICYT)
por el patrocinio otorgado para la realización de este
trabajo científico a través del proyecto Fondecyt
Nº1070091.
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Gold Extraction, 2a ed. SME, 2006, págs. 260-
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