Pickles1993 Trad Esp
Pickles1993 Trad Esp
Pickles1993 Trad Esp
155
Resources, Conservation and Recyclng, 9(1993) l 55-177
Elsevier Science Publishers B.V.
C.A.Pickles° y J.M.Togurib
-Departamento de Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Queen's College, Kingston, Ontario,
Canadá
'Department ofMetallurgy and Materials Science, University of Toronto, Toronto, Ont., Canadá
(Aceptado el 18 de enero de 1993)
RESUMEN
Las emisiones de dióxido de azufre son mínimas, ya que el azufre se fija en la escoria con sulfato
de sodio. Las emisiones de plomo se reducen considerablemente gracias al uso de pellets y a una
temperatura de fundición más baja. Se determinaron las condiciones óptimas para la máxima
recuperación de plomo. Éstas fueron: una temperatura de fundición de 1223 K, una adición de carbón
vegetal de 3 masa'l6 y una adición de carbonato sódico del 20% en masa. Se comprobó que una adición de
humedad de 10 massa durante la granulación era suficiente para completar la reacción de intercambio
sulfato-carbonato y producir un granulado verde resistente. La sinterización de los gránulos verdes antes
de la reducción no afectó a la recuperación del plomo. Sin embargo, a 773 K se produjo un mínimo en la
fuerza y resistencia a la abrasión de los gránulos. Se alcanzaron recuperaciones de plomo de 96-
98'l6 y el contenido de plomo de la escoria se situó entre 1 y 2 masas.
INTRODUCCIÓN
0921-3449J93/$06.00 O 1993 Elsevier Science Publishers B.V. Todos los derechos reservados.
156 C.A. PICKLES ET
AL.
En los hornos de fundición, esta conversión del azufre genera un sólido o líquido
adicional que debe eliminarse.
La Oficina de Minas de Estados Unidos ha investigado un proceso electrolítico
para el reciclado del plomo de las baterías de desecho [9,10]. En este proceso,
el plomo metálico se separa del residuo mediante molienda con bolas, lavado y
cribado. A continuación, el metal se moldea en ánodos y se refina eléctricamente
mediante el proceso Betts, utilizando ácido fluosilícico como electrolito. El
residuo de sulfato-óxido-metal que queda tras la eliminación del plomo metálico se
trata en una operación de lixiviación en dos fases. El carbonato de amonio, el
ácido fluosilícico y el polvo de plomo se emplean para lubrificar el
plomo que se recupera mediante electroobtención.
Recientemente, Arai y Toguri [ 11] informaron de la cinética de conversión
dePbS 4 utilizando Na2CO, en solución acuosa. Esta conversión se produjo
fácilmente a temperatura ambiente. La reacción global para la lixiviación de
carbonato de sulfato de plomo fue controlada por el transporte de masa de iones
de carbonato a través de la capa límite de la solución.
A lo largo de los años, se han desarrollado muchos procesos
hidrometalúrgicos [ 12-18]. Estos procesos de lixiviación presentan una serie
de desventajas, entre las que se incluyen las siguientes: hay que manipular una
gran cantidad de agua, el proceso consta de muchas etapas, el tratamiento del
licor residual (solución de Na2SO4) plantea problemas medioambientales y el
carbonato debe secarse y reducirse a altas temperaturas a plomo metálico. Por lo
tanto, sería ventajoso desarrollar un proceso simplificado a alta temperatura
utilizando la misma reacción de desulfatación.
ACTI VE
kIATERIAL
DESLJL PHATION
H IZER
PELLETIZER HCO
SI AlTERI NG CARBONO I
SMELTER
I
Pb
klETAL
Fig. 1. Diagrama de flujo del proceso propuesto para la recuperación de plomo a partir de
residuos de baterías de plomo-ácido.
LA FUNDICIÓN CON CARBONATO SÓDICO DE RESIDUOS 137
DE BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
En el presente estudio se ha investigado a escala de laboratorio un proceso
pirometalúrgico libre de contaminación para la recuperación de plomo a partir de
residuos de baterías. En la Fig. 1 se muestra un diagrama de flujo del proceso. En
primer lugar, las baterías usadas se separan en plomo metálico, plásticos y residuos.
Este residuo, denominado material activo, es el que se analiza en este estudio. Este
proceso se basa en la reacción de intercambio:
Na2CO, + PbSO =PbCO,+NazSO4 (1)
seguida de la descomposición del carbonato en óxido según:
PbCO,=PbO+CO, (2)
y finalmente la reducción dePbO a plomo como sigue:
PbO+ CO=C 2 + Pb (3)
Básicamente, el proceso consta de cuatro pasos:
1. Trituración y molienda del residuo de la batería. El residuo se
tamiza para separar el plomo metálico del material activo (PbS 4. PbO y
Pb ).
2. Mezcla del material activo con carbonatos alcalinos, como Na2CO3.
que convierte el sulfato de plomo en carbonato de plomo. A continuación, la
mezcla resultante se granula añadiendo agua.
3. Sinterización de los gránulos.
4. Fundición de las pellas para producir plomo metálico y una escoria
rica en sulfato de sodio.
Las emisiones de dióxido de azufre son mínimas, ya que el azufre se
fija en la escoria en forma de sulfato sódico [ 19). Las emisiones de
partículas de plomo se reducen, ya que la temperatura de fundición es
baja y se emplean pellets. Además, el subproducto escoria de sulfato
sódico podría ser un producto comercializable. En el presente estudio se
investigaron las condiciones óptimas de fundición de los residuos de
baterías para obtener la máxima recuperación de plomo mediante el
proceso propuesto.
EXPERIMENTAL
Materias primas
Los experimentos de fundición se realizaron con los siguientes
materiales:
a. residuos de pilas con carbonato sódico
b. sulfato de plomo puro con carbonato de sodio, y
c. dióxido de plomo puro con sulfato de sodio puro.
Las pruebas se realizaron tanto con residuos de baterías como con sulfato
de plomo puro, a efectos de comparación.
En la tabla 1 se muestra un análisis típico del residuo de batería tal como se
recibió. Este material se trituró en un molino de bolas y el plomo metálico se
separó tamizando el producto del molino de bolas a 28 mallas (Tyler). En la
tabla 1 se muestran los análisis de los dos productos tamizados. El
contenido en plomo metálico de la mena
LA FUNDICIÓN CON CARBONATO SÓDICO DE RESIDUOS DE 159
BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
TABLA 1
Análisis de residuos de pilas en masa'l6, material de malla menos 28 (Tyler) y material de malla
más 28 (Tyler)
CUADRO 2
Procedimiento experimental
Tres kg del residuo tamizado se mezclaron en un tambor giratorio con 700 g de
carbonato sódico. Esta adición de carbonato sódico es aproximadamente un 11%
superior al requisito estequiométrico para la reacción de intercambio [ 1 ]. La
mezcla se granuló con adiciones de humedad y, a continuación, los gránulos se
secaron al aire.
160 C.A. PICKLES ET
AL.
RESULTADOS Y DEBATE
0.4
(
^
I
0.1
e
-i
desprendido.
2
LA FUNDICIÓN CON CARBONATO SÓDICO DE RESIDUOS DE 161
BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
(3 (24 h)
horas
)
(7d
( 1 )
hr)
1 100,000 1.0€I0,000
too
1g 20 25 30
323
Después de N ixar durante
Aumento de temperatura(
3 N i nutos
K)
303
0 t0 20 30
Nass °/+ H20 Añadido
0 40 60 80 ioO
Tiempo de secado
( hrs )
1646.
Fig. C.A. PICKLES ET
AL.
LA FUNDICIÓN CON CARBONATO SÓDICO DE RESIDUOS DE 165
BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
80
Pellets de residuos
° /. Retenido ( - 8 malla)
60
PbS0/, y
Pel
20 permite
573 1023
Temperatura ( K)
Fig. 7. Efecto de la temperatura de sinterización sobre la cantidad de material en la malla 8
tras la molienda autógena durante quince minutos.
Determinación de la porosidad
Se determinó la porosidad media de los gránulos a cada temperatura de
sinterización. Se pesaron seis gránulos secos con diámetros comprendidos
entre 5 y 10 mm. A continuación, se sumergieron durante 24 horas en etanol.
Utilizando la densidad del etanol (0,789 g/ml), se empleó el aumento de peso
para calcular el volumen de poros. Los gránulos eran aproximadamente esféricos,
por lo que el porcentaje de volumen de poros se calculó de la
siguiente manera:
% de volumen de poros=(volumen de poros/volumen de pellet) x 100%
En la Fig. 8 se muestra el porcentaje de porosidad de los gránulos. La
porosidad aumentó por encima de la temperatura de descomposición del
carbonato de plomo (588 K) y disminuyó después de unos 823 K. Estas tendencias
demuestran que la descomposición del carbonato de plomo produce porosidad en el
granulado, lo que explica la disminución de la resistencia con la temperatura de
sinterización (Fig. 7). A temperaturas elevadas, la resistencia aumenta a medida
que se produce la sinterización y, en consecuencia, disminuye la porosidad.
166 C.A. PICKLES ET
AL.
50
° /. Poro Yolume
Fig. 8. Porcentaje de volumen de poros de los gránulos fabricados con residuos en función de
la temperatura de sinterización.
1273
Furnød Temp ature(
Tiempo( hr.)
0.7
0-5
0.1
100
80
Pellets
de
residuo
s
40
Sin sinterizar
20
Temp. del horno 1173 K
Fig. 11. Efecto de la adición de carbón vegetal en la recuperación de plomo a partir de residuos
de baterías y sulfato de plomo.
168 C.A. PICKLES ET
AL
Sin sinterizar
0,8 -0 PbS0g PeIlets,0-042g carbón vegetal
■ Residuos Pellets,0 179 carbón
vegetal y
Evolucionada
0.6-
Masa°/+ S
0-4
-
0
1083 t123 t j63 1203
Temperatura del horno(
K)
100
Mœs °/+ Recuperación de
6t
Pb
2C
0
1083 1123 1163 1203
Temperatura del horno
(K)
Fig. 13. Efecto de la temperatura de fusión en la recuperación de plomo a partir de
residuos de baterías y sulfato de plomo.
0.6
OI
0.4
0.3
0.2
0.1 -
0 1 1 1 1 I
273 373 173 573 673 773 8?3
Temperatura de sinterización ( K )
t00
/'
60
J
ă
1173 K
0
0 vegetal 1 1
273 373 173 573 673 773 873
I i
Temperaturai ambiente ( K )
66.g0 g de Residuo
2,7t g de carbón vegetal
22,22 g de NoaCoa
8,22 g de H2O
Tiempo de fundición - -
30 este.
1213 1373
Temperatura de fusión I It I
Contenido de impurezas (en masa'l6) de las fases metal y escoria obtenidas durante las pruebas de
fusión a las temperaturas indicadas. también se incluye la relación de distribución escoria-metal a
1223 K
Análisis de las
fases metálicas
Temp. de fusión
(K)
Análisis de la
fase de escoria
Temp. de
fusión(K)
100
$$.85 g de Rcsitue
2,7J g de carbón vegetal
Recuperación del
8,22 g de Hz0
plomo ( ° /.)
Smeltin9 Ti me = 30 m
in.
-- Teoría
o Experimental
20-
l0 20 30 i0
Mgss de NazCo Añadido ( g )
60
Recuperación de
plomo ( ""/ )
6
Pb
5
16 4
Pb ( masa ° /.)
12
0
o z ' s 8 t0 12
Adición de carbón vegetal ( g )
7
T 6
2
1 PbS
0 1 2 3 1 5 6
moles C en cfmge moles C en clorge
Fig. 20. Composición de equilibrio prevista del sistema utilizando EQUILIB (F-
A*C*T). T= 1200 K, zoz- 1 atm. La carga molar relativa se indica sobre la figura. Se
supone que todas las especies condensadas tienen actividad unitaria.
(es decir, que se formarían con la actividad unitaria). Para una temperatura
especificada de 1200 K y una presión total de 1 atm, estos resultados calculados se
muestran en la Fig. 20(a) como el número de mol de las diversas especies estables
en equilibrio trazado frente al número de mol de carbono presente en
la carga.
A medida que se añade carbono al sistema, éste reducirá el óxido de plomo
produciendo un
174 C.A. PICKLES ET
AL.
Pb-S meit
16 g,
14 13 12 11 10 9 8 7
Fig. 21. El sistema Pb-S-O a 1253 K (líneas continuas) según Willis (22).
Superpuestas están las áreas de predominio para compuestos puros en el sistema
Na-S-O a 1273 K (líneas discontinuas) obtenidas usando datos de (23). Las
presiones están en atm.
LA FUNDICIÓN CON CENIZA DE SOSA DE LOS RESIDUOS 175
DE LAS BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
que coincide con las condiciones estables del plomo metálico. También se
indican las altas presiones parciales de dióxido de azufre que prevalecen en
presencia de sulfato de plomo y, por tanto, las emisiones de SO2que se
producen durante la fundición convencional de residuos de baterías.
Existen dos regímenes distintos en la reacción de fusión con el carbono. El
primero, previo a la formación de la mata, se caracteriza por la presencia tanto de
plomo metálico como de óxido de plomo (Fig. 21). Una vez que se ha eliminado
todo el óxido de plomo presente, tiene lugar la formación de la mata. Este
régimen de saturación de sulfuro se representa en la zona sombreada B de
la Fig. 21.
CONCLUSIONES
que implica una menor recuperación de plomo a metal, así como una reducción
parcial de la
sal.
AGRADECIMIENTOS
REFERENCIAS
21 Thompson, W.T., Pelton A.D. y Bale, C.W., 1985. Facility for the Analysis of Chemical
Thermodynamics (F-A-C*T) - Guide to Operations, Thermfact Ltd., Mount-Royal, Que-
bec, Canada.
22 Willis, G.M., Lead-Zinc-Tin '80, (Conf. Proc., op. cit. 3) pp. 457-476.
23 Barin I. y Knacke, O., 1973. Thermochemical Properties of Inorganic Substances, Sprin-
ger-Verlag, Berlín.