Implementación de una nueva práctica de Laboratorio: "Fusión y electroafino del cobre con una orientación a la economía circular"

0 P oyec o de Inno ación Con oca o ia 2022/2023 Nº de p oyec o 72 Implemen ación de una nue a p ác ica de labo a o io: Fusión y elec oa ino del cob e con una o ien ación a la economía ci cula Responsable del P oyec o: Jesús Ángel Muñoz Sánchez Facul ad de Ciencias Químicas Depa amen o Ingenie ía Química y de Ma e iales 1 1. Obje i os p opues os en la p esen ación del p oyec o La p opues a del p oyec o Inno a Nº72 enía como obje i os undamen ales: 1) Implemen a una nue a p ác ica de Labo a o io con una o ien ación hacia la Economía Ci cula empleando un esiduo de cob e p oceden e de una p ác ica an e io y en la que se quie e implica ac i amen e a los es udian es a a és de la ealización conjun a de un pós e en el que plasmen la expe iencia y la ansmi an a u u os es udian es que engan que ealiza la p ác ica. 2) Conciencia al alumnado sob e la impo ancia de emplea p ocesos ex ac i os ci cula es basados en la educción de esiduos me álicos y en la aplicación del modelo ci cula al Análisis del Ciclo de Vida de es os esiduos. Un obje i o adicional a los ya exp esados es el de publica en una e is a cien í ica incluida en el JCR y de ámbi o pedagógico, po ejemplo, Jou nal o Chemical Educa ion, el p ocedimien o expe imen al que se desa olle du an e la implemen ación de la nue a p ác ica pa a acomoda la a la economía ci cula . Es a publicación se i á además como guion de labo a o io, es o es, como ex o de e e encia an o pa a el p o eso ado como pa a el alumnado, e inclui á una desc ipción de allada del p oceso ci cula ealizado y una elación de cues iones en ocadas al ap endizaje po pa e del alumnado de los aspec os más ele an es del p oceso ex ac i o que han comple ado en el labo a o io. En la línea de lo exp esado an e io men e, en la nue a p ác ica de labo a o io que se p e ende implemen a se con emplan dos e apas en el p oceso ex ac i o ci cula : 1) Fusión del esiduo de cob e en un ho no de inducción y pos e io moldeo del cob e undido y 2) Elec oa ino de los ánodos de cob e impu o en una celda elec olí ica. La pues a en ma cha de es a nue a p ác ica de labo a o io end ía implicaciones posi i as en a ias asigna u as de las dis in as i ulaciones que impa e el Depa amen o de Ingenie ía Química y de Ma e iales, cuyo impac o puede esumi se en los siguien es pun os de is a: Desde el pun o de is a del p o eso ado: la nue a p ác ica end ía a comple a y a complemen a las p ác icas de Ob ención de me ales que se es án ealizando en las dis in as asigna u as y que se conc e an en p ocesos ex ac i os hid ome alú gicos y pi ome alú gicos pe o con una o ien ación ajena a la economía ci cula . Con la nue a p ác ica, o ien ada a la economía ci cula , el p o eso dispond á de un nue o ecu so pa a despe a el in e és del alumnado, po enciando en él un espí i u c í ico y e lexi o. En de ini i a, el p oceso ex ac i o ci cula en dos e apas o ece al p o eso ado una opo unidad única pa a conciencia al alumnado sob e la impo ancia de la economía ci cula y e alua las compe encias adqui idas po el alumnado en una emá ica de c ecien e in e és gene al. Desde el pun o de is a del alumnado: los es udian es ap ende án a ealiza el p oceso de usión y moldeo de un esiduo de cob e, p oceden e de una p ác ica an e io , y su pos e io elec oa ino en una celda elec olí ica en condiciones que simulen la p ác ica indus ial. Se busca con ello que los es udian es desa ollen un espí i u c í ico sob e el modelo ci cula que se ha implemen ado, así como que e lexionen sob e la huella an opogénica u ilizando el análisis del ciclo de ida. Desde el pun o de is a del Depa amen o: la implemen ación de la nue a p ác ica de Labo a o io aumen a la o e a de ac i idades p ác icas y, po an o, cons i uye una mejo a en el ma e ial docen e que pod á ac ualiza se en u u os p oyec os docen es. De es o se bene icia án los u u os p o eso es, PAS y es udian es que pa icipen en a eas docen es del Depa amen o de Ingenie ía Química y de Ma e iales. En esumen, el p oyec o pe sigue la c eación de ecu sos didác icos con una o ien ación p ác ica que end ía ele ancia en los cu icula de los nue os eg esados al in oduci el aspec o p ác ico elacionado con la Economía Ci cula . 2 2. Obje i os alcanzados Se ha conseguido el p incipal obje i o que se plan eó en el p oyec o, es o es, la pues a en ma cha de una p ác ica de labo a o io de ecupe ación de cob e a pa i de un esiduo con una o ien ación hacia la economía ci cula implicando ac i amen e a un g upo de es udian es. La Me odología empleada ha quedado ecogida en un pós e A0 en ca ón pluma ( e ANEXO) y ha con ado con la pa icipación de un g upo de es udian es de 4º cu so del g ado en Química de la asigna u a “Ma e iales Me álicos: Ob ención y Compo amien o en Se icio” del cu so 2022/2023. Con los ondos asignados al p oyec o, se ha adqui ido ma e ial pa a ealiza las ac i idades p ác icas: c isoles de cua zo pa a ealiza el p oceso de usión, placas de cob e, co adas en el Talle Mecánico de la UCM, pa a la ealización del p oceso de elec oa ino. Dado que pa a la ealización del p oyec o e a imp escindible con a con un ho no de inducción y que los ondos asignados al p oyec o no podían cub i esa comp a, el g upo de in es igación UCM 910099 “P epa ación y Deg adación de Ma e iales” asumió la comp a de dicho equipo. La consecución del p oyec o ha de i ado en: - La imp esión de un pós e A0 sob e papel o og á ico y mon aje en ca ón pluma de 5 mm de g oso . - La c eación de una página web: h ps://www.ucm.es/cob e_economia_ci cula / que es a á disponible al público p óximamen e. - La g abación de un ideo p o esional que ec ea las dos e apas del p ocedimien o expe imen al que se ha diseñado en el p oyec o docen e. La g abación del ideo ha sido posible g acias a la ayuda ines imable que p opo cionó D. Luis Miguel Se ano Ma cos, écnico especialis a I del Labo a o io de Medios Audio isuales de la Facul ad de Ciencias Físicas. - Queda pendien e la publicación en una e is a cien í ica de ámbi o nacional o in e nacional, el p ocedimien o expe imen al ealizado en la nue a p ác ica de labo a o io incluyendo una desc ipción de allada del p oceso ci cula y una elación de cues iones en ocadas al ap endizaje po pa e del alumnado de los aspec os más ele an es del p oceso ex ac i o que han comple ado en el labo a o io. 3 3. Me odología empleada en el p oyec o Es a p ác ica de Labo a o io p e ende da una isión más comple a de los p ocesos ex ac i os que se es án ealizando en o as p ác icas de Ob ención de Me ales que son ajenas al modelo ci cula ; u ilizando, pa a ello, esiduos de cob e gene ados en p ác icas an e io es en los labo a o ios del Depa amen o de Ingenie ía Química y de Ma e iales. El desa ollo de la nue a p ác ica de Labo a o io se con empla en el ma co de las dos e apas que con igu an el p oceso ex ac i o ci cula pa a la ecupe ación de COBRE: E apa 1. Fusión del esiduo de cob e y moldeo del p oduc o undido (Figu a 1) Una can idad del esiduo de cob e gene ado en la p ác ica “Lixi iación de un mine al os ado de cob e y p ecipi ación del cob e de la disolución po cemen ación” se some e a un p oceso de usión a 1100 ºC en un ho no de inducción. La pella ob enida en el p oceso se suelda a un cable de cob e con alamb e de soldadu a blanda de es año. El conjun o se embu e en un ubo de me ac ila o empleando como sellan e plas ilina. El esul ado inal es un elec odo que se i á como ánodo de Cuimpu o en el p oceso elec olí ico que se ealiza en la siguien e e apa. Figu a 1. E apas en la Fab icación de ÁNODOS de Cuimpu o: 1) Pesa el cemen o de Cu en pol o en un c isol de sílice e in oduci lo en un c isol de g a i o. 2) Calen a a 1100 ºC en un ho no de inducción. 3) Solda la pella de Cuimpu o ob enida a un cable de Cu con una soldadu a blanda de es año. 4) Embu i la pella en un ubo de me ac ila o y sella con plas ilina. E apa 2. Elec oa ino de los ánodos moldeados en la p ime a e apa (Figu a 2) Los elec odos de Cuimpu o ab icados en la e apa an e io se some en a un a ino elec olí ico en una celda de elec ólisis empleando como elec oli o una disolución ácida (H2SO4) concen ada en cob e (CuSO4). Pa a ello, el Cuimpu o (ÁNODO) se en en a a dos placas de Cupu o (CÁTODO) dispues as pa alelamen e a ambos lados del elec odo de Cuimpu o. El elec oa ino se ealiza conec ando los elec odos a una uen e de alimen ación de co ien e con inua y aplicando una di e encia de po encial en e los elec odos con el obje i o de elec odeposi a el cob e en el cá odo. Figu a 2. Mon aje expe imen al pa a ELECTROAFINAR Cuimpu o: A) Dispone pa alelamen e el ánodo de Cuimpu o en e dos cá odos de Cupu o en la celda elec oquímica. B) Añadi una disolución ácida de CuSO4 1M como elec oli o. C) Conec a los elec odos a la uen e de alimen ación y aplica ol aje. m  25 g Pella de Cuimpu o m  23,5 g 1 2 3 4 A B C 4 4. Recu sos humanos La consecución del p oyec o Inno a Nº72 se ha log ado con la pa icipación de un equipo mul idisciplina compues o po cinco p o eso es (Jesús Ángel Muñoz Sánchez, Lau a Cas o Ruiz, Felisa González González, Raúl A abal Du án, Endzhe Ma ykina), una in es igado a Ramón y Cajal (Ma a Mohedano Sánchez), dos écnicos de labo a o io (Ge a do Ma eo Gómez e Isabel Aba ca Ga cía), dos doc o andos de la Facul ad de Ciencias Químicas (Bo ja Pillado Ríos y La a Mo eno Tu iégano) y una es udian e del Más e en Ciencia y Tecnología Químicas de la Facul ad de Ciencias Químicas (Es he López Ma ínez). Se han ealizado euniones pe iódicas en las que se han a ado emas ela i os al p oyec o en los que cada uno de los miemb os del equipo ha apo ado su isión y expe iencia. La pues a en común de odas las ideas ha pe mi ido conc e a el p ocedimien o expe imen al que se ha seguido y, inalmen e, alcanza esul ados sa is ac o ios que pe mi an implemen a , en un u u o inmedia o, la nue a p ác ica o ien ada a la economía ci cula , al cu ículo p ác ico de los u u os es udian es del g ado en Química o del g ado en Ingenie ía de Ma e iales. Así mismo, el p oyec o ha con ado con la pa icipación de un g upo de es udian es de 4º cu so del g ado en Química de la asigna u a “Ma e iales Me álicos: Ob ención y Compo amien o en Se icio” del cu so 2022/2023. El g upo es u o o mado po los siguien es es udian es: Denise Elizabe h Caja, Jo ge Cas illejo Cab e o, Diego Colmene o Mi , Cla a Fe nández Val e de, Gonzalo Pé ez A cas, Ignacio Pé ez de la Blanca Fe e , Ai ana Se illano Ma ínez, Ál a o Vázquez Rome o, Mª Fe nanda Zamb ano, Ana Zhang Jiang y Wenjing Zheng Wu. A es e g upo de es udian es se les p opuso a ios emas de búsqueda bibliog á ica po pa ejas y el esul ado ue la elabo ación de seis in o mes elacionados con las siguien es emá icas: - Economía lineal (Cob e) - Economía ci cula (Cob e) - Economía lineal s Economía ci cula (Cob e) - Economía lineal s Economía ci cula (Me ales) - Economía lineal s Economía ci cula (Plás icos) - A lan ic Coppe (Huel a) El con enido de es os abajos ha se ido como pun o de pa ida pa a la elabo ación de un pós e que queda ecogido en es e documen o. 5 5. Desa ollo de las ac i idades Las p ác icas de Labo a o io de ob ención de me ales que se es án ealizando en la ac ualidad en las dis in as asigna u as del Depa amen o de Ingenie ía Química y de Ma e iales no o ecen una isión comple a de los p ocesos ex ac i os pues o que son ajenas al modelo ci cula que se quie e implan a con es a nue a p ác ica. Po o o lado, el p oyec o de inno ación que se ha desa ollado esuel e una se ie de p oblemas que se han de ec ado como pun os débiles de las di e en es ac i idades p ác icas que se desa ollan ac ualmen e en los labo a o ios docen es del Depa amen o de Ingenie ía Química y de Ma e iales. Uno de los p incipales p oblemas es la gene ación de esiduos que acaban siendo en iados al ges o de esiduos. Una buena solución a es e p oblema se ía implemen a un mecanismo que pe mi a educi la can idad de esiduos y eu iliza es os esiduos, al y como se p e ende hace con la nue a p ác ica de labo a o io. En es e sen ido, las ac i idades p ác icas que se p oponen en es e p oyec o es án en ocadas a la educción y eciclado de esiduos me álicos adop ando p ocesos ex ac i os basados en la economía ci cula y en la minimización de los impac os ambien ales y sociales c eados po el ac ual modelo lineal. En la Figu a 3a se mues a pa e del ma e ial y del equipamien o u ilizado en es e p oyec o docen e y en la Figu a 3b el g upo de es udian es de 4º cu so del G ado en Química que pa icipa on en la elabo ación del pós e A0 ( e ANEXO). Figu a 3. a) Ma e ial y equipamien o u ilizado y b) g upo de es udian es de “Ma e iales Me álicos: Ob ención y Compo amien o en Se icio” que pa icipa on en el p oyec o Inno a Nº 72. Como se ha comen ado en el apa ado 2, el desa ollo de la nue a p ác ica de Labo a o io se plan eó en el ma co de las dos e apas que con igu an el p oceso ex ac i o ci cula pa a la ecupe ación de COBRE a pa i del esiduo gene ado en una p ác ica de labo a o io an e io . Las dos e apas que con igu an el p oceso ci cula de la p ác ica de Labo a o io que se ha diseñado en es e p oyec o docen e se ue on pe eccionando a a és del mé odo cien í ico de p ueba y e o con obje o de es ablece las condiciones expe imen ales más idóneas pa a ealiza el p oceso ex ac i o del esiduo de cob e. a b 6 E apa 1. Fusión del esiduo de cob e y moldeo del p oduc o undido Se puso a pun o un p oceso de usión a 1100 ºC del esiduo de cob e gene ado en la p ác ica “Lixi iación de un mine al os ado de cob e y p ecipi ación del cob e de la disolución po cemen ación”. Pa a ello, se ealiza on a ias p uebas p elimina es pesando una cie a can idad de esiduo de cob e en un c isol de cua zo que, a su ez, se in oducía en un c isol de g a i o y, odo ese conjun o, se lle aba a un ho no de inducción. En un p incipio, se pensó en cola el p oduc o undido en un molde con la idea de ob ene un p oduc o solidi icado con la o ma del molde. Sin emba go, en las p uebas p elimina es se concluyó que bas aba con en ia el p oduc o undido en el ho no pa a ob ene una pella de Cuimpu o dimensionalmen e es able que eliminaba la necesidad de ealiza la e apa de colada y moldeo. Es e esul ado expe imen al simpli icó no ablemen e el p oceso de ob ención de una masa de Cuimpu o que ue a ap a pa a el p oceso de elec oa ino. El único incon enien e ue que, en el p oceso de ab icación de la pella de cob e impu o, se p oducía la o u a del c isol de cua zo po lo que se ha de p e e la disponibilidad de es e ma e ial cuando se ealice la p ác ica con el alumnado. El siguien e paso ue solda , a la pella ob enida en el p oceso usión, un cable de cob e con alamb e de soldadu a blanda de es año. A con inuación, el conjun o se embu ió en un ubo de me ac ila o hueco empleando como sellan e plas ilina pa a consegui un buen aislamien o de la conexión (pella de cob e/soldadu a de es año/cable de cob e) espec o del elec oli o. El esul ado inal ue un elec odo que se i á como ánodo de Cuimpu o en el p oceso elec olí ico que se ealiza en la siguien e e apa. E apa 2. Elec oa ino de los ánodos moldeados en la p ime a e apa Se ealiza on di e sas p uebas p elimina es de a ino elec olí ico con los elec odos de Cuimpu o ab icados en la e apa an e io . Pa a ello, se emplea on condiciones expe imen ales p óximas a la p ác ica indus ial: como elec oli o se u ilizó una disolución ácida de sul a o de cob e 1M, la pella de Cuimpu o ob enida en la e apa 1 se u ilizó como ánodo y se ab ica on, a a és del Talle Mecánico de la UCM, dos elec odos de Cupu o que unciona on como cá odo en la celda elec olí ica. El p oceso de elec oa ino se e i icó en a ios expe imen os en los que se dispusie on los elec odos pa alelamen e en la celda elec olí ica posicionando las placas de Cupu o a ambos lados del elec odo de Cuimpu o. El a ino elec olí ico del cob e p oducido a pa i del esiduo de la p ác ica an enio se consiguió conec ando los elec odos a una uen e de alimen ación de co ien e con inua y aplicando una di e encia de po encial en e los elec odos con el obje i o de elec odeposi a el cob e en el cá odo. Como esul ado inal del p oceso de elec oa ino, se p odujo una ganancia de peso en el cá odo y una me ma de peso en el ánodo. Como se ha comen ado p e iamen e, pa alelamen e a la ealización del p ocedimien o expe imen al en dos e apas que se ha desc i o an e io men e, se ealiza on ac i idades complemen a ias di igidas al cumplimien o de los obje i os que se ecogían en la p opues a del p oyec o docen e. En e es as ac i idades complemen a ias, cabe des aca : - La c eación de una página web: h ps://www.ucm.es/cob e_economia_ci cula / - La g abación de un ideo p o esional que ec ea las dos e apas del p ocedimien o expe imen al que se ha diseñado en el p oyec o docen e. - La elabo ación de un pós e A0 que con ó con la pa icipación de un g upo de es udian es de 4º cu so del g ado en Química de la asigna u a “Ma e iales Me álicos: Ob ención y Compo amien o en Se icio” del cu so 2022/2023. A es e g upo de es udian es se les p opuso en clase a ios emas de búsqueda bibliog á ica po 7 pa ejas. Con el in de acili a les la a ea pa a elabo a el abajo bibliog á ico, se colga on en el Campus Vi ual a ios documen os cien í icos sob e la emá ica “Me al Recycling”, incluido el “Pac o Ve de Eu opeo", que con iene in o mación muy in e esan e sob e "ESTRATEGIA INDUSTRIAL EUROPEA Y PLAN DE ACCIÓN PARA LA ECONOMÍA CIRCULAR" y ambién se colgó en el CV la siguien e plan illa explica i a: El con enido de los abajos ealizados po el g upo de es udian es que se apun a on a es a ac i idad si ió como pun o de pa ida pa a la elabo ación del pós e que se mues a en el ANEXO. 8 6. Anexos