0 Proyecto de Innovación Convocatoria 2022/2023 Nº de proyecto 72 Implementación de una nueva práctica de laboratorio: Fusión y electroafino del cobre con una orientación a la economía circular Responsable del Proyecto: Jesús Ángel Muñoz Sánchez Facultad de Ciencias Químicas Departamento Ingeniería Química y de Materiales 1 1. Objetivos propuestos en la presentación del proyecto La propuesta del proyecto Innova Nº72 tenía como objetivos fundamentales: 1) Implementar una nueva práctica de Laboratorio con una orientación hacia la Economía Circular empleando un residuo de cobre procedente de una práctica anterior y en la que se quiere implicar activamente a los estudiantes a través de la realización conjunta de un póster en el que plasmen la experiencia y la transmitan a futuros estudiantes que tengan que realizar la práctica. 2) Concienciar al alumnado sobre la importancia de emplear procesos extractivos circulares basados en la reducción de residuos metálicos y en la aplicación del modelo circular al Análisis del Ciclo de Vida de estos residuos. Un objetivo adicional a los ya expresados es el de publicar en una revista científica incluida en el JCR y de ámbito pedagógico, por ejemplo, Journal of Chemical Education, el procedimiento experimental que se desarrolle durante la implementación de la nueva práctica para acomodarla a la economía circular. Esta publicación servirá además como guion de laboratorio, esto es, como texto de referencia tanto para el profesorado como para el alumnado, e incluirá una descripción detallada del proceso circular realizado y una relación de cuestiones enfocadas al aprendizaje por parte del alumnado de los aspectos más relevantes del proceso extractivo que han completado en el laboratorio. En la línea de lo expresado anteriormente, en la nueva práctica de laboratorio que se pretende implementar se contemplan dos etapas en el proceso extractivo circular: 1) Fusión del residuo de cobre en un horno de inducción y posterior moldeo del cobre fundido y 2) Electroafino de los ánodos de cobre impuro en una celda electrolítica. La puesta en marcha de esta nueva práctica de laboratorio tendría implicaciones positivas en varias asignaturas de las distintas titulaciones que imparte el Departamento de Ingeniería Química y de Materiales, cuyo impacto puede resumirse en los siguientes puntos de vista: Desde el punto de vista del profesorado: la nueva práctica vendría a completar y a complementar las prácticas de Obtención de metales que se están realizando en las distintas asignaturas y que se concretan en procesos extractivos hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos pero con una orientación ajena a la economía circular. Con la nueva práctica, orientada a la economía circular, el profesor dispondrá de un nuevo recurso para despertar el interés del alumnado, potenciando en él un espíritu crítico y reflexivo. En definitiva, el proceso extractivo circular en dos etapas ofrece al profesorado una oportunidad única para concienciar al alumnado sobre la importancia de la economía circular y evaluar las competencias adquiridas por el alumnado en una temática de creciente interés general. Desde el punto de vista del alumnado: los estudiantes aprenderán a realizar el proceso de fusión y moldeo de un residuo de cobre, procedente de una práctica anterior, y su posterior electroafino en una celda electrolítica en condiciones que simulen la práctica industrial. Se busca con ello que los estudiantes desarrollen un espíritu crítico sobre el modelo circular que se ha implementado, así como que reflexionen sobre la huella antropogénica utilizando el análisis del ciclo de vida. Desde el punto de vista del Departamento: la implementación de la nueva práctica de Laboratorio aumenta la oferta de actividades prácticas y, por tanto, constituye una mejora en el material docente que podrá actualizarse en futuros proyectos docentes. De esto se beneficiarán los futuros profesores, PAS y estudiantes que participen en tareas docentes del Departamento de Ingeniería Química y de Materiales. En resumen, el proyecto persigue la creación de recursos didácticos con una orientación práctica que tendría relevancia en los curricula de los nuevos egresados al introducir el aspecto práctico relacionado con la Economía Circular. 2 2. Objetivos alcanzados Se ha conseguido el principal objetivo que se planteó en el proyecto, esto es, la puesta en marcha de una práctica de laboratorio de recuperación de cobre a partir de un residuo con una orientación hacia la economía circular implicando activamente a un grupo de estudiantes. La Metodología empleada ha quedado recogida en un póster A0 en cartón pluma (ver ANEXO) y ha contado con la participación de un grupo de estudiantes de 4º curso del grado en Química de la asignatura “Materiales Metálicos: Obtención y Comportamiento en Servicio” del curso 2022/2023. Con los fondos asignados al proyecto, se ha adquirido material para realizar las actividades prácticas: crisoles de cuarzo para realizar el proceso de fusión, placas de cobre, cortadas en el Taller Mecánico de la UCM, para la realización del proceso de electroafino. Dado que para la realización del proyecto era imprescindible contar con un horno de inducción y que los fondos asignados al proyecto no podían cubrir esa compra, el grupo de investigación UCM 910099 “Preparación y Degradación de Materiales” asumió la compra de dicho equipo. La consecución del proyecto ha derivado en: - La impresión de un póster A0 sobre papel fotográfico y montaje en cartón pluma de 5 mm de grosor. - La creación de una página web: https://www.ucm.es/cobre_economia_circular/ que estará disponible al público próximamente. - La grabación de un video profesional que recrea las dos etapas del procedimiento experimental que se ha diseñado en el proyecto docente. La grabación del video ha sido posible gracias a la ayuda inestimable que proporcionó D. Luis Miguel Serrano Marcos, técnico especialista I del Laboratorio de Medios Audiovisuales de la Facultad de Ciencias Físicas. - Queda pendiente la publicación en una revista científica de ámbito nacional o internacional, el procedimiento experimental realizado en la nueva práctica de laboratorio incluyendo una descripción detallada del proceso circular y una relación de cuestiones enfocadas al aprendizaje por parte del alumnado de los aspectos más relevantes del proceso extractivo que han completado en el laboratorio. 3 3. Metodología empleada en el proyecto Esta práctica de Laboratorio pretende dar una visión más completa de los procesos extractivos que se están realizando en otras prácticas de Obtención de Metales que son ajenas al modelo circular; utilizando, para ello, residuos de cobre generados en prácticas anteriores en los laboratorios del Departamento de Ingeniería Química y de Materiales. El desarrollo de la nueva práctica de Laboratorio se contempla en el marco de las dos etapas que configuran el proceso extractivo circular para la recuperación de COBRE: Etapa 1. Fusión del residuo de cobre y moldeo del producto fundido (Figura 1) Una cantidad del residuo de cobre generado en la práctica “Lixiviación de un mineral tostado de cobre y precipitación del cobre de la disolución por cementación” se somete a un proceso de fusión a 1100 ºC en un horno de inducción. La pella obtenida en el proceso se suelda a un cable de cobre con alambre de soldadura blanda de estaño. El conjunto se embute en un tubo de metacrilato empleando como sellante plastilina. El resultado final es un electrodo que servirá como ánodo de Cuimpuro en el proceso electrolítico que se realiza en la siguiente etapa. Figura 1. Etapas en la Fabricación de ÁNODOS de Cuimpuro: 1) Pesar el cemento de Cu en polvo en un crisol de sílice e introducirlo en un crisol de grafito. 2) Calentar a 1100 ºC en un horno de inducción. 3) Soldar la pella de Cuimpuro obtenida a un cable de Cu con una soldadura blanda de estaño. 4) Embutir la pella en un tubo de metacrilato y sellar con plastilina. Etapa 2. Electroafino de los ánodos moldeados en la primera etapa (Figura 2) Los electrodos de Cuimpuro fabricados en la etapa anterior se someten a un afino electrolítico en una celda de electrólisis empleando como electrolito una disolución ácida (H2SO4) concentrada en cobre (CuSO4). Para ello, el Cuimpuro (ÁNODO) se enfrenta a dos placas de Cupuro (CÁTODO) dispuestas paralelamente a ambos lados del electrodo de Cuimpuro. El electroafino se realiza conectando los electrodos a una fuente de alimentación de corriente continua y aplicando una diferencia de potencial entre los electrodos con el objetivo de electrodepositar el cobre en el cátodo. Figura 2. Montaje experimental para ELECTROAFINAR Cuimpuro: A) Disponer paralelamente el ánodo de Cuimpuro entre dos cátodos de Cupuro en la celda electroquímica. B) Añadir una disolución ácida de CuSO4 1M como electrolito. C) Conectar los electrodos a la fuente de alimentación y aplicar voltaje. m  25 g Pella de Cuimpuro m  23,5 g 1 2 3 4 A B C 4 4. Recursos humanos La consecución del proyecto Innova Nº72 se ha logrado con la participación de un equipo multidisciplinar compuesto por cinco profesores (Jesús Ángel Muñoz Sánchez, Laura Castro Ruiz, Felisa González González, Raúl Arrabal Durán, Endzhe Matykina), una investigadora Ramón y Cajal (Marta Mohedano Sánchez), dos técnicos de laboratorio (Gerardo Mateo Gómez e Isabel Abarca García), dos doctorandos de la Facultad de Ciencias Químicas (Borja Pillado Ríos y Lara Moreno Turiégano) y una estudiante del Máster en Ciencia y Tecnología Químicas de la Facultad de Ciencias Químicas (Esther López Martínez). Se han realizado reuniones periódicas en las que se han tratado temas relativos al proyecto en los que cada uno de los miembros del equipo ha aportado su visión y experiencia. La puesta en común de todas las ideas ha permitido concretar el procedimiento experimental que se ha seguido y, finalmente, alcanzar resultados satisfactorios que permitan implementar, en un futuro inmediato, la nueva práctica orientada a la economía circular, al currículo práctico de los futuros estudiantes del grado en Química o del grado en Ingeniería de Materiales. Así mismo, el proyecto ha contado con la participación de un grupo de estudiantes de 4º curso del grado en Química de la asignatura “Materiales Metálicos: Obtención y Comportamiento en Servicio” del curso 2022/2023. El grupo estuvo formado por los siguientes estudiantes: Denise Elizabeth Caja, Jorge Castillejo Cabrero, Diego Colmenero Mir, Clara Fernández Valverde, Gonzalo Pérez Arcas, Ignacio Pérez de la Blanca Ferrer, Aitana Sevillano Martínez, Álvaro Vázquez Romero, Mª Fernanda Zambrano, Ana Zhang Jiang y Wenjing Zheng Wu. A este grupo de estudiantes se les propuso varios temas de búsqueda bibliográfica por parejas y el resultado fue la elaboración de seis informes relacionados con las siguientes temáticas: - Economía lineal (Cobre) - Economía circular (Cobre) - Economía lineal vs Economía circular (Cobre) - Economía lineal vs Economía circular (Metales) - Economía lineal vs Economía circular (Plásticos) - Atlantic Copper (Huelva) El contenido de estos trabajos ha servido como punto de partida para la elaboración de un póster que queda recogido en este documento. 5 5. Desarrollo de las actividades Las prácticas de Laboratorio de obtención de metales que se están realizando en la actualidad en las distintas asignaturas del Departamento de Ingeniería Química y de Materiales no ofrecen una visión completa de los procesos extractivos puesto que son ajenas al modelo circular que se quiere implantar con esta nueva práctica. Por otro lado, el proyecto de innovación que se ha desarrollado resuelve una serie de problemas que se han detectado como puntos débiles de las diferentes actividades prácticas que se desarrollan actualmente en los laboratorios docentes del Departamento de Ingeniería Química y de Materiales. Uno de los principales problemas es la generación de residuos que acaban siendo enviados al gestor de residuos. Una buena solución a este problema sería implementar un mecanismo que permita reducir la cantidad de residuos y reutilizar estos residuos, tal y como se pretende hacer con la nueva práctica de laboratorio. En este sentido, las actividades prácticas que se proponen en este proyecto están enfocadas a la reducción y reciclado de residuos metálicos adoptando procesos extractivos basados en la economía circular y en la minimización de los impactos ambientales y sociales creados por el actual modelo lineal. En la Figura 3a se muestra parte del material y del equipamiento utilizado en este proyecto docente y en la Figura 3b el grupo de estudiantes de 4º curso del Grado en Química que participaron en la elaboración del póster A0 (ver ANEXO). Figura 3. a) Material y equipamiento utilizado y b) grupo de estudiantes de “Materiales Metálicos: Obtención y Comportamiento en Servicio” que participaron en el proyecto Innova Nº 72. Como se ha comentado en el apartado 2, el desarrollo de la nueva práctica de Laboratorio se planteó en el marco de las dos etapas que configuran el proceso extractivo circular para la recuperación de COBRE a partir del residuo generado en una práctica de laboratorio anterior. Las dos etapas que configuran el proceso circular de la práctica de Laboratorio que se ha diseñado en este proyecto docente se fueron perfeccionando a través del método científico de prueba y error con objeto de establecer las condiciones experimentales más idóneas para realizar el proceso extractivo del residuo de cobre. a b 6 Etapa 1. Fusión del residuo de cobre y moldeo del producto fundido Se puso a punto un proceso de fusión a 1100 ºC del residuo de cobre generado en la práctica “Lixiviación de un mineral tostado de cobre y precipitación del cobre de la disolución por cementación”. Para ello, se realizaron varias pruebas preliminares pesando una cierta cantidad de residuo de cobre en un crisol de cuarzo que, a su vez, se introducía en un crisol de grafito y, todo ese conjunto, se llevaba a un horno de inducción. En un principio, se pensó en colar el producto fundido en un molde con la idea de obtener un producto solidificado con la forma del molde. Sin embargo, en las pruebas preliminares se concluyó que bastaba con enfriar el producto fundido en el horno para obtener una pella de Cuimpuro dimensionalmente estable que eliminaba la necesidad de realizar la etapa de colada y moldeo. Este resultado experimental simplificó notablemente el proceso de obtención de una masa de Cuimpuro que fuera apta para el proceso de electroafino. El único inconveniente fue que, en el proceso de fabricación de la pella de cobre impuro, se producía la rotura del crisol de cuarzo por lo que se ha de prever la disponibilidad de este material cuando se realice la práctica con el alumnado. El siguiente paso fue soldar, a la pella obtenida en el proceso fusión, un cable de cobre con alambre de soldadura blanda de estaño. A continuación, el conjunto se embutió en un tubo de metacrilato hueco empleando como sellante plastilina para conseguir un buen aislamiento de la conexión (pella de cobre/soldadura de estaño/cable de cobre) respecto del electrolito. El resultado final fue un electrodo que servirá como ánodo de Cuimpuro en el proceso electrolítico que se realiza en la siguiente etapa. Etapa 2. Electroafino de los ánodos moldeados en la primera etapa Se realizaron diversas pruebas preliminares de afino electrolítico con los electrodos de Cuimpuro fabricados en la etapa anterior. Para ello, se emplearon condiciones experimentales próximas a la práctica industrial: como electrolito se utilizó una disolución ácida de sulfato de cobre 1M, la pella de Cuimpuro obtenida en la etapa 1 se utilizó como ánodo y se fabricaron, a través del Taller Mecánico de la UCM, dos electrodos de Cupuro que funcionaron como cátodo en la celda electrolítica. El proceso de electroafino se verificó en varios experimentos en los que se dispusieron los electrodos paralelamente en la celda electrolítica posicionando las placas de Cupuro a ambos lados del electrodo de Cuimpuro. El afino electrolítico del cobre producido a partir del residuo de la práctica antenior se consiguió conectando los electrodos a una fuente de alimentación de corriente continua y aplicando una diferencia de potencial entre los electrodos con el objetivo de electrodepositar el cobre en el cátodo. Como resultado final del proceso de electroafino, se produjo una ganancia de peso en el cátodo y una merma de peso en el ánodo. Como se ha comentado previamente, paralelamente a la realización del procedimiento experimental en dos etapas que se ha descrito anteriormente, se realizaron actividades complementarias dirigidas al cumplimiento de los objetivos que se recogían en la propuesta del proyecto docente. Entre estas actividades complementarias, cabe destacar: - La creación de una página web: https://www.ucm.es/cobre_economia_circular/ - La grabación de un video profesional que recrea las dos etapas del procedimiento experimental que se ha diseñado en el proyecto docente. - La elaboración de un póster A0 que contó con la participación de un grupo de estudiantes de 4º curso del grado en Química de la asignatura “Materiales Metálicos: Obtención y Comportamiento en Servicio” del curso 2022/2023. A este grupo de estudiantes se les propuso en clase varios temas de búsqueda bibliográfica por 7 parejas. Con el fin de facilitarles la tarea para elaborar el trabajo bibliográfico, se colgaron en el Campus Virtual varios documentos científicos sobre la temática “Metal Recycling”, incluido el “Pacto Verde Europeo", que contiene información muy interesante sobre "ESTRATEGIA INDUSTRIAL EUROPEA Y PLAN DE ACCIÓN PARA LA ECONOMÍA CIRCULAR" y también se colgó en el CV la siguiente plantilla explicativa: El contenido de los trabajos realizados por el grupo de estudiantes que se apuntaron a esta actividad sirvió como punto de partida para la elaboración del póster que se muestra en el ANEXO. 8 6. Anexos