electrozinc electrodialisis

7/26/2019 electrozinc electrodialisis

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ELECTROOBTENCIN DE ZINC UTILIZANDOCELDA DE

ELECTRODIALISIS REACTIVA

Profesor Dr. GERARDO CIFUENTES MOLINA

2012

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA


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INDICE

Introduccin.

Sistemas forzados.

Variables y parmetros en celdas de

electrlisis.

Esquema terico EO de Zinc.

Parte Experimental.Caractersticas del proceso convencional.

Caractersticas de la nueva celda .

Comparacin entre ambas celdas.

Anlisis y Discusin de Resultados.

Conclusiones.


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INTRODUCCINSe definen como sistemas electroqumicos forzadosa aquellos que requieren de la aplicacin externa deenerga elctrica para que se produzcantransformaciones qumicas internas. En estesentido no existe ni equilibrio elctrico comotampoco qumico.Todo proceso que deba desarrollarse a travs deceldas de electrlisis en que una corriente elctricaexterna I 0 es aplicada para producir cambios alos electrodos forman parte de estos sistemaselectroqumicos forzados. En el campo de laMetalurgia Extractiva se pueden mencionar tantolos procesos de recuperacin de metales a partir de

soluciones acuosas (Electroobtencin) comoaquellos de refinacin de metales(Electrorefinacin) o de recubrimiento metlico enla Galvanoplasta, formando parte de este ampliocampo de aplicacin de la Electrometalurgia a

procesos industriales.

La celda de electrlisis representa la unidadbsica industrial donde se desarrolla elproceso, los elementos activos lo conformanlos electrodos, denominndose nodo aqueldonde ocurre la reaccin de oxidacin (polaridad + ) y ctodo donde ocurre lareduccin ( polaridad ), su cantidad quedadeterminada por el tipo de proceso y su

capacidad de produccin. Debido a loanterior, al aplicar una diferencia depotencial entre los electrodos, los aniones(iones cargados negativamente) van hacia elnodo, donde pueden experimentaroxidacin y los cationes (iones cargadospositivamente) migran hacia el ctodo,donde pueden experimentar reduccin.Los electrodos de una misma polaridad engeneral estn conectadas en paralelo a un

mismo punto de tensin y las celdas en serieentre ellas.La asociacin de varias celdas se denominacomo seccin y las secciones pasan aagruparse en circuitos tambin llamadosgrupos. El conjunto se denomina CasaElectroltica o Nave Electroltica.


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Principales Variables en una Celda de

Electrlisis.

Las principales variables de operacin en una celda de electrlisisalimentada por un generador externo, son:

Variables de Electrodo:Material catdico y andico, Areasuperficial, Geometra.

Variables Inherentes a la Transportacin: Transferenciade carga elctrica, Concentracin superficial: adsorcin,desorcin, Tipo de transporte: conveccin, difusin,migracin.

Variables Inherentes a la Solucin: Concentracin de lasespecies electroactivas principales, Concentracin deimpurezas en el bao, pH de la solucin, Tipo de solventes,

Aditivos adicionados. Variables Elctricas:Potencial elctrico, Corriente

elctrica.

Variables Externas: Temperatura, Presin, Tiempo deelectrlisis.

En un proceso electroqumico estas variables son fundamentales

en el momento de disear y mantener e operacin ya que ellasinfluyen directamente en la cantidad y calidad del producto final.


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Una operacin electroltica industrial debe acompaarse por el control o conocimiento decuatro parmetros de control operacional que de alguna forma caracterizan el proceso, porejemplo: Produccin horaria. : M

Rendimiento o eficiencia de Corriente. : I Rendimiento metlico. : Rm Consumo especifico de energa. : W

Rendimiento energtico. : WLos parmetros My I tienen relacin con el proceso catdico de electrodepositacin de

cobre, y los parmetrosRm, Wy Wtienen relacin con le comportamiento del conjunto dela celda.En procesos de electrlisis industriales los datos de operacionales son: Corriente Impuesta (Amperes). : I

Tensin de celda (Voltios). : U bornes Tiempo (horas, da). : t

Masa depositada (toneladas, kg). : M

Volumen de solucin (m3) : V

Flujo de celda (m3/hr) : F

Concentracin de electrolito (gr/lt) : C Superficie de electrodo (m2). : Ae

Parmetros de Control de Procesos

Electrolticos.


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ESQUEMA TERICO DE LAELECTROOBTENCIN

Celda de electroobtencin convencional.

SO42-

Men+

O2 O2 Men+

H2O H+

Ctodo(-)

Anodo(+)

e-I

Pb Me

O

2


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Etapa limitante: Transferencia de cargaEcuacin de ButlerVolmer:

=

RT

)nF(1exp

RT

nFexpii 0

Donde:i0: Densidad de corriente de intercambion : Nmero de electrones transferidos por la reaccin: Parmetro cintico de la reaccin (0


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Curva de polarizacin de electroobtencinconvencional de zinc.

Curva de polarizacin de electroobtencincon la reaccin Fe2+/Fe3+como reaccin andica

Zn2++ 2e-Zn


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Cada de Tensin en una celda de electrlisisU

bornes

(Voltios)

De acuerdo al diagrama, se tiene que Ethes la diferencia de tensin termodinmica terica mnima aaplicar si los sistemas se consideran rpidos. En el esquema que se presenta no se consideran lostrminos resistivos. Por otro lado la diferencia en tensin real Ubornesa los bornes de los electrodoscorresponde a la suma de los trminos Eque refleja la inercia de las reacciones involucradas a loselectrodos y un trmino JR producto de trminos resistivos tanto en solucin como en el circuitoelctrico externo.

Rbornes

JEU +=

cathEE ++=

( ) sistemaR PrdidasRIJ +=

: tensin de celda, (Voltios).

: sobrepotencial andico, (Voltios)

: sobrepotencial catdico, (Voltios).

: cada de potencial del electrolito, (Voltios).

: perdidas en conexiones, barras etc., (Voltios).

bornesU

ac

RI

sistemaPerdidas


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Zn

Zn2+H+

H+

H2O1/2O2+ H++2e-

3,3 V

Pb Fe2+

H+

IrO2

Zn+2+ 2e-Zn0

Cambio de reaccin andica.

PrdidasIREV elZnOeqcelda ++++= 2

Fe2+Fe3++e-

sistemaPrdidasmemb.IRcat.IRan.IRc)/Fe(FethEbornesU 23 ++++++= ++

2,3 V


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Membranas de intercambio inico.


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PARTE EXPERIMENTAL

Fotografas, celda electroobtencin


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Circuito utilizado.

Esquema del circuito diseado para las experiencias de electroobtencincon EDR y electroobtencin convencional


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Anodo de IrO2para las pruebas deelectroobtencin.

nodo de plomo para las pruebas deelectroobtencin.

Ctodo de aluminio para las pruebasde obtencin.

Electrodos de referencia utilizados en lasexperiencias realizadas.


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Montaje.


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Voltametrias.

EW

ER

EA

ANODO

CAT

ODO

Zn2+

H+

Fe2+

Fe3+

H+

A

V

POTENCIOSTATO

COMPUTADOR

AGITACIN AGITACIN

EW

ER

EA

ANODO

CAT

ODO

Zn2+

H+

Fe2+

Fe3+

H+

A

V

EW

ER

EA

ANODO

CAT

ODO

Zn2+

H+

Fe2+

Fe3+

H+

A

V

POTENCIOSTATO

COMPUTADOR

AGITACIN AGITACIN


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nodo de plomo para las pruebasde voltametra.

nodo de IrO2para las pruebasde voltametra.

Ctodo de acero inoxidablepara las pruebas devoltametra.

Montaje pruebas de voltametra.


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ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS

1.- Superficie Andica.

Voltametra andica

Electroobtencin con nodo de plomo

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

0 500 1000 1500 2000 2500

E/ENH (mV)

i(A/cm

2)

E-O Convencional

E-O por EDR

Comparacin entre voltametra (lineal) andica de la electroobtencinconvencional y electroobtencin mediante EDR a 20C ambas connodo de plomo.


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Voltametra E-O Convencional con nodo de

IrO2

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

E (mV/ENH)

i(A/m2)

Voltametra lineal andica convencional con nodo de superficiede IrO2a 25C.


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Voltametria andica IrO2

-200

0

200

400

600

800

1,000

400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000

E (mV/ENH)

i(A/m

2)

Voltametra lineal andica de la reaccin Fe2+/Fe3+en E-O de zinc con nodode IrO2mediante electrodilisis a 25C.

500

1150 1580


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2.- Duracin del nodo

Fotografa Malla de Ti-IrO2 luego deltrmino de las pruebas.

Fotografa Malla de Ti-IrO2acercamiento a 20X.

3.- Duracin de la membrana.


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4.- Cintica.

i /v/s pot de celda, influencia de la agitacin.

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

1400.0

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

pot. celda, E (Volt/ENH)

i(A

/m2)

EDR Sin

Agitacin

EDR ConAgitacin.

Efecto de la agitacin, i v/s potencial en electroobtencin con EDR a 20C,[Fe2+] = 30 gr/lt. [Zn2+]=85 gr/lt. Conc. cida de 180 gr/lt.


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Consumo de Fe2+

v/s T iempo

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

0 50 100 150 200 250 300 350

Tiempo (min)

i(A/m

2)

Grfico consumo de Fe2+en el tiempo con Potencial de celda constante =2,8 V, a T=25C, [Zn2+]INICIAL = 85 gr/lt. [Fe

2+]INICIAL = 30 gr/lt. cido = 180gr/lt, con agitacin.

5.- Concentracin de reactivos.


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6.- Depsito catdico y eficiencia de corriente.

Depsito catdico de zinc a 1040 A/m2

(izquierda) y a 400 A/m2(derecha),

Burbujeo de H2en el ctodo.


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(Ranolito*I+Rcatolito*I+Rmembrana*I)ELECTRODILISIS


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8. Influencia de la temperatura:

Potencial de celda v/s temperatura

0.0

0.5

1.0

1.5

2.02.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0 10 20 30 40 50 60

Temperatura (C)

Ecelda(V

olt)

Grfico potencial de celda v/s tiempo a i constante = 780 A/m2,[Zn2+]INICIAL = 85 gr/lt. [Fe

2+]INICIAL = 30 gr/lt. cido = 180 gr/lt, conagitacin.


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Potencial de celda

Electrodilisis v/s Convencional

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1 2

Potencialde

celda(V)

38C, i=1041.7 A/m2

1 Electrodilisis

2 convensional

Grfico comparacin entre el potencial de celda con EDR y convencionalcon i cte,= 1041 A/m2,[Zn2+]INICIAL = 85 gr/lt. [Fe

2+]INICIAL = 30 gr/lt. cido= 180 gr/lt, con agitacin.

9. Influencia del potencial de celda.


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CONCLUSIONES

Segn la observacin y el anlisis de los resultados experimentales,

se puede concluir lo siguiente.

Celda de electrlisis de 3 electrodos.

Se obtuvo, con la reaccin andica de oxidacin de Fe2+a Fe3+, una disminucin deaproximadamente un 30% en el consumo energtico respecto de la reaccin andica convencional,

para obtener una misma cantidad de depsito catdico a iguales condiciones de concentracin de zincy temperatura, lo que significara para una empresa una tremenda disminucin del costo de

produccin.

El potencial de celda al usar como reaccin andica la oxidacin de Fe 2+ a Fe3+, tienecomo mximo aplicable un valor de aprox. 3 volt, que corresponde al potencial donde la reaccin dedescomposicin del agua pasa a ser mas abundante y no se justifica la aplicacin de electrodilisis bajoestas condiciones.

El plomo no es buen material andico para la electroobtencin de zinc enmedio cido usando la oxidacin del Fe2+ a Fe3+como reaccin andica.


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Se comprob, que la cintica de la reaccin de oxidacin del Fe2+ a Fe3+como reaccinandica es rpida, mostrando un aumento de la intensidad de corriente con un aumentodel potencial aplicado y una tendencia a un ilimitede aproximadamente 400 A/m

2.

La reaccin andica en electroobtencin convencional de zinc es poco sensible a laagitacin por lo que se deduce que el control del proceso es por transferencia de carga.

La electrodilisis de zinc en medio cido, usando como reaccin andica la oxidacin delFe2+a Fe3+, es muy sensible a la agitacin por lo que la cintica inicialmente est bajo uncontrol mixto y despus bajo un control por transferencia de masa (difusin).


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Celda de electrlisis de 2 electrodos.

Existe un ptimo en la concentracin de Fe2+ aproximadamente 30 gr/l, para elproceso estudiado.

La electroobtencin de zinc en medio cido mediante electrodilisis usando la

reaccin Fe2+/Fe3+como reaccin andica, tiene efectos positivos respecto delproceso convencional, en la disminucin de la energa aplicada, para valoressobre 0,06 gr/lt de Fe2+.

La eficiencia de corriente catdica, fue similar en la electroobtencinconvencional y en EDR usando la oxidacin de Fe2+a Fe3+como reaccinandica.


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El flujo de electrlito en este sistema debe ser suficiente como paramantener agitada la celda y no permitir que se formen gradientes deconcentracin en el anolito de Fe2+/Fe3+.

Los trminos resistivos de la electrodilisis de zinc con anolito deFe2+/Fe3+, en conjunto, son de menor magnitud que los trminos resistivosde la electroobtencin convencional de zinc.

Mediante el cambio de reaccin andica, de la convencional a la oxidacinde Fe2+a Fe3+, se elimina el problema de generacin de niebla cida.


33/33

Gracias...

Gracias

FIN

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