Uso de curvas de polarización para el arreglo de una celda de electrobeneficio de Cu.

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1 Uso de curvas de polarización para el arreglo de una celda de electrobeneficio de Cu.. Ana KarenArias Alcántara, Tania LilianaRosas Flores y Carlos R. Arganis Juárez,. Facultad de Química, Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad Nacional Autónoma de México, Edificio D, circuito institutos, c.p , México, D.F.anakarenarias@gmail.com. RESUMEN Con el alcance de obtener una configuración de una celda de electrobeneficio de Cobre, se realizaron curvas anódicas y catódicas y se obtuvo el comportamiento electroquímico del ánodo de Plomo y el cátodo de acero inoxidable 304 para una solución 1 M de CuSO 4. Se realizó la prueba experimental con placas de área de 82 cm 2, en una configuración en paralelo, y la eficiencia catódica fue cercana al 100%. ABSTRAC. With the scope of obtain a configuration of a electrowinning of copper cell, were carried out cathodic and anodic curves and the electrochemical behavior of the anode of lead and the cathode of 304 stainless steel were obtained for a 1 M CuSO 4 solution. The experimental test were carried out with plates of area of 82 cm 2, with the parallel configuration, and the cathodic efficiency was near 100%. Palabras clave: Electrobeneficio, cobre, plomo, celda, arreglo, curva, polarización, cinética, electroquímica, eficiencia catódica. Introducción. El proceso de Electrobeneficio del cobre, consiste en el depósito de cobre sobre un cátodo que puede ser de cobre o de acero, que es colocado en un baño de un electrolito de cobre, que es obtenido del proceso de lixiviación y extracción por solventes. Mediante este proceso se obtiene el 20% de la producción total de Cobre. [1] Las reacciones que ocurren en los electrodos son: ISSN: Saltillo, Coah. México 574

2 En el ánodo: En el cátodo: El cobre obtenido durante este proceso es de más baja pureza, en comparación con el obtenido por Electrorefinación, sin embargo, este metal puede ser apropiado para usos en que no intervenga la electricidad. Las ecuaciones de cinética electroquímica, son sumamente importantes por que permiten predecir la velocidad a la que ocurren las reacciones. En términos generales se tiene la ecuación de ButtlerVolmer que controla el transporte de carga, la ecuación de difusión de Nerst que controla la transferencia de masa, y en algunos casos en los ánodos, se presenta una resistencia eléctrica debido a la formación de una capa pasiva. La relación entre la polarización o sobre potencial en función de la densidad de corriente se puede expresar como : Ƞ total = Ƞ activación + Ƞ difusión + Ƞ resistencia (1) Ƞ =.(2) Donde Ƞ total es la polarización o sobrepotencial total, i es la densidad de corriente, R la constante de los gases, T la temperatura, α la fracción, z el número de electrones intercambiados, F es la constante de Faraday, es la densidad de corriente de intercambio, es la densidad de corriente límite de difusión, es la resistencia óhmica de la solución y la resistencia óhmica de la capa pasiva.[2] Las curvas de polarización individuales, pueden conjuntarse para obtener el comportamiento electroquímico de la celda, y la diferencia entre los sobrepotenciales anódicos y catódicos, es el voltaje de celda. El objetivo del presente trabajo es utilizar las curvas de cinética electroquímica de los ánodos de Plomo y cátodos de acero inoxidable, para proponer un arreglo de una celda de electrobeneficio de Cobre. ISSN: Saltillo, Coah. México 575

3 Trabajo Experimental Utilizando una celda de tres electrodos de tipo ventana, se realizaron las curvas cinéticas de un ánodo de Plomo y de un cátodo de acero inoxidable 304 con una solución 1M de CuSO4. Se utilizó un potenciostato y un generador de Barrido VIMAR. La velocidad de barrido utilizada en las curvas electroquímicas fue de 10 mv/s. La figura 1 muestra las curvas obtenidas. De estás curvas se seleccionó la densidad de corriente deseada, en este caso 5 ma/cm 2 El voltaje de celda se cálculo mediante el uso de la figura 1, a la densidad de corriente deseada. En este caso. Vcelda=ƞ anodico ƞ catódico = 2.1-(-0.4) = 2.5 V (3) Figura1. Curvas cinéticas del ánodo de Pb y Cátodo de acero inoxidable para una solución 1M de CuSO4 Se seleccionó un arreglo en paralelo, como el mostrado en la figura 2, y se utilizó un potenciostato-celda de poder VIMAR P2EV para aplicar la corriente adecuada a partir del cálculo de densidad de corriente. Se utilizaron 2 cátodos de acero inoxidable y 3 ánodos de Pb. El cálculo de la corriente total se realizó calculando el área total de cátodos y multiplicándola por la densidad de corriente fijada de 5 ma/cm 2 (50 A/m 2 ) ISSN: Saltillo, Coah. México 576

4 Figura2.Fotografía de la celda. celda = rea_ (4) celda = =819 = 0.8 A Se pesaron los cátodos antes y después del depósito, con el fin de obtener el peso real depositado y obtener la eficiencia catódica de la celda, mediante la fórmula. El tiempo de depósito fue de 15 minutos.(4) Resultados. A continuación se presentan los cálculos realizados para obtener el peso teórico de gramos de cobre depositados. =15 ((60 )/(1 ))=900..(5) La carga Q se calcula con la corriente de celda por el tiempo. = celda = =720 Coulombs (6) Y el peso teórico depositado, se calcula mediante las leyes de Faraday, dónde PM es el peso molecular del Cobre. ISSN: Saltillo, Coah. México 577

5 =( )/(z )= ((720 ) (63.5 ( )))/((2 ) (96500 ) )= (7) La tabla 1 muestra los resultados obtenidos en la eficiencia catódica y ganancia de peso. Tabla 1. Resultados obtenidos de peso y eficiencia catódica Las figuras 3, muestran los cátodos antes y después del depósito. Figura 3. Fotografía de los cátodos a) Antes del depósito b) Después del depósito. Los KWh por tonelada de cobre para esta celda se obtuvieron usando la fórmula propuesta por Biswas et al. (3)...(8) Dónde V celda es el voltaje de celda o la caída óhmica de la celda y ε catódica la eficiencia catódica, y KW KiloWatts, h= hora y ton= tonelada. Esto nos arroja que para esta celda, se requirieren 2100 KWhton -1 ISSN: Saltillo, Coah. México 578

6 Discusión. En la figura 1, es posible observar las diferentes zonas de las curvas anódicas y catódicas. En la curva catódica, se observa una zona de transferencia de carga que seguiría a la ecuación Ƞ catodico =, y apenas se nota una segunda zona, correspondiente al control por difusión y a la ecuación de difusión de Nerst Ƞ catodico =. Por su parte la curva anódica del plomo, presenta una zona de transferencia de carga que sigue la ecuaciónƞ anódico =, corresondiente a la disolución del Pb, seguida de la formación de la capa pasiva que está controlada por la ecuaciónƞ anódico. Posteriormente al llegar al potencial de desprendimiento de oxígeno, se vuelve a tener un control por transferencia de carga de esta reacción. La obtención de una eficiencia catódica mayor al 100% se puede explicar por que se utilizó una fuente de poder con indicador analógico, y por lo tanto la determinación de la corriente no es tan exacta, además que hubo que realizar ajustes manuales cuando la corriente cambiaba durante el depósito. (Ver figura 4). Figura 4. Indicador analógico de la fuente poder analógica, indicando los 0.8 A. Escala total 5 A. El valor de 2100 KWhton-1, es un valor que se encuentra entre el intervalo reportado por Biswas y Davenport de 2000 a KWhton-1, para celdas de electrobeneficio de Cobre. ISSN: Saltillo, Coah. México 579

7 Conclusiones Fue posible identificar los diferentes tipos de control en las curvas cinéticas anódicas y catódicas. A partir de las curvas anódicas y catódicas, fue posible obtener una densidad de corriente que permitió el cálculo de un arreglo en paralelo de una celda de electrobeneficio de Cobre. La eficiencia catódica obtenida fue cercana al 100%, con cierto error por el uso de un indicador analógico Agradecimientos. Se agradece al departamento de ingeniería Metalúrgica de la facultad de química de la UNAM por el apoyo obtenido para participar en este Congreso así como al laboratorio de corrosión por el uso del equipo. Referencias Kenneth R Trethewey, John Chamberlain, Corrosion for science and engineering, Second edition, Longman Biswas A.K y Davenport W. G. El Cobre metalurgia estractiva,1ª edición, editorial Limusa México D.F. México ISSN: Saltillo, Coah. México 580

8 Uso de curvas de polarización para el arreglo de una celda de Electrorefinación de Cu.. Tania Liliana Rosas Flores, Ana Karen Arias Alcántara y Carlos R. Arganis Juárez. Facultad de Química, Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad Nacional Autónoma de México, Edificio D, circuito institutos, cp , México, D.F. liliana.rosasflores@gmail.com. RESUMEN Con el alcance de obtener una configuración de una celda de Electrorefinación de Cobre, se realizaron curvas anódicas y catódicas y se obtuvo el comportamiento electroquímico del ánodo de Cobre Blíster y el cátodo de acero inoxidable 304 para una solución 1 M. de CuSO 4. Se realizó la prueba experimental con placas de área de 82 cm 2, en una configuración en paralelo, y la eficiencia catódica fue cercana de 96.4%. ABSTRAC. With the scope of obtain a configuration of a electrorefining of copper cell, there were carried out cathodic and anodic curves and the electrochemical behavior of the anode of copper blister and the cathode of 304 stainless steel were obtained for a 1 M CuSO 4 solution. The experimental test were carried out with plates of area of 82 cm 2, with the parallel configuration, and the cathodic efficiency was 96.4%. Palabras Clave: Electrorefinación, diseño de celda, cobre, acero inoxidable, cobre blíster, curvas de polarización, eficiencia catódica. ISSN: Saltillo, Coah. México 581

9 Introducción. El proceso de Electrorefinación del cobre, consiste en la refinación electrolítica de cobre blíster impuro obtenido por procesos pirometalúrgicos, mediante la disolución y depósito de cobre sobre un cátodo que puede ser de cobre o de acero, en un baño con electrolito de cobre. [1] Las reacciones que ocurren en los electrodos son: En el ánodo: En el cátodo: El cobre obtenido durante este proceso es de 99.99% de pureza [1] Las ecuaciones de cinética electroquímica, son sumamente importantes por que permiten predecir la velocidad a la que ocurren las reacciones. En términos generales se tiene la ecuación de Buttler Volmer que controla el transporte de carga, la ecuación de difusión de Nerst que controla la transferencia de masa, y en algunos casos en los ánodos, se presenta una resistencia eléctrica debido a la formación de una capa pasiva. La relación entre la polarización o sobre potencial en función de la densidad de corriente se puede expresar como: Ƞ total = Ƞ activación + Ƞ difusión + Ƞ resistencia (1) =.(2) Donde Ƞ total es la polarización o sobrepotencial total, i es la densidad de corriente, R la constante de los gases, T la temperatura, α la fracción, z el número de electrones intercambiados, F es la constante de Faraday, es la densidad de corriente de intercambio, es la densidad de corriente límite de difusión, es la resistencia óhmica de la solución y la resistencia óhmica de la capa pasiva.[2] Las curvas de polarización individuales, pueden conjuntarse para obtener el comportamiento electroquímico de la celda, y la diferencia entre los sobrepotenciales anódicos y catódicos, es el voltaje de celda. ISSN: Saltillo, Coah. México 582

10 El objetivo del presente trabajo es utilizar las curvas de cinética electroquímica de los ánodos de cobre blíster y cátodos de acero inoxidable, para proponer un arreglo de una celda de Electrorefinación de Cobre. Trabajo Experimental Utilizando una celda de tres electrodos de tipo ventana, se realizaron las curvas cinéticas de un ánodo de cobre blíster y de un cátodo de acero inoxidable 304 con una solución 1M de CuSO4. Se utilizó un potenciostato y un generador de Barrido VIMAR. La velocidad de barrido utilizada en las curvas electroquímicas fue de 10 mv/s. La figura 1 muestra las curvas obtenidas. De estás curvas se seleccionó la densidad de corriente deseada, en este caso 6.3 ma/cm 2 El voltaje de celda se calculó mediante el uso de la figura 1, a la densidad de corriente deseada. En este caso. Vcelda=ƞ anodico ƞ catódico = 0.68-(-0.56) = 1.24 V (3) Figura1. Curvas cinéticas del ánodo de Pb y Cátodo de acero inoxidable 304 para una solución 1M de CuSO4 ISSN: Saltillo, Coah. México 583

11 Se seleccionó un arreglo en paralelo, como el mostrado en la figura 2, y se utilizó un potenciostato-celda de poder VIMAR P2EV para aplicar la corriente adecuada a partir del cálculo de densidad de corriente. Se utilizaron 3 cátodos de acero inoxidable y 4 ánodos de cobre blíster. El cálculo de la corriente total se realizó calculando el área total de cátodos y multiplicándola por la densidad de corriente fijada de 6.3 ma/cm 2 (63 A/m 2 ) Figura2. Fotografía de la celda. = _ (4) = =1547 Se pesaron los cátodos antes y después del depósito, con el fin de obtener el peso real depositado y obtener la eficiencia catódica de la celda, mediante la fórmula. El tiempo de depósito fue de 20 minutos.(5) ISSN: Saltillo, Coah. México 584

12 Resultados. A continuación se presentan los cálculos realizados para obtener el peso teórico de gramos de cobre depositados. =20 ((60 )/(1 ))=1200..(6) La carga Q se calcula con la corriente de celda por el tiempo. = = = 1800 Coulombs (7) Y el peso teórico depositado, se calcula mediante las leyes de Faraday, dónde PM es el peso molecular del Cobre. =( )/( )= ((1800 ) (63.5 ( )))/((2 ) (96500 ) )=0.592 (8) La tabla 1 muestra los resultados obtenidos en la eficiencia catódica y ganancia de peso. Tabla 1. Resultados obtenidos de peso y eficiencia catódica Las figuras 3, muestran los cátodos antes y después del depósito. Figura 3. Fotografía de los cátodos a) Antes del depósito b) Después del depósito. Los KWh por tonelada de cobre para esta celda se obtuvieron usando la fórmula propuesta por Biswas et al. (3)...(9) ISSN: Saltillo, Coah. México 585

13 Donde Vcelda es el voltaje de celda o la caída óhmica de la celda y εcatódica la eficiencia catódica, y KW KiloWatts, h= hora y ton= tonelada. Esto nos arroja que para esta celda, se requirieren 1,078 KWhton-1 Discusión. En la figura 1, es posible observar las diferentes zonas de las curvas anódicas y catódicas. En la curva catódica, se observa una zona de transferencia de carga que seguiría a la ecuación Ƞcatodico=, y apenas se nota una segunda zona, correspondiente al control por difusión y a la ecuación de difusión de Nerst Ƞcatodico=. Por su parte la curva anódica del plomo, presenta una zona de transferencia de carga que sigue la ecuación Ƞanódico=, corresondiente a la disolución del cobre. La obtención de una eficiencia catódica del 96.4% es un buen parámetro, ya que Biswas y Davenport reportan eficiencias para este proceso del orden de 95% Como en este caso se utilizó una fuente de poder con indicador analógico, la determinación de la corriente no es tan exacta, además que hubo que realizar ajustes manuales cuando la corriente cambiaba durante el depósito. (Ver figura 3). ISSN: Saltillo, Coah. México 586

14 Figura 3. Indicador analógico de la fuente poder analógica, indicando los 0.8 A. Escala total 5 A. El valor de 1,078 KWhton-1, es un valor que se encuentra por arriba del intervalo reportado por Biswas y Davenport[3] de 300 KWhton-1, para celdas de Electrorefinación de Cobre, con densidades de corriente de 190 a 260 A/cm 2. y voltajes de celda de 0.24 volts. En este caso se utilizó una densidad de corriente menor 65 A/cm 2, pero con un voltaje de celda de 1.24 V. Posiblemente el uso de una solución 1 M de CuSO 4 sin la presencia de ácido sulfúrico no sea el mejor electrolito para este proceso. Conclusiones Fue posible identificar los diferentes tipos de control en las curvas cinéticas anódicas y catódicas. A partir de las curvas anódicas y catódicas, fue posible obtener una densidad de corriente que permitió el cálculo de un arreglo en paralelo de una celda de Electrorefinación de Cobre. La eficiencia catódica obtenida fue del 96.4, similar a la reportada en la literatura, aunque con un leve error por el uso de un indicador analógico. El consumo de mayor potencia eléctrica que la reportada en la literatura puede ser a que ISSN: Saltillo, Coah. México 587

15 la solución no es la más adecuada para simular este proceso. Agradecimientos. Se agradece al departamento de ingeniería Metalúrgica de la facultad de química de la UNAM por el apoyo obtenido para participar en este Congreso así como al laboratorio de corrosión por el uso del equipo. Referencias Kenneth R Trethewey, John Chamberlain, Corrosion for science and engineering, Second edition, Longman Biswas A.K y Davenport W. G. El Cobre metalurgia estractiva,1ª edición, editorial Limusa México D.F. México ISSN: Saltillo, Coah. México 588