Electrometalurgia del ZINC

Presentación del tema: "Electrometalurgia del ZINC"— Transcripción de la presentación:

1 Electrometalurgia del ZINC

2 ZINC El zinc es uno de los principales metales no ferrosos utilizados en la industria moderna. Es el cuarto en metal términos de consumo, detrás de hierro, aluminio y cobre. El zinc se comercializa en diferentes calidades y formas: lingotes de diferentes grados, productos de extrusión, productos laminados, aleaciones de fundición, polvos y compuestos químicos (óxido de zinc).

3 El principal uso del zinc en todo el mundo es para la protección del hierro y el acero de la corrosión (47% del Zn producido). Además de la galvanización para la protección del acero, Otros usos del zinc en la industria del metal (19%), aleaciones a base de zinc (14%), zinc semi-acabados (8%), productos químicos (8%), polvo de zinc (1%) y otros. Los usos finales de zinc a nivel mundial son la construcción y la industria de la construcción (48%), transporte (23%), bienes de consumo duraderos, baterías y otros (10%), e industriales, así como maquinaria y equipos comerciales (10%).

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6 Esquema del electrobeneficio del Zn

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8 Parámetro Electrobeneficio
Ánodos Inertes: Aleaciones de Pb Cátodos Hoja iniciadora (Al) Zn (g/l) 40-50 H2SO4 (g/l) Aditivos Grenetina, Silicato de sodio y Carbonato de Estroncio Temperatura °C 40-45 Impurezas Pb y Cd Densidad de corriente (A/m2) Eficiencia (%) 90-97 Voltaje por celda (V) Energía consumida (Kw h/Ton Zn) 3,

9 Circuito Extracción por disolventes - Electrobeneficio

10 Condiciones de equilibrio electroquímico
en ausencia de campo eléctrico aplicado a la interfase 1.0 V + + - + - - + Ánodo Cátodo + - Ja= ia/A Jc= ic/A jneta = joxidación + jreducción = 0 La densidad de corriente hacia uno u otro lado se denomina densidad de corriente de intercambio (j0) j0  joxidación = - jreducción

11 Proceso de Tostación Las impurezas en el mineral de Zn pueden clasificarse en tres grupos principales: 1. Fe, Si, Al, Sb, Bi, Ge, Sn 2. Cu, Cd, Ni, Co 3. Pb, Ag,SiO2

12 Proceso de lixiviación y purificación
Precipitación del hierro Jarosita goeitítá y hematites Cementación a 90°C y pH 4, el primero en precipitar es el Co. Después se precipitan Cu, Ni, As y Sb. 2ª Cementación a pH 3 y a 70-80° Cd, Ta, Ge

13 Después del tratamiento de lixiviación y purificación, la concentración de iones Zn2+ varia entre 120 y 170 g/dm3

14 Electrolisis La solución se distribuye desde tanques, hacia a las cubas de electrólisis, que son rectangulares, recubiertas de hormigón con forro de plomo o PVC. Las cubas están asociadas en grupos en serie, y por ellas circula el electrólito continuamente.

15 El numero de ánodos va desde 17 a 44 y mientras que los cátodos van desde 18 a 45, se debe cumplir que haya mas cátodos que ánodos. Los ánodos están separados 76 mm. Los cátodos son usualmente placas de Al de 4 a 8 mm de espesor ,y el ancho y largo dependen del proceso, mientras los ánodos son de Pb o Pb-Ag de 5 a10mm, los cuales tiene una dimensión de e igual el area depende del proceso.

16 Durante la electrolisis de la solución de ZnSO4
Reacciones Catódicas Evolución de oxigeno en el ánodo insoluble

17 Condiciones típicas para el electrobeneficio de Zn

18 Parámetros relevantes utilizados en el electrobeneficio del Zn
Según estos datos, la diferencia principal entre las celdas del elecrobeneficio conteniendo aleaciones de Pb convencional y ánodos no convencionales de DSA es la densidad de corriente.

19 Para el electrobeneficio de 1t de Zn se usa aproximadamente: 2
Para el electrobeneficio de 1t de Zn se usa aproximadamente: 2.5 t de el concentrado, 4 kg MnO2 ,16 kg de polvos de Zn y son consumidos 62 kg de acido sulfúrico

20 La densidad de corriente usada viene determinada por la magnitud del ciclo de retirada catódica. Con 48 horas, las densidades son de A m-2. La tensión por cuba es de 3,3-3,5 V y el rendimiento de corriente del 90-95%, con un consumo total de energía de kwh por Kg de cátodo de cinc.

21 Efecto de las impurezas en los electrolitos y depósitos de zinc
Efecto general Efecto sobre el rendimiento de la corriente Efecto sobre el deposito catódico Remedio Sb Muy nocivo Disminuye Esponjoso, oscuro Mejorar la depuración, disminuir T y acortar el tiempo de deposito As ------ Estriaciones perdida de brillo Depuración Co Muy nocivo y difícil de eliminar Redisolución El Co rebaja la proporción de Pb en el deposito Ge Perjudicial si hay Co Medios de corrección especiales Ni Cu No influye Cd Lo contamina La concentración debe de ser <50 mg/l

22 Pb Se deposita No influye ------
Fe Disminuye Mn No perjudica Se deposita como oxido Depuración Cloruros, Floruros Aumenta la corrosión de los ánodos Pica y corroe la chapa catódica Reducir la concentración por precipitación. Eliminar el flúor durante la tostación Nitratos Eleva la proporción de Pb Na,K,Ca Mg ,Al

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24 Fundición Los cátodos de zinc se funden en un horno de inducción a baja frecuencia, normalmente se producen barras de 25 Kg y se arman paquetes de 1000 Kg, también se preparan embarques con formas especiales y con composiciones especiales. De esta planta se produce una escoria que son los restos de óxido de zinc y cloruro de zinc y que se recirculan al horno de tostación. En esta sección de la planta normalmente se encuentra la planta que produce el polvo de zinc necesario para la purificación.

25 Efecto de las impurezas
Virtualmente toda la impureza y los aleantes alteran la microestructura y afecta una o más propiedades.

26 Generalmente son metales de alta densidad y bajo punto de fusión; prácticamente no forman solución sólida con el zinc, sin embargo, dan lugar a eutécticos de muy bajo punto de fusión. El plomo, el estaño y particularmente el cadmio, por encima de Los porcentajes especificados provocan también fragilidad en caliente sobre la pieza fundida. El hierro, es un elemento indeseado, sin embargo, para pequeños porcentajes (de hasta 0.1%) tiene poca influencia en las propiedades mecánicas y en las características del envejecimiento.

27 Plomo. Tiene poca influencia en las propiedades mecánicas del Zn pero su bajo punto de fusión limita la temperatura de trabajado en caliente. Presente en cantidades controladas junto con cantidades adecuadas de Cd se obtiene una deseable influencia sobre las reacciones químicas de la corrosión. Cadmio. En el Zn laminado el Cd incrementa la resistencia, dureza y resistencia a la fluencia y aumenta la temperatura de recristalización.  Hierro. Cuando está en cantidades que exceden de 0.001% el Fe aparece como compuestos intermetálicos. Cuando el Fe está presente en exceso de %, causa la formación de películas de indeseables productos de corrosión de alta resistividad eléctrica sobre los ánodos de Zn. En cantidades por encima de % Fe generalmente estimula la disolución de Zn por ácidos minerales no oxidantes.

28 Cobre. Aumenta la resistencia, dureza, resistencia a la fluencia y una mayor temperatura de recristalización. El Cu tiene efectos indeseables en la corrosión del Zn en las pilas secas pero no tiene efecto en la velocidad de corrosión del Zn en la atmósfera. Aluminio. Mejora el desempeño de los ánodos de Zn en agua de mar. La presencia de más de 0.005% Al en laminados de Zn causa una lenta fragilización. Estaño. Contenidos tan bajos como 0.001% puede producir en los bordes de granos fases eutécticas que funde a 200oC y que en la laminación en caliente puede producir ruptura intergranular. Titanio. Forma un eutéctico alrededor de 0.11%Ti. Tiende a decrecer el tamaño de grano del Zn colado y restringir el crecimiento de grano en el Zn laminado a altas temperaturas. El Ti tiene poco efecto en la resistencia a la tracción y en la dureza del Zn laminado.

29 Control de Efluentes Durante la lixiviación, purificación y electrobeneficio del zinc primario se generan aguas residuales ,electrolito ácido y las soluciones que están demasiado contaminadas para ser reutilizados de nuevo así como purgas de acido sulfúrico. Esta agua residual necesita ser tratada antes de su vertido.

30 La mayor parte de agua residual va a la planta de tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales son parcialmente reciclado en el proceso. Se generan en la planta desechos peligrosos, que puede incluir los productos químicos ,disolventes , líquidos de transformadores eléctricos y condensadores. Estos residuos son almacenados.

31 Las operaciones de electrobeneficio generaran residuos de procesamiento de minerales como goethita y desechos sólidos de lixiviación y residuos para la venta. Goethita gastado y los residuos de lixiviación son totalmente reciclado y clasificado como un subproducto. Debido al hecho de estos residuos son reciclados, no se consideran residuos sólidos.

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34 Usos y demanda del Zinc

35 Países productores La producción mundial de zinc en el 2008 es de 11,6 millones de toneladas de zinc, casi el triple en 1962 y dos veces en 1995. El aumento de la producción mundial de zinc desde el año 2002 es de 26%. China es el mayor productor mundial de zinc con más de una cuarta parte de la producción mundial de zinc y el principal consumidor con casi un tercio de la producción mundial

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37 Cotizaciones internacionales

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40 Principales estados productores

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43 Parámetro Electrobeneficio
Ánodos Inertes: Aleaciones de Pb Cátodos Hoja iniciadora (Al) Zn (g/l) 40-50 H2SO4 (g/l) Aditivos Grenetina, Silicato de sodio y Carbonato de Estroncio Temperatura °C 40-45 Impurezas Pb y Cd Densidad de corriente (A/m2) Eficiencia (%) 90-97 Voltaje por celda (V) Energía consumida (Kw h/Ton Zn) 3,

44 Circuito Extracción por disolventes - Electrobeneficio

45 Condiciones de equilibrio electroquímico
en ausencia de campo eléctrico aplicado a la interfase 1.0 V + + - + - - + Ánodo Cátodo + - Ja= ia/A Jc= ic/A jneta = joxidación + jreducción = 0 La densidad de corriente hacia uno u otro lado se denomina densidad de corriente de intercambio (j0) j0  joxidación = - jreducción

46 Rendimiento energético
Este parámetro se expresa normalmente como la potencia (W) necesaria para producir 1 kg de producto, y sus unidades son Kwh/kg. El afino del cobre tiene un rendimiento de energía aproximado de 0,2 Kwh/kg, mientras que en el afino del aluminio es de 20 Kwh/kg, es decir, se utiliza menos energía en el afino de 1 kg de cobre que en la misma masa de aluminio. El rendimiento energético puede evaluarse por medio de la siguiente ecuación:

47 Factores que afectan el rendimiento de corriente
Condiciones de operación. Pérdidas de corriente por fugas eléctricas y la conversión en calor de parte de la corriente eléctrica . Recombinación entre los productos de las reacciones en los electrodos, a menos que éstos estén bien separados. Reacciones de electrodo no deseadas; por ejemplo, el desprendimiento de hidrógeno o reacciones redox del tipo Fe2+/Fe3+. El producto en el electrodo puede reaccionar con el medio, por ejemplo, el sodio metal en aire húmedo, o experimentar reacciones físicas o químicas con los electrodos o el electrolito, por ejemplo, la redisolución del depósito catódico.

48 Una de las aplicaciones de la ecuación es estudiar la relación recíproca entre el rendimiento energético y el de corriente. Si se pudiera mantener constante el voltaje aplicado y aumentar el rendimiento de corriente, el rendimiento energético, medido como un porcentaje, aumentaría, es decir, se utilizaría más corriente de forma útil al disminuir la potencia total (corriente x voltaje) necesitada. Si se mantuviera constante el rendimiento de corriente, pero se variara el voltaje aplicado, la situación se complica bastante. Si aumenta el voltaje, se aumenta la potencia aplicada, pero la parte del voltaje aplicado que realiza un trabajo útil, no varía en la misma proporción

49 La potencia aplicada puede reducirse reduciendo el voltaje aplicado, pero hay un voltaje mínimo por debajo del cual la electrólisis no progresa con suficiente velocidad. Por tanto, en la práctica las condiciones óptimas se alcanzan equilibrando los rendimientos de corriente y de energía. Aunque el afino del aluminio se hace con un rendimiento energético relativamente bajo, no hay otra alternativa de baja energía. La energía no sólo se consume en la electrólisis, sino también para generar el calor necesario para mantener fundido el electrolito. La única forma de mejorar el rendimiento energético, en este caso, es utilizar una instalación industrial tan grande como sea posible. La variable más importante en electrólisis es, sin embargo, la intensidad de corriente suministrada, puesto que ésta determina la producción de la celda, como aparece en la primera ley de Faraday

50 Densidad de corriente Este parámetro representa la corriente por unidad de área de electrodo y sus unidades son A/m2, pero a menudo se expresa como A/cm2. Por ejemplo, en el afino del cobre la densidad de corriente es 220 A/m2 y para el afino del aluminio se necesitan A/m2. Normalmente, el área geométrica medible del electrodo es satisfactoria para determinar la densidad de corriente, pero en algunos procesos de recubrimiento electroquímico una superficie basta o rugosa reduce la densidad de corriente esperada. Se pueden considerar densidades de corriente tanto anódica como catódica que no tienen por qué ser iguales.

51 Voltaje teórico de la celda
El voltaje, Ecelda, es el voltaje mínimo teórico necesario para electrolizar un electrolito dado. En principio, tan pronto como se alcanza este voltaje entre un ánodo y un cátodo tiene lugar la electrólisis, es decir, la descarga de los iones. Dentro de este campo es necesario distinguir entre electrólitos acuosos y electrólitos formados por sales fundidas. En la electrólisis acuosa, el voltaje teórico de la celda depende dé los potenciales de electrodo reversibles de cada electrodo. Se utilizan la ecuación de Nerst y la serie electroquímica para calcular Ecelda. El ejemplo más simple de un electrolito acuoso que es el agua acidulada. A pH 7, Er,H2 = V y Er,O2 = V. Por tanto: Ecelda = Ec - Ea = - (0.413) - (0,817) = V

52 CÁLCULO DEL CONSUMO DE ENERGÍA (Kw-h/ton)
Cálculo de peso teórico del Cu: Para el cálculo del peso del Cu teórico, aplicando la ley de Faraday : Donde: F = constante de Faraday 96500 M = peso atómico del metal (g) n = valencia del metal

53 Cálculo de la eficiencia de corriente
Cálculo del consumo de Kw-h/ton de Cu: Calcular el voltaje promedio de cada celda Cálculo del consumo de Energía (Kw-h/ton)

54 Eficiencia de corriente (%)
EJEMPLO: En el Electrobeneficio de Zn el Voltaje de celda y la Eficiencia de corriente varían con la densidad de corriente como lo muestra en la tabla 1. Si el proceso se lleva a cabo sobre cátodos con dimensiones de 1 m de ancho x y 1 metro de alto. a).- Calcular el consumo de energía eléctrica en Kwh/Kg de Zn para las 4 densidades de corriente b).- En un contexto de Inversión de capital, indica cuál densidad de corriente elegirías para obtener el menor costo de un Electrodepósito. Solución 1 Utilizando el CDC del Zn la Capacidad de Drenaje de Corriente del Zn implica la cantidad de corriente que nos ofrece el Zn cuando este se descompone de Zn/Zn2+. Por lo tanto el CDC teórico debe trabajar a un 100 % de Eficiencia. Utilizando las leyes de Faraday el CDC del Zn es de A-h/Kg de Zn consumido. Densidad de Corriente (A/cm2) Potencial E (V) Eficiencia de corriente (%) 0.01 2.5 80 0.02 2.7 90 0.05 3.0 94 0.10 3.5 96

55 Potencial V Eficiencia %
El valor anterior implica una Eficiencia del 100 %, sin embargo, la variación de voltaje de cada prueba, aumenta o disminuye la Eficiencia, por la tanto para el primer sistema: Lo mismo para cada valor de potencial y eficiencia, al final queda de la tabla 2: Potencial V Eficiencia % Consumo Kw-h/Kg de Zn 2.5 80 2.57 2.7 90 2.46 3.0 94 2.63 3.5 96 3.007

56 Bibliografía Konstantin I. Popov and Branimir N. Grgur “FUNDAMENTAL ASPECTS OF ELECTROMETALLURGY” Nestor Perez , “ELECTROCHEMISTRY ANDCORROSION SCIENCE” Ballester Antonio. Metalurgia Extractiva Vol 1. ED. Síntesis. España.2006 Ballester Antonio. Metalurgia Extractiva Vol 2. ED. Síntesis. España.2006

57 Bibliografía Konstantin I. Popov and Branimir N. Grgur “FUNDAMENTAL ASPECTS OF ELECTROMETALLURGY” Nestor Perez , “ELECTROCHEMISTRY ANDCORROSION SCIENCE” Ballester Antonio. Metalurgia Extractiva Vol 1. ED. Síntesis. España.2006 Ballester Antonio. Metalurgia Extractiva Vol 2. ED. Síntesis. España.2006

58 Mantell, C. L., Ingenieria electroquimica : Informacion exhaustiva de la teoria y practica de los procesos electroquimicos industriales, de sus aplicaciones y productos. Ed. Reverte, Barcelona, 1962.

59 GRACIAS POR SU ATENCION
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