Electrometalurgia 2009
Dimet
GUIA DE EJERCICIOS ELECTROMETALURGIA 2009 “TERMODINÁMICA Y CINÉTICA ELECTROQUÍMICA, EW y ER de Cu”
Problema 1
a) Defina y explique cuando corresponda como medir: Potencial redox, Potencial de Electrodo y Potencial de Nernst. b) Pueden coincidir estos potenciales? En caso afirmativo, fundamente bajo que condiciones.
Problema 2
Determine a través de un diagrama de Pourbaix (sólo esquemático) si es posible tener en condiciones ambientales Au y Ag en estado nativo.(Condiciones ambientales) Fuente de datos: Atlas de Equilibrios Electroquímicos de M. Pourbaix, Software HSC) ( Fuente
Problema 3
Dado el diagrama de E h-Ph, Cu-H2O, determine: a) Bajo que condiciones es posible precipitar electroliticamente Cu. Considere minerales con contenidos de CuO y Cu 2O. +
b) Para un electrolito fuertemente ácido, explique la ausencia de Cu , si para el + 0 equilibrio Cu/Cu E = 0.52 V.
R.Constanzo R.
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Problema 4
a) ¿Porqué se corroe el acero sumergido en agua de mar?. Fundamente termodinámicamente y con curvas cinéticas el proceso. De que factores depende la velocidad con que se desarrolla dicho proceso. b) Explique porque los barcos sufren de corrosión en la línea de flotación.
Problema 5 3
Se utiliza un reactor bath de 4 m para recuperar cobre desde una solución con las siguientes características: 2+
2+
3+
Cu : 45 gpl , Fe : 4 gpl , Fe : 6 gpl, H2SO4: 180 gpl 2
2
La corriente de trabajo aplicada es de 180 A/m , y el área catódica es de 10m . 2+
3+
Calcule la concentración de Cu en el electrolito y la cantidad de Fe reducida, después de operar 72 horas con un 77% de eficiencia.
Problema 6
En una etapa de EW de Cu, desarrollada en celdas con cátodos permanentes de acero 2+ inoxidable 316L y ánodos Pb-Ca-Sn. El electrolito acuoso se compone de Cu 45 gpl, H2SO4 180 gpl, temperatura 45 ºC. La celda opera con recirculación y distribución de electrolito mediante manifold. a) Analice desde el punto de vista termodinámico la factibilidad del proceso EW, defina reacciones, y calcule la barrera energética necesaria para el proceso. b) Analice el efecto de las impurezas desde el punto de vista termodinámico. Cloro (ión, gas), ión férrico, ión ferroso, iones cinc e iones Mn. c) Si se interrumpe el suministro eléctrico, con los electrodos insertos en la celda, analice el efecto de: Oxigeno disuelto, ión férrico, ión ferroso, ión cloro.
Problema 7
Una disolución de CuSO 4 0.01M. Se le añade polvo de hierro en exceso. a) Calcular el potencial de la disolución cuando alcance el equilibrio. 2+ b) Calcular la concentración de Cu al equilibrio.
R.Constanzo R.
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Problema 8
En un experimento de electrolisis, se aplicó una corriente constante de 0.9 A para depositar Cu en el cátodo y producir oxigeno en el ánodo. Calcule la cantidad de gramos de Cu depositado y oxigeno producido luego de 15 minutos. Problema 9 2+
2+
+
2+
2+
En un electrólito ácido de electroobtención hay iones de Fe , Cu , Ag , Ni y Zn . Si los potenciales standard de electrodo para las reacciones metal / ión correspondientes 2+ 3+ son -0.44, 0.34, 0.80, -0.25 y -0.76 V respectivamente y, para Fe / Fe es de 0.77V a) Utilizando curvas cinéticas determine cuáles iones pueden codepositar a un potencial catódico de - 0.3 V. b) ¿Cuáles iones pueden oxidarse a un potencial anódico de 0.75 V ?. Problema 10
Derive una expresión para calcular la separación ánodo-cátodo en EO de cobre conociendo: la tensión de celda, la diferencia entre los potenciales de equilibrio de las reacciones anódica y catódica principales, los sobrepotenciales anódico y catódico de las mismas reacciones, la intensidad de corriente de celda, la conductividad del electrólito y el área del cátodo. Problema 11
a) Calcule el número de celdas necesario para efectuar EO de Cu a partir de un electrólito proveniente de SX con los siguientes datos: Q = 152 000 (m3/día); ΔCCu = 2,7 (kg/m3); PCu = 63,5 (kg/kmol); 2 2 icell = 300 (A/m ); t = 24 horas; η = 0,92 ; A cat = 1,9 m ; Ncat = 60; F = 96 500 C /eq-g b) Calcule la producción anual de Cu en la misma planta, sabiendo que la eficiencia de tiempo es ηt = 0.985. Problema 12
a) ¿Cuáles son las diferencias entre la goma guar y la cola respecto de su origen y de su uso en electro metalurgia del cobre? Explique brevemente. b) El Mn en EO de cobre da origen a dos reacciones en el ánodo: una produce bióxido de Mn y la otra, permanganato. Escriba las ecuaciones electro químicas respectivas e indique cuál de los productos contribuye a la formación de la borra y cuál contribuye a la evolución de cloro gaseoso desde el electrolito. Potenciales standard: Cúprico/cobre Férrico/ferroso Agua/oxígeno
R.Constanzo R.
0.34 V 0.77 1.23
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Cloruro/cloro Manganoso/permanganato
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1.36 1.48
Problema 13 3+
2+
2
La densidad de corriente de intercambio para Pt / Fe , Fe es 2.5 mA/cm . El potencial standard es 0.771 V. Calcule la densidad de corriente en A/m 2 para los siguientes valores del potencial de electrodo : a) 500 mV; b) 771 mV ; c) 1000 mV; d) ¿Qué sobrepotencial se requiere para sostener una corriente de 20 mA sobre un electrodo de 5 2 cm ?. Indique las suposiciones. Problema 14 +2
a) Calcular el espesor de la capa de difusión para la deposición de Cu en una celda de ER en que la densidad de la solución es 1200 kg/m 3, la viscosidad es 9⋅10-4 kg/m s, el -9 2 coeficiente de difusión es de 10 m /s , la distancia interelectrodos es de 7 cm., el largo y ancho de los electrodos de 1 m y la velocidad lineal del electrólito es de 0.002 cm/s. Indique las suposiciones. b) ¿Cuál es la densidad de corriente límite si la concentración del cobre es de 0.6 M? c) ¿Cuál es la densidad de corriente límite si la velocidad lineal del electrólito aumenta al triple, manteniéndose constantes las propiedades físicas del fluido? Problema 15
En un sistema de EW del metal Me1 con ánodos de Me2, la densidad de corriente de 2 deposición es de 200 A/m , la velocidad de desprendimiento de oxígeno en los ánodos es de 176.5 m 3 de O2 /día para toda la planta y el área anódica total es igual al área catódica. a) ¿Cuál será la velocidad de corrosión de los ánodos si se rompe la pasividad y sólo un 20% de la corriente anódica es transportada por la oxidación del agua? 2 b) ¿Cuánto Me2 se disolverá por día y por m de ánodo?
Problema 16
Un proceso industrial de cementación de cobre con chatarra de fierro se realiza en un reactor rotatorio. El contenido de ácido sulfúrico es de 98 gpl y el de Cu 2+ 0.5M. a) Desde el punto de vista termodinámico demuestre que este proceso ocurre espontáneamente. b) Demuestre gráficamente (curvas cinéticas) que si la concentración de cobre baja considerablemente, el potencial electroquímico del sistema disminuye. Demuestre además, que si se agota el cobre en solución es posible que el consumo de hierro continué, y que el potencial electroquímico tiene a un valor constante.
R.Constanzo R.
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Problema 17
En un proceso industrial de EW de Cu, la eficiencia faradica es de 95% y se opera con i = 250 A/m2, con un tiempo de producción neto de 24 hrs/día durante 360 días/año. a)
Si la tensión de bornes es de 1.95V/celda, se pide calcular la potencia de rectificación de una planta para alimentar una nave que contiene 2 circuitos de 75 celdas cada uno. Desde el punto de vista de la ingeniería conceptual, aparece como atractivo disponer de 2 rectificadores en vez de uno. Utilice la lógica para analizar esta alternativa y calcule la potencia de cada rectificador.
b)
Calcule la producción anual.
c)
Calcule el consumo de energía anual de la planta, y determine el gasto en energía si se considera un costo de 5cUS/KWH.
d)
Calcule el consumo específico de energía.
e)
Si se supone que la sobretensión de oxigeno sobre ánodos DSA es de 300mV menor que sobre ánodo base Pb, calcule el ahorro en el consumo de energía que significa el cambio de tecnología.
R.Constanzo R.
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