Electrodeposición del Zinc Facultad de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales
Electrometalurgia Catedrático: Ing. Luis Antonio Pacheco Acero Ciudad Universitaria, Agosto 01 de 2011
Electrodeposición del Zinc Facultad de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales
Electrometalurgia Catedrático: Ing. Luis Antonio Pacheco Acero Ciudad Universitaria, Agosto 01 de 2011
CONTENIDO
Presentación. Reseña Rese ña Histórica. Minerales de zinc. Diagrama de lu!o "ara la o#tención del $inc. Concentración de Minerales de $inc. %ostación. Li&i'iación. (iltración. Puriicación. )lectrólisis. *sos del zinc. ane&os
OBJETIVO DE LA ELECTROPOSICION DEL ZINC
Presentación La )lectrode"osición del $inc es uno de los m+todos mas utilizados "ara la o#tención del $inc Metálico. *tiliza el "rinci"io de la electro,u-mica. )l "otencial de reducción del $inc es mas negati'o ,ue el hidrogeno. La electrode"osición del $inc es "osi#le gracias ala ele'ada so#retensión del hidrogeno so#re el zinc la cual se incrementa al aumentar la densidad de corriente. )ste "rinci"io hace ,ue se "ueda recu"erar el zinc "or el m+todo de la electrode"osición teniendo en cuenta los "asos a seguir: concentración tostación li&i'iación iltración "uriicación electrolisis. Dando ma/or +nasis en la "uriicación de la solución. )l uso ,ue se da al zinc es di'erso el mas im"ortante es "ara la "rotección contra la corrosión. )l zinc es "rotagonista de la miner-a nacional.
RESEÑA ISTORICA DEL ZINC )n el año 0110 León L+trange en (rancia "atenta la "roducción comercial de cinc "or hidrometalurgia / su recu"eración "or electrólisis sumándose a ello otros in'estigadores con di'ersos m+todos em"leando sulatos cloruros / soluciones alcalinas como disol'ente / electrolito. La CIA. Anaconda Co""er Mining Com"an/ ue la "rimera ,ue lle'o aca#o con +&ito la o#tención del cinc electrol-tico o#teniendo un cinc de alta "ureza. )stados *nidos es el "rimer "roductor / consumidor de cinc en la actualidad las undiciones de cinc u#icadas estrat+gicamente cercanas a los /acimientos de com#usti#les / del suministro #arato de energ-a el+ctrica este ultimo tomando una im"ortancia de rele'ancia de#ido a la demanda del mercado del latón ,ue e&ige un cinc con 2222 3 de "ureza.
MINERALES DE ZINC
Minerales sulfurados: Blenda (ZnS):
4 5lenda amarilla: Contenido en $n mu/ ele'ado. 4 5lenda negra: Contenido en $n 'aria#le 678983;. Im"urezas de (e Mn P# As / <#. Contenido en Ag escaso. 4 Blenda mixta (blenda + galena): Calcinación a la salida de la mina. Contenido en "lomo ele'ado 6=90=3;. Acom"añadas a menudo de "iritas de hierro / co#re. Contenido en Ag 'aria#le. Minerales carbonatados y silicatados: Calaminas. 4 Calamina no#le o smithsonita 6$nC>7;: Calcinación a la salida de la mina. Contenidos de hasta =83 de $n. Im"urezas de (e Mn Ca Mg P#
Otros minerales:
4 (ran?linita: $nMn>.(e@>7. 4 Le#er#lenda: $n<.$n>.
DIA!RA"A DE #L$JO PARA LA OBTENCI%N DEL ZINC Minerales de zinc
Concentración "or: lotación dierencial
Concentrado de $n< %ostación: @$n< E 7> @ F @$n> E @<>@ Calcina 6$n>; Li&i'iación sim"le: $n> 6s; E H@<>6a,; F $n<>6a,; E H@>6l; %an,ues Pachuca.
con otros sulatos de Cd Cu P# (e etc. Preci"itación del (e<> como (e6>H;7 con Mn>@: @(e<> E @H@<> E Mn>@ F (e@6<>;7 E Mn<> E H@> (e@6<>;7 E 7$n> E 7H@> F @(e6>H;7 E 7$n<> con Baloración del contenido de hierro =mgl 6listo Para la iltración;. im"urezas "rinci"almente )nsa/o de 'elocidad de iltración (e6>H;7 08 0=8 ccminuto 6listo "ara la iltración; (iltración: )liminación del (e6>H; 7 / otras im"urezas Puriicación de los elementos con "ol'o de 6a,; E $n6s; F $n<>6a,; E (e6s; Cu<>6a,; E $n6s; F $n<>6a,; E Cu6s; Cd<>6a,; E $n6s; F $n<>6a,; E Cd6s; lista "ara la electrolisis Cátodos de zinc (undición 22.22=3
CONCENTRACIÓN DE MINERALES ! "lotaci#n del cinc: La se"aración "or
lotación se #asa en la ca"acidad ,ue muestran distintas su"ericies de minerales al ser mo!adas "or el agua. La mo!a#ilidad de una su"ericie esta determinada "or los 'alores relati'os de las energ-as interaciales. )l "roceso de lotación "uede llegar a ser mu/ selecti'o. As- en una mena com"le!a de suluros "uede a"licarse la lotación "ara dar un concentrado mi&to el cual es una mezcla de los distintos minerales sulurosos o "uede tratarse dicha mena "ara "roducir dierentes concentrados de lotación cada uno de los cuales tendrá "rinci"almente un mineral como la Galena 6P#<; Calco"irita 6Cu(e<@; )salerita 6$n<; / Pirita 6(e<@;. )ste "rocedimiento se denomina Flotación Selectiva.
Flotación selectiva Minerales sulfurosos
Galena PbS calcopirita CuFeS2
Esfalerita nS Pirita FeS
cal
&educción del Pb con 'Cr%( a () *C
Concentrados de "lomo / co#re concentrado #ul?
Celdas limpiadoras
Celdas des&astadores
!"#$"$%S Celdas agotativas
Cc. de Cu colas Se agrega la cal para deprimir el la pirita y sulfato de cobre para activar el zinc. Cc. +e Pb Cc. +e n
",u- se le aade /cido sulf0rico para ba1ar el p 3asta 4 y para flotar la pirita y separarlo totalmente de la ganga Ganga
TOSTACIÓN a!$%OS%&C'O * & M*&S * C'C ,&-& * ,-OC*SO * *S%'&C'O
La tostación de las menas de cinc 6suluro de cinc $n<; se tuestan "ara eliminar todo el azure /a ,ue "ro'ocará la "erdida de una cantidad de cinc del do#le de ella. @ / la humedad el <>@ ,ue "ro'iene del suluro tender-a a o&idar el 'a"or de cinc o a consumir grandes cantidades de agente reductores en la retorta. @$n< E 7>@ @<>@ E @$n> $n< E @>@ $n<> →
→
FERRITA DE ZINC
Cuando la tem"eratura de tostación es demasiado ele'ada el o&ido de cinc se com#ina con el o&ido +rrico ormando errita de cinc 6$n>.(e@>7; La errita no suele ser disuelta "or ácido sulrico diluido la ormación de errita a "artir de sus com"onentes se inicia !ustamente "or encima de J88KC / "or consiguiente "ara e'itar la ormación de este com"uesto es necesario mantener la tostación a tem"eratura menor de J88KC e'itando la ormación de este com"uesto.
FERRITA DE CINC ZnO.Fe 2O3
%em"eratura menor a J88 KC
H@<> DIL*ID>
(e7> 783 $n>.(e@>7
Pro"iedades magn+ticas
TOSTACION DE LAS MENAS DE CINC PARA EL PROCESO DE ELECTROLISIS
%iene como inalidad de eectuar la con'ersión de suluro de cinc en ó&idos / sulatos de cinc / ,ue este ultimo no e&ceda en un @3 "ara e'itar la ormación de ácido. )l "orcenta!e de hierro determina la ormación de errita otros actores serán la tem"eratura / el tiem"o de tostación.
Por lo tanto se recomienda tra#a!ar a una tem"eratura menor de J88 KC teniendo en cuenta el contenido de "lomo de#emos tener cuidado /a ,ue este se undirá / ormara una "el-cula encima de las "art-culas de cinc / este no "ermitirá la tostación a ondo de los suluros de cinc en este "roceso se eliminan As / <# "or 'olatilización. Parte del Cu se com#ina con el hierro "ara ormar una errita insolu#le en ácido diluido.
LIXIVIACION
La "rimera inalidad de la li&i'iación es la de disol'er el o&ido / restos de sulato de zinc contenidos en la calcina con un disol'ente ,ue es el ácido sulrico "rocedente de las cu#as electrol-ticas. Desgraciadamente el hierro el ars+nico el antimonio el silicio el aluminio el co#re el cadmio / los otros metales tam#i+n se disuel'en / de#en se"ararse antes ,ue la disolución se someta a electrolisis. Las im"urezas mencionadas se se"aran como "arte de la o"eración de li&i'iación neutralizando el ácido sulrico / "reci"itándolas como hidró&ido / sulato +rrico. Para ello se em"lea "roducto calcinado "ero la o"eración de#e realizarse con cuidado /a ,ue de no ser as- se tendrá una ele'ada "erdida de cinc en el residuo 6como ó&ido;.
."eSO/ + .0.SO/ + MnO. → "e(SO/)3 + MnSO/ + .0.O "e(SO/)3 + 3ZnO + 30.O → ."e(O0)3 + 3ZnSO/
De esto se deduce ,ue todo el ácido sulrico com#inado con el hierro se utiliza e'entualmente "ara disol'er el o&ido de zinc / ,ue el hierro se "reci"ite como hidró&ido +rrico ,ue a#sor#e al ars+nico al antimonio com#inándose con ellas "ara ormar sales insolu#les se"arándose de los elementos de la disolución.
COM,&-&C'O*S * '1'2'&C'O*S CO%'&S 4 'SCO%'&S •
Aun cuando el sistema continuo se ada"ta a las grandes instalaciones donde la carga / la naturaleza 6le/ de mineral; son actores ,ue determinan las 'ariaciones de los contaminantes ,ue "osteriormente determinan los "asos de "uriicación haci+ndolos mas com"licados / menos eiciente aectando el rendimiento ,ue contaminan el zinc de"ositado.
•
)n el sistema discontinuo el o"erador "uede controlar todos los de"ósitos rigi+ndose a un análisis ,u-mico ,ue "one de maniiesto un limites de im"urezas "ermisi#les recu"erando as- una "orción ma/or de zinc de la calcina con menos contaminantes.
)l consumo de aire es ma/or en el sistema continuo /a ,ue es necesario mantener la agitación en todos los de"ósitos durante la totalidad de las @ horas e'itando la sedimentación / el atascamiento de los sustentadores de aire. • )n el "roceso discontinuo se 'ac-a en su totalidad cada de"ósito al inal de cada "er-odo de li&i'iación el aire se em"lea solo en este "er-odo "or otra "arte los gastos o"erati'os / de re"aración son #a!os res"ecto al sistema continuo siendo la ca"acidad "or tan,ue mucho ma/or. Desde 027= crece el em"leo del sistema discontinuo. de#ido al mane!o / e&igencias industriales ,ue se suscitan "ara o#tener un cinc cada 'ez mas "uro con necesarias condiciones de control mas le&i#les ,ue el "roceso continuo. •
FILTRACION Por esta o"eración de iltración se se"ara los $n<> de las materias insolu#les ,ue constitu/en el residuo de li&i'iación. La iltración se lle'a ha eecto en una #ater-a de iltros los ,ue son iltros rotatorios de = t de diámetro interior / de 8 t de largo 6de"endiendo de la instalación / la ca"acidad a tratarse;. La solución iltrada se descarga "or la "arte central del iltro / es en'iada a los tan,ues de sedimentación / almacena!e el residuo luego de ser la'ado "ara e&traerle el má&imo "osi#le sulato de zinc se descarga "or la "arte "osterior de los iltros "ara ser en'iados al circuito de tratamiento de residuos. La iltración se acilita con la in/ección de 'a"or "ara mantener la solución caliente / de aire "ara tener cierta "resión en el interior del iltro.
(IL%RACI o
o o
%RA%AMI)%>< D) L>D>< 6materia insolu#le;
L>A PAP)L D) (IL%R> AR)A
$n<> 6LIMPI>; / es
en'iada a los tan,ues de sedimentación
atos de la lixiviaci#n y filtraci#n: • • • •
)&tracción de la li&i'iación 6#ase $n total; 1.=3 )&tracción de la li&i'iación 6#ase $n<>; 2.73 H@<> usado 8J8 ?g %M de $n "roducido 5ió&ido de manganeso usado =@ ?g%M de calcina
)l residuo de li&i'iación contiene !unto con los elementos insolu#les determinado "orcenta!e de o&ido de zinc / sulato de zinc además del zinc ,ue orma las erritas de zinc. )l ma/or "ro#lema durante la iltración es e'itar las "erdidas de zinc solu#le en agua de#ido a la deiciencia en el la'ado o la diicultad de hacerlas correctamente. )l residuo es un "reci"itado gelatinoso de hierro almina / s-lice di-cil de la'ar el la'ado se hace "or dilución "or reem"lazo o una com#inación de los dos ,ue son los más satisactorios.
P'ri(icación uri!icaci"n de los elementos con #olvo de $inc %&0' de $inc met(lico)* Fe+-%a) / n%s) n+-%a) / Fe%s) Cu+-%a) / n%s) n+-%a) / Cu%s) Cd+-%a) / n%s) n+-%a) / Cd %s)
Efecto de las impurezas H@ P# Cd )l so#re'olta!e esta
"or encima de 8.= B Im"uriican el de"osito se de"ositan !unto con el zinc.
Mn Al a N Mg
Bolta!e de descom"osición ma/or ,ue el $n<> 6@.=7 B; o tienen eecto en la electrode"osición "ero si aecta a la conductancia del electrolito.
Cu As <# Ge / %e
ocasionando gran des"rendimiento de H@. M*O P)R*DICIAL siendo im"osi#le la electrolisis del zinc en "resencia de estos.
i
Mn esta en orma de sulato
luego se con'ierte en Mn> @ ,ue una "arte se adhiere al ánodo / otra cae al ondo esta da una coloración 'ioleta lo cual indica una #uena electrode7"osición del zinc.
i
CQ%>D> D) $IC
(e Co i
solu#les en el ácido
i Co es uno de lo elementos mas
"er!udiciales se tolera hasta 8.0 mg l Produce huecos grandes en el cátodo.
ELECTROLISIS DE SOLUCIONES DE SULFATO DE ZINC
Los "otenciales de reducción en soluciones acuosas a @= KC del agua / la solución de sulato son: H@> HE >@ 90.@@2 B 9@.@= B $n<> $n <>99 Pareciera ,ue no se de"ositar-a el zinc en el cátodo "ero gracias a una so#retensión del H@ se logra la de"osición del zinc. )l incremento de la densidad de corriente a/uda el incremento de esta so#retensión disminu/e con las im"urezas como el Co Cu <# "or lo ,ue de#emos tener el electrolito "uro.
ELECTROLISIS DE SOLUCIONES DE SULFATO DE ZINC !enerador de corriente directa
Celda )lectrol-tica
E
9
e9
e9
O,
O,
)
+nodo de P&,A-
S%(66
n n55 55
S%(66
O,
S%(66
)
)
n55
n55 S%
66 (
n55
O,
O,
)
C*todo de Al
n55
S%(66 n55
)
S%(66
S%(66
n55
)
) )
>H9 F @H@>6l; E e9 E >@6g;
@$nEE E e9 F @$n6s;
Elementos para la electrodeposición del zinc
Qnodos de aleación
de P# Ag. ,ue estan en orma de re!illa mas "e,ueños "ara disminuir el "eso / la densidad de corriente
Conductores el+ctricos de Cu
!enerador de corriente directa
E
9
e9
"lanchas de Al de alto grado de "ureza
e9
)lectrolito
Celda )lectrol-tica
Cátodos
circulación de electrodos "or gra'edad son de concreto orrados interiormente con una aleación de P# %e Cu con
%em"eratura a"ro&. 7= KC
el enriamiento del electrolito se eecta mediante torres de enriamiento de tiro orzado.
PROD$CTOS DE ZINC
EL ZINC PROTEJE LA CORROSI%N
CO"ERCIALIZACION DEL ZINC