XIX Simposium Internacional: “Aportaciones de laS universidades a la
docencia, la investigación, la tecnología y el desarrollo” 26, 27 y 28 de septiembre de 2018.
ELECTRODEPOSITACIÓN ELECTRODEPOSITACIÓN DE PLOMO A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN DE NITRATOS Francisco Javier Juárez Islas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional
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Jesús Aarón Esquivel Alarcón Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional
[email protected]
Ana Lilia Pérez Flores Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional
[email protected]
Abstract In the present work, the behavior of electrodepositing of lead from a nitrate solution was studied, having as variables the pH, the concentration, the amperage and the use of a Naphion membrane. Based on the information obtained in the distribution diagrams of species for the lead system - nitrates and lead hydroxide. Obtaining the best operating conditions for pH greater than 3 and amperage of 0.1 A. . Lead, Nitrate, electrodeposition, complex diagrams.
La Lixiviación con HNO 3 de concentrados y minerales sulfurosos es un método atractivo para la recuperación de metales básicos, debido a que el HNO 3 es un fuerte agente lixiviante y este puede ser fácilmente reciclado por la adición de oxigeno (O) directamente en la mezcla de lixiviación o usando una oxidación externa de óxido nitroso (NO). Un importante defecto de la lixiviación de ácido nítrico es la oxidación del
azufre contenido en la galena a azufre elemental y sulfato, en muchos de los casos en partes iguales. Esto resulta en un incremento del consumo de HNO 3 y la necesidad de usar el sulfato, aumentando el costo del tratamiento de la solución y la regeneración del ácido. [7] La cinética y el mecanismo de disolución de sulfuros metálicos en ácido nítrico, así como la formación de azufre elemental y
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sulfatos es poco comprendido. Se puede establecer que la producción de sulfatos aumenta con el incremento de la concentración de HNO3 y el potencial del electrodo de los minerales, mientras el azufre elemental es oxidado a sulfato muy rápidamente. [5] El comportamiento del sulfuro de plomo (PbS) en soluciones de HNO 3 ha recibido muy poca atención. Peters y Vizsolyi (1969). Propusieron que la química de lixiviación de galena con ácido nítrico está dada por:
Figura 1. Diagrama de distribución de especies en función al % disolución y pNO3-
3PbS + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO(g) + 4H2O + S° …………………………….(1) La electrorefinación del plomo desde soluciones de nitrato no es tan directa como es la electrorefinación de Cu o Zn de soluciones de sulfatos. Hay dos complicaciones: 1.- El plomo no solo se deposita en el cátodo como metal, también en el ánodo como PbO 2. Pb2+ + H2O →PbO2 + 4H+ + 2ē………….(2) 2.- El ácido nítrico reduce al cátodo y puede redisolverse los depósitos de plomo cuando los contenidos de ácido exceden los (0.18 M). De acuerdo al diagrama de distribución de especies para el sistema Plomo- Nitrato, hay cinco especies acuosas que pueden estar presentes en el sistema: Pb2+ , PbNO+3 , 2− [1] Pb(NO3 )2, Pb(NO3 )− 3 y Pb(NO3 )4 . Las cuales su proporción dependerá de la cantidad del ion nitrato y del pH de la solución como se muestra en la figura 1. [1]
Donde se observa de forma significativa que el incremento del ion nitrato favorece la formación de complejos del tipo aniónico y la disminución de este la de complejos cationes. De forma similar el diagrama de distribución de especies para el Sistema Pb – Hidróxido, Figura 2.. pe =
2+ [P b ]
8.50 1.0
TO T
Pb 2+
=
10.00 M
Pb (OH 2 ) (c)
Pb (O H) 4
0.8
0.6 n o i t c a r
0.4
F
0.2 + PbO H
0.0 2
4
6 pH
8
10
12
Figura 2. Diagrama de distribución de especies en función al % disolución y pH. [2]
Muestra que a un pH de 5 a 7 se tendrá la formación de hidróxidos de plomo los cuales precipitaran, delimitando la región de trabajo a un pH entre 3 y 6 con posibles pérdidas en la recuperación de plomo
Desarrollo experimental La experimentación se centra en la electrodepositación de una solución de 1000
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ppm Pb y 0.5N HNO3,la solución se prepara de acuerdo a la Tabla 1. Tabla 1. Soluciones preparadas para la experimentación. Soluciones Preparación Solución Sintética 1000 ppm de plomo a partir de 1 nitrato de plomo Pb(NO3)2
2 Solución H2SO4
En un matraz de 1 L se adiciona 1.59 g de Pb(NO3)2 y 30.23 ml de HNO3, se afora con agua desionizada a 1 L.
En un matraz adicionar de 27.17 ml de H 2SO4 y aforarlo a 500 ml con agua desionizada.
La tabla 2 muestra los reactivos utilizados durante la experimentación con su respectivo porcentaje de pureza. Tabla 2. Reactivos usados.
Reactivos
% Pureza Marca
Agua desionizada Ácido Nítrico Nitrato de Plomo Ácido Sulfúrico
69 96 98
J. T. Bakel Fermont J. T. Bakel
Procedimiento experimental
Figura 3. Pasos por seguir de la secuencia de experimentación.
En la figura 4 se muestra el montaje del reactor de vidrio empleado el cual en la parte media tiene una membrana de Nafion para separar las fases anódica y catiónica empleado en los experimentos 1 y 2, para los siguientes experimento el montaje es semejante pero solo se empleó un reactor de una cámara.
En la Figura 3 se muestra la secuencia de experimentación.
Figura 4. Representación del montaje del equipo, electrodepositación,
Diseño de experimentos 3
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En la tabla 4 se indican los experimentos realizados y las condiciones a las cuales se efectuó cada uno. Tabla 4. Serie de experimentos con sus variables
Figura 5. Comportamiento de la electrodepositación de Pb, en la cámara catiónica.
.
Resultados
En la Figura 6 se observa el comportamiento de la electrodepositación de plomo sobre el ánodo, colocando este en la cámara de la solución lixiviación y posteriormente en la cámara de H2SO4.
En esta serie de experimentos el propósito fue observar el comportamiento de las especies de Pb en la celda de electrodepositación. Los resultados obtenidos se realizaron variando las condiciones de membrana, tiempo, pH y amperaje.
Electrodepositación de Pb en un reactor con membrana de Nafión. En la Figura 5 se muestra el comportamiento de la depositación del ion plomo sobre el cátodo, observando una baja transferencia de los cationes a la cámara de ácido sulfúrico y una mayor depositación de los aniones de plomo, al invertir la posiciones de los electrodos en el experimento 2 se logra una depositación de plomo del 76% valor que concuerda con la cantidad de cationes que hay en la solución que concuerda con el 80% del diagrama de distribución de especies (figura 1), esto implica que haya una transformación de aniones a cationes debido posiblemente al potencial aplicado ya que el ion nitrato se descompone a NO liberando al ion plomo, logrando esta alta depositación de plomo.
Figura 6. Comportamiento de la electrodepositación de Pb, en un reactor con membrana de nafión
Se tomó el pH solución de nitrato de plomo y fue de 0.9, estando dentro del intervalo de las especies negativas por lo tanto se depositó el 97.27% de óxidos de plomo en la cámara anódica. Se observó una coloración negra en el ánodo debido a estos óxidos de plomo. Por el contrario, al experimento 2 donde la cámara anódica contenía la solución de H 2SO4 se depositó tan sólo 23.8% observando que la membrana de Nafion impide el transporte de los iones de plomo, razón por la cual ya no se empleó en los siguientes experimentos.
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Figura 7. Comportamiento de la electrodepositación de Pb, en la solución
Figura 8. Electrodepositación de Pb con respecto al tiempo, pH de 0.9 y amperaje de 0.1 (experimento 3).
En el Figura 7 se observa que para el experimento 2 hubo una más rápida depositación en los cationes y en el experimento 1 fue más lenta debido a la transformación de los cationes a aniones, aunque fue la misma depositación en ambos lo que vario fue la velocidad de esta depositación. En las soluciones quedó lo que no se pudo depositar en los cátodos de cada una de las cámaras. No fue realmente efectivo el experimento ya que las especies no pasaban a través de la membrana es por eso por lo que sólo se depositaban en la cámara donde se encontraba la solución de plomo.
Efecto del pH en la electrodepositación de Pb
Determinación del electrodepositación.
tiempo
de
La Figura 8 muestra el tiempo para lograr la mayor cantidad de plomo depositado bajo las condiciones indicadas. Podemos observar que a un tiempo entre 250 a 300 min se recupera aproximadamente todo el plomo porque más adelante a los 330 min ya no varía significativamente la depositación. De acuerdo con estos resultados se determinó trabajar el resto de la investigación manteniendo un tiempo de 180 min. Esta experimentación que fue reactor sin membrana se obtuvieron resultados parecidos al experimento 2 en la cámara del cátodo. Por esta razón los siguientes experimentos no se utilizó membrana.
Las figuras 9,10 y 11 muestran los resultados del comportamiento de la electrodepositación de Pb variando el pH referente a los experimentos 4, 5 y 6, con la adición de NaOH, y haciendo una comparación entre estos, para identificar el pH más eficiente para trabajar. En la figura 9 se observa que realmente en ninguno de los tres experimentos se depositó gran cantidad de plomo debido a que como lo hemos visto con anterioridad al incrementar el pH hay más especies catiónicas disminuyendo así los aniones que puedan ser depositados en el ánodo, con todo esto en el pH de 3 se logra la menor depositación en el ánodo, tan sólo 1.428%, que corresponde a lo visto en el diagrama de distribución de especies (figura 1).
Figura 9. Electrodepositación de Pb en el ánodo con respecto a la
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variación de pH de 0.9 a 2, 2.5 y 3 y amperaje de 0.1.
Se pude observar en la Figura 10, que se logró una buena depositación en los cátodos, siendo el de pH de 3 el más eficiente con 97.92%, esto reafirma que a un pH de 3 es óptimo para lograr incrementar la recuperación de plomo, ya que a este pH las especies negativas ya no existen obteniendo una alta eficiencia en la depositación en los cátodos.
Figura 10. Electrodepositación del Pb en el cátodo, respecto con la variación de pH de 0.9 a 2, 2.5 y 3 y amperaje de 0.1.
Los tres gráficos muestran un comportamiento muy similar, lo que cabe resaltar es que, para un pH de 3, aumenta la recuperación y la velocidad de depositación. A este pH ocurre una descomposición del HNO3 por lo cual ya no se forman especies negativas. Como resultado en el cátodo obtenemos la depositación de laminillas de Pb2+.
variación de pH de 1.07 a 2, 2.5 y amperaje de 0.1.
En las soluciones podemos observar en la Figura 11 que a un pH de 3, es donde se obtiene el valor más bajo de plomo en solución con 0.65%, ya que todo el plomo se depositó en el cátodo.
Efecto del amperaje en la electrodepositación de Pb. En los experimentos 6 (0.1 A), 7 (0.15 A) y 8 (0.2 A), se realizó la comparación de las figuras para observar el comportamiento de la electrodepositación de Pb.
Figura 12. Comportamiento de la electrodepositación de Pb en el ánodo con respecto con la variación de amperaje de 0.1, 0.15 y 0.2, pH de 3.
En la figura 12 se observa que la cantidad de plomo es mínima en el ánodo debido a que se realizó a un pH de 3 dónde ya no existen complejos de plomo negativos, además de que, al incrementar el amperaje, la respuesta es que se depositara más rápido el plomo en el cátodo impidiendo que en el ánodo exista algún porcentaje con valor.
. Figura 11 Recuperación de Pb en cada solución, respecto con la
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Figura 13.-Electrodepositación de Pb en el cátodo con respecto a la variación de amperaje de 0.1, 0.15 y 0.2, pH de 3.
Como se observa en la figura 13, lo que pasa en los cátodos, es que a medida que se incrementa el amperaje si se deposita más rápidamente el plomo, pero provoca que en esta rápida depositación no se adhiera completamente todo el plomo en el cátodo y se desprendiera depositándose en el fondo del reactor en forma sólida que no se disolvía. Esto se debió ya que el área del cátodo es pequeña y si se lograra incrementar esta área superficial se podría depositar el plomo y se evitaría este problema de desprendimiento.
de especies, determinando que a un valor de pH de 3 se tendrá solo cationes. 2) El empleo de la membrana de nafión no fue eficiente ya que no permite el paso adecuado de los iones, por lo cual no se utilizó. 3) Las mejores condiciones para la electrodepositación de plomo son a un pH de 3 y amperaje de 0.1, obteniendo 97.92% de recuperación de plomo. 4) Incrementar el amperaje no favorece la electrodepositación, obteniendo una mayor velocidad y eficiencia de depósito a un amperaje 0.1
Referencias
Bray J. Leighton, Metalurgia Extractiva de los Metales no Ferrosos, Ediciones Interciencia, Madrid (1968) 336-338. Esteban M. Mihovilovic, Hidrometalurgia: Fundamentos, Procesos y Aplicaciones, Consejo Minero de Chile (2001) 3-9, 35-36, 618. Figura 14 Plomo Remanente en la solución con respecto a la variación de amperaje de 0.1, 0.15 y 0.2, y pH de 3.
La Figura 14 muestra que en amperajes bajos se logra tener en la solución la menor cantidad de plomo. Al incrementar el amperaje no se logra un efecto favorable en la electrodepositación del plomo ya que como se observa en los gráficos anteriores, al tener mayor amperaje no favorece en la velocidad de depositación.
Conclusiones 1)
La adición NaOH diluida y controlada permite obtener las especies de plomo de acuerdo con el diagrama de distribución
Habashi, Fathi Handbook of Extractive Metallurgy Volumen II, Editorial Wiley-VCH, Weinheim (1997) 582-583. Zbigniew Szchejguel, Metalurgia no Ferrosa, Limusa 1ª Edición, (1984) 277, 281. Zarate Gutiérrez Roberto, Tesis Estudio Termodinámico de Lixiviación de un Concentrado de Galena a Elevada Presión y Temperatura con Ácido Nítrico IPN-ESIQIE (2007) 35-36, 41, 51.
AGRADECIMIENTOS. -A la ESIQIE – IPN en especial al Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales por el apoyo brindado para el desarrollo del presente estudio.
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