La lista de metales no ferrosos puros tan ampliamente utilizado en la industria moderna incluye muchos que son producidos por medios electrolíticos, tales como el cobre, el zinc, el níquel, el aluminio, el magnesio, el sodio, el plomo, el cadmio, el calcio y muchos otros. En el caso de algunos metales, un fuego común o los métodos químicos de producción son importantes, pero en otros, el 100% del metal utilizado es producido por electrólisis. La producción comercial de la electrólisis de los metales tuvo su origen hace un siglo, cuando James Elkington, un inglés, inventó un proceso para la refinación de cobre electrolítico; más tarde, alrededor de 1890, fue la primera de aluminio producidos a escala comercial por electrólisis, seguido en 1905 por el plomo, níquel y zinc en 1910, cerca de 1915.

Hay un número de razones por las que los metales mediante electrolisis han desempeñado un papel tan importante como lo han hecho en la industria moderna. En primer lugar, metales producidos de este modo suelen ser excepcionalmente puros; el grado de pureza que se muestran en la siguiente tabla puede obtenerse en la práctica comercial.

plomo

Las peculiares propiedades de metales de alta pureza incluyen: alta resistencia a la corrosión, alta maleabilidad, alta conductividad eléctrica y otros de similar naturaleza. El plomo de alta pureza ofrece un servicio excepcional en la industria química de la construcción, la industria de fundición de zinc depende en alto grado de zinc metálico, un cobre de alta conductividad es esencial en la industria eléctrica, el níquel puro encuentra una multitud de usos, debido a sus especiales propiedades físicas, el aluminio es muy blando y maleable, tiene una brillante superficie de espejo, y es difícilmente soluble en ácidos o álcalis. Estas propiedades son más fácilmente y económicamente desarrolladas en la producción electrolítica de metales.

Una segunda razón para el empleo de métodos electrolíticos es que, a menudo, constituyen el método más económico de separar un metal valioso de la ganga, escoria, u otros metales con los que se combina. Asimismo, en el caso de metales ubicados en la parte alta en la serie electromotriz, tales como sodio y aluminio, la electrólisis ofrece el único medio práctico para romper los compuestos oxidados y preparar el metal en forma metálica.

Conceptos Básicos en la Refinación Electrolítica

Todas las operaciones electrolíticas dependen de dos factores fundamentales: la primera es el volumen o cantidad factor que está relacionado con amperios; la segunda es la energía o factor de presión que está relacionado a voltios.

La cantidad de metal depositado desde un electrolito está en conformidad con las leyes enunciadas por Faraday, que establecen: (1) que la cantidad es proporcional al número de amperios-hora, y (2) que un número determinado de amperio-horas depositará una cantidad equivalente de cualquier metal, el equivalente se determina dividiendo el peso atómico por la valencia. Cálculo de experimentar y probar la validez de las leyes de Faraday y demuestran que, si una corriente de 1000 amperios pasa a través de una celda durante una hora (o un amperio-horas para 1000, sin embargo, uno puede tener otro objetivo), los siguientes pesos de metal será depositado si el actual y la eficiencia de la celda es 100%.

metal

De la tabla anterior es evidente que la misma cantidad de corriente que va a depositar 8,5 libras de plomo, depositará sólo 6 onzas de berilio o 12 onzas de aluminio. La eficiencia actual de una celda electrolítica puede ser calculado comparando la cantidad de metal realmente depositados por una corriente que pasa a través de la celda de un momento dado con la cantidad que debe ser depositado, según la ley de Faraday, por la misma corriente que pasa por el mismo período de tiempo.

La tensión necesaria para el funcionamiento de una celda es una cuestión totalmente diferente, ya que depende de varios factores tales como resistencia, electrolitos y resistencias de contacto, así como la descomposición de tensión. Este último factor no se expresa simplemente, pero puede decirse que representan, en unidades eléctricas, las unidades de calor que debe suministrarse para descomponer un compuesto como óxido de aluminio o sulfato de cobre de tal manera que el contenido energético de los elementos componentes se restaura al nivel existente antes de que el compuesto fue formado originalmente.

Para cada uno de los compuestos y el electrolito, un potencial o presión debe ser suministrado siempre antes de cualquier corriente (amperios), esta es la descomposición de voltaje y, una vez que se alcanza, la corriente sigue fluyendo a la presión constante de la tensión de la descomposición, y el metal es depositado según la ley de Faraday. Las tensiones requeridas para que la corriente fluya a través de las celdas son bajas en los electrolitos acuosos y sólo ligeramente superior en electrolitos fundidos, a pesar del hecho de que la resistencia de los electrolitos fundido es suficiente para generar el calor necesario para mantener el electrolito líquido. Las condiciones de la electrólisis varían enormemente para los diferentes metales y electrólitos diferente, aunque no se puede establecer relaciones dadas, cabe señalar que los voltajes varían en 0,25 V. para refinación de cobre electrolítico con ánodos solubles a unos 5 V. para la reducción de aluminio con electrodos de carbono.

El requisito de potencia (W) para la producción electrolítica de metales está determinada, básicamente, por el amperio-hora (I), combinada con la voltaje de la celda (E). A partir de la relación Potencia = Voltaje x Amperaje.

Es obvio que los dos factores se multiplican. Es posible calcular con precisión el amperaje, pero yo como E depende de varios factores, W sólo puede determinarse por el ensayo. Como el metal es depositado por la corriente continua, el requisito de potencia de una planta electrolítica debe incluir también las pérdidas de línea y del transformador. La potencia media o los requisitos energéticos de algunos metales es el siguiente.

cobre

La tabla anterior presenta información de operación e incluye la resistencia de la celda, eficiencia de amperaje, y otros factores adicionales.

Electro-Refinación y Electro-Deposición

El campo de la producción electrolítica de metales puede ser convenientemente separada en dos divisiones principales que pueden calificarse, brevemente, como la electro-refinación y electro-deposición. Las operaciones son similares en que ambos emplean la corriente directa, que pasa de los ánodos de cátodos convenientemente dispuestos en una celda que contiene un electrolito, y que en ambos tipos de operación, el metal puro se deposita en el cátodo

La diferencia esencial entre los dos procesos es que en electro-refinación un ánodo de aleación impuro es usado que se disuelve por la acción de la corriente, lo que se reabastece en el electrolito de una cantidad de metal aproximadamente equivalente a la cantidad depositada en el cátodo. En la electro-deposición, sin embargo, el ánodo está hecha de algún material como el plomo o el carbono que es insoluble en el electrolito, por lo que es necesario reponer el contenido de metal en el electrolito mediante la adición de un compuesto metálico que es soluble en el electrolito

Aunque la cantidad de metal refinado depositado por amperio-hora es el mismo en ambos procesos, la electro-deposición requiere más energía por libra de metal depositado que electro-refinación y los voltajes son por lo tanto mucho mayor para operaciones de electro-deposición, con el consiguiente aumento del consumo de energía. En el proceso de electro-refinación, cuando la celda está funcionando correctamente, no se liberan gases en ánodo o cátodo: en electro-deposición, un gas esta siempre liberándose en el ánodo cuando la celda está en funcionamiento. (Comúnmente, oxígeno o cloro es producido así).

Electro-Refinación

Usualmente el objetivo de la refinación electrolítica es separar uno de los metales en forma pura a partir de una aleación que contiene un alto porcentaje del metal deseado, por ejemplo, cobre y varios otros metales disueltos en el cobre o íntimamente mezclados con ella. Las impurezas pueden clasificarse en dos grupos: a) los metales que pueden ser más fácilmente que el cobre oxidado, por ejemplo, hierro, níquel, y b) los metales oxidados con menos facilidad de cobre -por ejemplo, oro, plata

Cobre:

En la actual operación de refinación de cobre, la impura de aleación de cobre, níquel, oro, etc., se convierte en una delgada placa plana, constituyendo el ánodo: el cátodo es generalmente una hoja de cobre electrolítico puro. Los ánodos y cátodos (30 a 40 de cada una) están inmersos en una celda que contiene sulfato de cobre y ácido sulfúrico, el cual actúa como un electrolito. La acción de la corriente eléctrica puede ser fácilmente visualizada recordando que la acción en el ánodo es siempre de oxidación, y reducción en el cátodo.

El paso de la corriente tiende a oxidar hierro, níquel y cobre en el ánodo. El oro o la plata no se oxidan en el ánodo mientras hay cobre metálico presente. Los óxidos metálicos son solubles en el ácido sulfúrico del electrolito y, como los sulfatos, son libres para moverse hacia el cátodo. En el cátodo el sulfato de cobre, siendo más fácil de reducir a otros sulfatos presentes, se descompone en metal de cobre y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico se devuelve al ánodo para disolver más cobre, completando así el ciclo. Ninguno de los otros sulfatos en el electrolito se descompone en el cátodo mientras hay sulfato de cobre para el actual a trabajar. De esta manera, el cobre se separa por solución preferente de oro y plata que se mantienen en el ánodo metálico finamente dividido de modo que formen un limo; es separado del hierro y el níquel en el cátodo por descomposición preferencial del sulfato.

Las relaciones de energía en una celda de este tipo son características de aquellos en todas las celdas donde se utilizan ánodos solubles. Cuando un compuesto como el sulfato de cobre es formado de cobre, oxígeno, y SO3, una cierta cantidad de energía es liberada o estará disponible en forma de calor o unidades eléctricas equivalentes. Por el contrario, cuando se descompone de sulfato de cobre para formar el cobre, oxígeno y SO3 exactamente la inversa es de verdad una cantidad igual de energía (calor o electricidad) es absorbida. En la celda con ánodos solubles, ambas reacciones están procediendo al mismo tiempo, de manera que la energía necesaria para la descomposición se deriva de la energía resultante de la combinación, el resultado final es que no se absorbe o disipa energía. Por lo tanto, la única nueva energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de la celda de ánodo soluble está representado por la tensión necesaria para superar la polarización, la resistencia de las células, etc. esta tensión es relativamente pequeña en el caso del electrolito formado de sulfato de cobre y ácido sulfúrico.

Otros metales impuros son refinados exactamente de la misma manera, aunque es necesario ajustar los electrolitos y otras condiciones de funcionamiento para adaptarse a cada uno de los metales, el requisito esencial es que el electrolito debe estar compuesto de solución de sal soluble del metal refinado

Plomo:

Una serie de plantas de plomo electrolítico están en operación, la separando plomo de cobre, antimonio, bismuto, oro, plata, etc. En esta operación el ánodo es sólo del 98% de plomo, con antimonio, cobre, oro, plata, etc., presentes como impurezas. Una solución fluosilicato de plomo y ácido hidrofluosilicico forman el electrolito (el ácido sulfúrico no lo haría, como el sulfato de plomo es insoluble). La acción de la celda es, con evidentes modificaciones, idéntica a la celda de refinación de cobre, con la excepción de que toda cantidad de estaño presente en el ánodo se disuelve con el plomo y es depositada en el cátodo.

Níquel:

El níquel es refinado electrolíticamente de níquel metálico o ánodos de sulfuro de níquel que contiene como impurezas de hierro, cobre, oro, plata, platino, paladio, etc. El electrolito contiene, principalmente, el sulfato de níquel en casi una solución neutra. Deben tomarse precauciones extraordinarias para garantizar que el electrolito en el cátodo es libre de cobre, hierro y otras impurezas. Cada cátodo está suspendida en un compartimiento de paredes porosas individuales- para que el electrolito pueda ser alimentado a una tasa predeterminada. El electrolito impuro dejando los ánodos es retirado de la celda y es purificado por la extracción de hierro, cobre, etc., antes de ser devuelto al compartimento del cátodo para la precipitación de níquel puro en el cátodo. De lo contrario, la base de operaciones se asemeja a que en la refinación del cobre.

Plata y Oro:

Comúnmente son plata y oro refinado por electrólisis de una solución de nitrato de plata neutro es el electrolito de la plata y el oro refinado a partir de una solución de cloruro de oro refinado

Metales Preciosos

Los ánodos utilizados en la refinación de metales básicos, el níquel, el cobre, el plomo y por electrólisis usualmente contienen oro, plata, platino, paladio, etc., así como el selenio y el teluro en alguna cantidad. En todo caso, estos metales, siendo menos fácilmente oxidados que el principal metal que constituye el ánodo, no se disuelven por la acción electrolítica, y permanecen en el ánodo en forma de partículas finamente divididas. Como el principal metal, por ejemplo el cobre- es en gran medida disuelto, el peso de las lamas del ánodo es pequeño en relación con el peso del ánodo original, y el anterior (metales y selenio y telurio) están concentradas en el material fino, junto con antimonio, arsénico, plomo, bismuto, etc.

Los métodos empleados para la separación y la recuperación de los metales presentes en las partículas finas están determinados por la composición de las lamas en cada caso individual. La lamas puede ser tostadas, tratadas químicamente, derretido y re-electrolizado, oxidado, lixiviados, etc., con el propósito de recuperar el antimonio, bismuto, selenio, telurio y el arsénico como subproductos y producir una aleación compuesta principalmente de metales preciosos- generalmente el oro y la plata, aunque los metales de platino a menudo están presentes en cantidades importantes. Las aleaciones de metales preciosos son tratadas químicamente y por métodos de refinación electrolítica para separar y recuperar los metales individuales.

La recuperación de metales preciosos y metales de productos derivados es una fase importante de la refinación electrolítica de metales comunes.

Electro-Deposición

El objeto de las operaciones de electro-deposición es descomponer un compuesto de un metal oxidado y depositar un metal puro en el cátodo, no sólo separar el metal de la ganga, pero en realidad la reducción a metal por primera vez. (Normalmente, en la electro-refinación, el metal aparece en forma metálica en el ánodo, la reducción ha sido efectuada por fundición o alguna operación similar) La Electro-deposición así proporciona un método de producción de metal de un mineral sin fundición.

El funcionamiento de un proceso de electro-deposición requiere que el metal recuperado en cierta forma en que puede ser disuelto en un electrolito adecuado, mientras que los ánodos debe estar compuesto de algún material insoluble en el electrolito. Los cátodos pueden tener cualquier forma adecuada, pero consisten generalmente del metal se trató de recuperar

Zinc:

La acción de la celda es relativamente fácil de explicar, y quizás se pueda ilustrar mejor la producción de zinc electrolítico. En esta operación, una solución neutra de sulfato de cinc se alimenta a la celda que contiene una serie de ánodos de plomo y cátodos cubiertos de zinc. La corriente eléctrica dejando el ánodo tendería a oxidar el plomo, como óxido de plomo no es soluble en ácido sulfúrico, la superficie del ánodo se vuelve inerte y el agua del electrolito se descompone para liberar el gas oxígeno e iones de hidrógeno. En el cátodo, la acción reductora de corriente descompone el sulfato de cinc, depositando zinc metálico en el cátodo y salen los iones de sulfato en la solución. Solución de sulfato de zinc neutra, por lo tanto, entrar en la celda se convierte en zinc metálico, oxígeno y ácido sulfúrico (iones de hidrógeno y los iones de sulfato). El ácido sulfúrico, así generado está generándose en la celda y se utiliza para disolver el óxido de zinc que se elabora tostando el concentrado de sulfuro de zinc.

El ácido Disuelve el óxido de zinc en preferencia al óxido de hierro, pero algunos otros óxidos también se disuelven en el ácido y la solución debe ser purificada antes de ser devuelto a la celda como sulfato de zinc, donde se repite el ciclo.

La esencia de la operación es que el óxido de zinc es químicamente disuelto, entra en la celda donde el oxígeno y el zinc son producidos y ácido se regenera para disolver más óxido. Básicamente, ha ocurrido que la celda proporciona un mecanismo para el suministro de corriente eléctrica a la energía necesaria para descomponer ZnO a sus elementos Zn y O. Esta es la diferencia fundamental entre electro-deposición y electro-refinación, y es esta energía un requisito que exige mayores voltajes en la electro-deposición. Como la electricidad es obtenida sobre la base de voltios y amperios, y el amperaje debe ser constante (la Ley de Faraday), el voltaje más alto significa mayores costos de energía. Por esta razón, las operaciones de electro-deposición casi invariablemente están ubicados en zonas de bajo consumo energético.

Cobre, Níquel, Cadmio:

La producción de cobre de algunas partes del mundo es producida por lixiviación y la electrólisis. La base es exactamente la misma que la descrita para el zinc, incluso con el uso de sulfato de cobre (electrolito de ácido sulfúrico). El níquel no es producido por este medio, debido a la insolubilidad de óxido de níquel. Sin embargo, el proceso podría fácilmente ser empleado si el carbonato de níquel, por ejemplo, está disponible como materia prima. El cadmio es recuperado de la planta de zinc como subproductos mediante un proceso electro-deposición parecido al proceso de zinc.

Aluminio, Magnesio:

Aluminio y magnesio son producidos por métodos-electro-deposición, el 100% del aluminio y la mayoría del magnesio está hecho de esta manera. Ninguno de estos metales puede ser reducido de compuestos en una solución acuosa de sales fundidas son usados como electrolitos Básicamente, las operaciones son las mismas que las ya descritas, pero las técnicas son muy diferentes.

En el caso del aluminio, el ánodo está compuesto de carbono, el cátodo es una celda de fundición de aluminio en la parte inferior de la celda y el electrolito se compone de fluoruros de aluminio de sodio en la cual se disuelve Al2O3 puro. El Al2O3 es preparado por medios químicos y se añade a la celda a intervalos regulares. La corriente eléctrica descompone el Al2O3, el depósito de aluminio puro en el cátodo, mientras que el oxígeno liberado en el ánodo se reacciona con el carbono en forma de CO2 que se escapa de la celda. El ánodo es insoluble en el electrolito, pero constantemente se consume y debe ser continuamente renovado. No hay productos secundarios de la celda.

La producción de magnesio es bastante diferente. El electrólito más adecuado es el cloruro de magnesio fundido mezclado con un álcali-cloruro, generalmente cloruro de sodio. Se utiliza un ánodo de grafito y un cátodo de acero -este último sirve sólo para conducir la corriente fuera de la celda. Metal de magnesio es liberado desde el cloruro en la superficie del cátodo de acero y, a medida que el metal tiene una gravedad específica menor que el cloruro, se eleva a la superficie del electrolito fundido, para ser retirados por medios mecánicos. El cloro generado en el ánodo se transporta por tuberías hasta un horno donde reacciona con carbono y MgO para producir MgCl2 anhidro, que a su vez es cargado a una celda electrolítica, completando así el ciclo. Cuando la Mg se produce a partir de agua de mar, el cloro se reduce a ácido clorhídrico que se utiliza para la conversión de Mg(OH)2 de MgCl2

Metales Preciosos

En el proceso de electro-deposición, sólo los metales solubles en la solución de lixiviación son recuperados a través de la electrólisis. Si un mineral contiene metales preciosos, es muy improbable que se recuperarán, como, por ejemplo, el ácido sulfúrico diluido utilizada para lixiviar minerales de cobre y zinc y calcinas no disuelven el oro o la plata. La aplicación de la electro-deposición está limitada a minerales que no contienen metales preciosos en cantidad suficiente para justificar su recuperación, a la luz de los minerales metálicos que normalmente no contienen metales preciosos, o los materiales de lata concentración tales como concentrados, matas y productos en los cuales el contenido de metales preciosos es tan alto que los residuos de la lixiviación puede ser procesado por métodos de fundición para recuperar el oro y la plata.

Cuando no hay metales base económicos, es posible tratar los metales precisos por cianuración, y la solución rica obtenida puede enviarse a un proceso de electro-deposición para tener un metal precipitado con lata contenido de oro y plata, este producto es tratado químicamente antes de someterlo a una etapa de fundición final.