Recuperación electroquímica de níquel de efluentes con bajas concentraciones (menores a 500 ppm) provenientes de los enjuagues de la Industria de la Galvanoplastia - Hernández Tapia, Juan Ricardo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2014)
En esta investigación, se aborda la electrorecuperación de níquel, principalmente en soluciones con bajas concentraciones de Ni (II) (menores a 500 ppm), en ausencia de un electrolito soporte, que simulan efluentes característicos provenientes de los enjuagues de la industria de la galvanoplastia. Este estudio tiene el propósito de conocer las variables que afectan directamente la electrorecuperación de níquel, principalmente en soluciones diluidas. Los parámetros obtenidos son utilizados para encontrar las condiciones de operación de un reactor de cilindro rotatorio para recuperar níquel metálico con el menor consumo energético y sin fragilización del níquel (inclusión de hidrógeno). La baja concentración de níquel (menor a 500 ppm) y su potencial de reducción cercano a la reducción de protones, representan un gran reto a vencer para cumplir con los objetivos propuestos. Para establecer las condiciones de recuperación de níquel a partir de soluciones diluidas (100 ppm y 200 ppm Ni(II)), se lleva a cabo un estudio a nivel microelectrólisis, utilizando técnicas electroquímicas como Voltamperometría, Cronoamperometría y Cronopotenciometría para la reducción de níquel sobre acero inoxidable 316, mostrando que para este tipo de efluente característico y el tipo de sustrato sobre el cual se deposita, se requiere de un sobrepotencial de -0.46 V, para lograr el depósito de níquel, además de encontrar una fuerte contribución de la reducción de los protones; por esto se ha considerado que es un sistema de transferencia de carga lento y asociado a un mecanismo de reducción complejo. Por lo cual se llevó a cabo un estudio voltamperométrico de reducción de níquel sobre níquel metálico, donde se estableció un modelo cinético que considera: la baja concentración de Ni(II), la variación de la fuerza iónica (bajas conductividades) y la reducción de dos especies de níquel (Ni²⁺ y NiSO4). Con este modelo se lograron muy buenos ajustes de los voltamperogramas experimentales en diferentes condiciones, con lo que se obtuvieron diferentes parámetros electrocinéticos, de difusión y de migración. Además, a través del modelo se determina la magnitud de las corrientes parciales de las diferentes etapas que ocurren simultáneamente en el proceso de reducción de níquel; mostrando que la reducción de los H⁺ se lleva a cabo a menores sobrepotenciales, posteriormente la reducción de Ni (II) y, por último, a potenciales más negativos, la reducción de agua. Los resultados generales de la reducción de níquel, del modelo permiten establecer las condiciones de operación en un reactor de cilindro rotatorio con control de pH, donde se recuperó el níquel de forma metálica (98% de recuperación), para las concentraciones diluidas de interés (100 y 200 ppm). Se estableció una excelente viabilidad económica para un proceso industrial a pesar de tener bajas concentraciones, con costos de operación de 8.36 (100 ppm) y 3.04 (200 ppm) USD kg⁻¹ y beneficios globales de la recuperación electroquímica de níquel son de: 9.64 (100 ppm) y 14.69 (200 ppm) USD kg ⁻¹ níquel recuperado al 90%, estableciendo con esto la viabilidad económica del proceso. Estas estimaciones se basan en el precio internacional de mercado para el níquel ($ 18 USD kg ⁻¹).; This research focuses to analyze the electrochemical recovery of nickel from low Ni(II) concentrated electrolytes (< 500 ppm) in the absence of a supporting electrolyte, simulating typical rinsing effluents from the plating industry. Thus, the present work intends to determine the variables that directly affect the recovery of nickel under diluted conditions in a rotating cylinder electrode reactor, operating at low energy consumptions without nickel and hydrogen embrittlements. Low Ni(II) concentrated electrolytes and the more negative potential of Ni(II) reduction compared to H+ reduction represent a major challenge to fulfill with the proposed objectives. In order to establish the experimental conditions to perform the electrochemical recovery of nickel under diluted conditions (100 and 200 ppm Ni(II)), a microelectrolysis study of the Ni(II) reduction process was conducted utilizing electrochemical techniques such as: voltammetry, chronoamperometry and chronopotentiometry on 316 stainless steel. This analysis revealed that an onset overpotential of -0.46 V is needed to achieve the nickel deposition, which proceeds along with the H+ reduction; whence the present system is complex and considered as sluggish to perform a charge-transfer. Consequently, a voltammetric study was carried out to further explore the kinetics of Ni(II) reduction onto nickel substrates. A physicochemical model considering: low Ni(II) concentrated electrolytes, ionic strength variation (i.e. low conductivity), transport phenomena and the simultaneous reduction Ni²⁺ and NiSO4 species governed by equilibrium conditions, was derived and numerically solved. Adequate descriptions of the systems were obtained by fitting the experimental data with the transient model utilizing non-linear regression subroutines. Quantitatively, kinetic (rate constants, charge transfer coefficients) and transport parameters (diffusivities, mobilities) were obtained from this process, which account for the system rates. The model enabled to compute the magnitude of the partial current densities associated with the multiple stages that simultaneously occur during the nickel deposition, showing that H⁺ reduction is the first faradaic reaction to kinetically arise at more positive potentials, followed by Ni(II) and water reduction at more negative potentials, respectively. In general, these results supported the implementation of a rotating cylinder electrode reactor with pH control, where metallic nickel (98 % recovery) was recovered from the diluted solutions containing 100 and 200 ppm Ni(II). A feasible and tractable viability was demonstrated for this process on the basis of its operating costs 8.36 (100 ppm) and 3.04 (200 ppm) USD kg⁻¹, and considering overall economic profits of 9.64 (100 ppm) y 14.69 (200 ppm) USD kg⁻¹ (90 % recovery), regardless of the absence of a supporting electrolyte and low Ni(II) concentration. These appraisals rely on the international market prices for nickel ($ 18 USD kg⁻¹).