Elettrolisi acquosa: elettrometallurgia

I processi estrattivi per l’ottenimento e la raffinazione dei metalli possono avvenire per elettrolisi acquosa o per elettrolisi ignea in sostituzione di quelli termici

Elettrolisi acquosa

L’ottenimento di un metallo per elettrolisi acquosa presuppone due stadi interconnessi, ma ben distinti nel processo globale. Il primo stadio è quello della liscivazione seguita eventualmente dalla purificazione della soluzione elettrolitica così ottenuta. Il secondo stadio è quello della elettrolisi.

La soluzione inviata alle celle con una determinata concentrazione dello ione metallico esce dalle stesse con una concentrazione minore. Poi è  rimandata allo stato di liscivazione chiudendo così il ciclo.
Onde evitare l’insorgere di processi secondari concorrenti solo una parte del metallo presente in forma ionica nella soluzione è depositato catodicamente.

Le celle di elettrolisi sono costituite da cassoni rettangolari in legno o in cemento con rivestimenti anticorrosivi. Gli elettrodi di dimensioni variabili da 1 mm a circa 1 cm sono disposti verticalmente con catodi e anodi alternati. Ciascun catodo si trova affacciato a due anodi e viceversa per tutta la lunghezza della cella.

Gli anodi contenuti nella cella sono cortocircuitati tra loro e analogamente lo sono i catodi con una disposizione degli elettrodi in parallelo.

Ne deriva che:

• la tensione applicata all’intera cella è pari a quella esistente tra ciascuna coppia anodo-catodo
• la corrente totale passante nella cella (amperaggio di cella) è pari alla somma delle correnti circolanti nelle singole unità costituite da un anodo e da un catodo.

Da tale disposizione deriva anche che ciascun elettrodo, essendo disposto per l’alternanza di anodi e di catodi fra due elettrodi di segno opposto lavora su entrambe le facce.

Materiale anodico

Nei processi di elettrolisi per l’ottenimento dei metalli il processo anodico  è dato normalmente dalla scarica di ossigeno: l’anodo pertanto è un anodo inerte il cui materiale costitutivo non appare nella stechiometria della reazione anodica. Il materiale anodico deve rispondere a determinati requisiti quali:

a)      Resistenza all’attacco nelle condizioni di elettrolisi

b)      Bassa sovratensione per la scarica dell’ossigeno

c)      Basso prezzo

Il materiale usualmente impiegato è il piombo di solito unito ad antimonio (< 10%) o con argento (< 1%) al fine di migliorarne la resistenza. La vita media degli anodi di piombo è dell’ordine di una decina di anni. Essi possono essere foggiati in forma di griglia ottenendosi così vantaggi di un minor peso, di una maggiore superficie e di una più facile circolazione dell’elettrolita.

Altri tipi di elettrodi, di più recente concezione, sono gli anodi di titanio ricoperto da un film di metalli e/o di ossidi elettrocatalizzatori. Tali anodi, studiati nell’ambito del processo soda-cloro trovano applicazione anche nella estrazione elettrolitica dei metalli dalle loro soluzioni cloridriche. Con opportune modifiche alla natura del film elettrocatalitico, anche dalle soluzioni solforiche. Quale materiale costituente il substrato catodico (nel corso dell’elettrolisi, poi, il metallo che si deposita funge da catodo) si può usare una lamina dello stesso metallo che si vuole depositare e di uguale purezza, e in questo caso il substrato di partenza resterà inglobato nel prodotto finale.

In alternativa si può utilizzare una lastra del metallo diverso da cui il deposito catodico è poi strappato manualmente al termine del ciclo dell’accrescimento del catodo. La purezza del deposito catodico è di norma molto alta ( 99.95% e più ) tanto da non richiedere generalmente ulteriori processi di raffinazione.

Purezza

La purezza è determinata dalla presenza di altri ioni di metalli più nobili o di nobiltà comparabile nella soluzione inviata all’elettrolisi. Dipende quindi dall’entità dei processi di purificazione ai quali la soluzione è sottoposta prima di essere introdotta nelle celle. Poiché i catodi estratti dalle celle sono poi fusi e colati in lingotti o pani o si può avere un parziale inquinamento del metallo per esempio da parte di fumi nel forno usato per la fusione nel corso di questa operazione finale.

I rendimenti di corrente sono sempre inferiori al 100%; a parte l’eventuale presenza di metalli codepositati al catodo ciò è dovuto essenzialmente alla:

a)     possibilità e entità di processi parassiti quali la scarica concorrenziale di idrogeno

b)    ridissoluzione del deposito per attacco da parte della soluzione areata, o per formazione di una coppia galvanica locale tra una impurezza che funge da area catodica per lo sviluppo di idrogeno e il metallo base circostante che funge da area anodica. Quest’ultimo caso di ridissoluzione per corrente galvanica, che si sovrappone al processo primario di deposizione catodica, può essere molto sensibile alla presenza nella soluzione di certe impurezze anche a livello di tracce come capita, ad esempio, nell’elettrolisi dello zinco.