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• Helen Huanca

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Examen de agentes de alisado electrolítico de cobre. Parte IV: Nucleación y crecimiento del cobre sobre acero inoxidable

Se estudió la nucleación y el crecimiento de cobre en acero inoxidable 316L a partir de sulfato de cobre acidificado sintético en ausencia y presencia de iones cloruro y / o aditivos orgánicos HydroStar® 4208, DXG-F7® y Cyquest® N-900 técnica potenciostática. Los datos de tiempo actual obtenidos a 0,16 V frente al SHE se analizaron usando modelos de nucleación y crecimiento. Las imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de depósitos producidos a 300 A / m2 muestran que la adición de iones cloruro 20 mg / l aumentó el tamaño y redujo el número de núcleos de cobre. Los datos potenciostáticos de corriente-tiempo del electrolito sin aditivos orgánicos, y confirmados por imágenes SEM, indican nucleación progresiva con crecimiento bidimensional bajo control de difusión. Ninguno de los aditivos orgánicos estudiados a una concentración de 2,5 mg / l con cloruro de 20 mg / l cambió el mecanismo de nucleación y crecimiento, pero los aditivos aumentaron el número y redujeron el tamaño de núcleos de cobre, lo que condujo a una cobertura más uniforme del acero inoxidable sustrato. Introducción El electrowinning del cobre es un proceso importante en la fabricación de metal de cobre de alta pureza. Aproximadamente el 20 por ciento del cobre refinado del mundo se produce a partir de soluciones acidificadas de sulfato de cobre por electroerosión (Schlesinger, Sole y Davenport, 2011). En muchas plantas, el cobre es electrodepositado sobre sustratos de acero inoxidable AISI 316L durante un periodo de 6-7 días, después de lo cual el cobre se desprende de los espacios en blanco. A pesar de que el tiempo de deposición para un circuito comercial de extracción electrolítica de cobre es alrededor de una semana, es críticamente importante controlar la nucleación, el crecimiento y la naturaleza del depósito inicial (Sun y O'Keefe, 1992). La morfología y estructura del depósito son influenciadas por la densidad de corriente real en la superficie del electrodo. La densidad de corriente real a través de la superficie del cátodo se hace uniforme mediante el diseño adecuado de la celda de electroabsorción y los electrodos y una práctica operativa cuidadosa. Incluso con buen diseño y control, se produce alguna mala distribución actual. El resultado de una mal distribución severa es que los depósitos que afectan el producto calidad y / o aumento del consumo de energía. Para combatir la mala distribución actual y crear una ventana operativa más grande en términos de densidad de corriente, temperatura y concentración de cobre, se añaden pequeñas cantidades de agentes orgánicos de alisado tradicionalmente, productos de guar - a electrolitos de electroerosión de cobre. Además, estos aditivos inhiben el crecimiento de nódulos de cobre y conducen a una mejor calidad de depósitos mediante la producción de cátodos brillantes, lisos y densos.

Recientemente, se ha descrito el empleo de polisacáridos, tales como HydroStar 4208 y DXG-F7, y poliacrilamidas, tales como Cyquest N-900, en depósitos comerciales de electrolización como reemplazos para guar (Ashford, Clayton y Sandoval, 2012; Robinson et al., 2013; Sandoval, Morales y Bernu, 2010). Sin embargo, se ha publicado poca información sobre el efecto de estos nuevos aditivos orgánicos, especialmente en lo que respecta a los mecanismos de nucleación y crecimiento de los electrodepositos de cobre en su presencia. En la Tabla 1 (Thirsk y Harrison, 1972) se presentan las relaciones de densidad de la corriente versus tiempo para la nucleación y crecimiento potenciostático en una dimensión (agujas), dos dimensiones (forma cilíndrica) y tres dimensiones (forma hemisférica). La densidad de corriente medida, i, es proporcional al tiempo a la potencia n, tn (n = 0,5, 1, 1,5, 2 y 3). Estas relaciones se han utilizado para examinar el mecanismo de electrodeposición de cobre sobre sustratos de acero inoxidable y titanio (Sun y O'Keefe 1992, Dutra y O'Keefe, 1999) y otros sistemas (Hills et al., 1974). La caracterización electroquímica de los efectos del cloruro y de los aditivos orgánicos utilizando voltamperometría cíclica, espectroscopia de impedancia electroquímica y técnicas galvanodinámicas, cronopotenciométricas y cronoamperométricas se presentó en las Partes II y III de esta serie (Luyima et al., 2016, Cui et al., 2016). En esta última parte se presenta un estudio experimental de los efectos del cloruro, HydroStar 4208, DXG-F7 y Cyquest N-900 sobre los mecanismos de nucleación y crecimiento durante la extracción electrolítica de cobre a partir de electrolitos sintéticos de sulfato en cátodos de acero inoxidable. Transitorios actuales de los experimentos potenciostáticos junto con el microscopio electrónico de barrido (SEM) imágenes se utilizaron para determinar estos mecanismos. Conclusiones Se utilizó una configuración de células de tres electrodos no activada para realizar mediciones potenciostáticas para elucidar los mecanismos de nucleación y crecimiento durante las fases iniciales de extracción electrolítica de cobre usando restos de acero inoxidable en presencia de aditivos que consisten en cloruro, HydroStar, DXG-F7 y Cyquest N-900 . Basándose en los modelos teóricos de nucleación y crecimiento, se logró un buen acuerdo entre la teoría y las micrografías de SEM de los depósitos producidos en la densidad de corriente comercialmente relevante de 30 mA / cm2. El mecanismo dominante para la nucleación y crecimiento del cobre en acero inoxidable 316L en un electrolito de 40 g / L de cobre y 160 g / L de H2SO4 a 40 ° C parece ser una nucleación progresiva con crecimiento bidimensional bajo control de difusión. El análisis SEM también señaló un posible crecimiento tridimensional en potenciales más catódicos en presencia de cloruro sin aditivos orgánicos. La adición de pequeñas cantidades de 2,5 mg / l de los aditivos orgánicos Hydrostar, DXG-F7 y Cyquest N-900 no parecen afectar al mecanismo de nucleación y crecimiento. Sin embargo, los agentes suavizantes dieron como resultado una reducción del tamaño y un aumento del número de núcleos, lo que condujo a una distribución más uniforme a través del sustrato de acero inoxidable. En las concentraciones evaluadas, Cyquest N-900 produjo la mejor cobertura.