Treatment, by electrodialysis, of a synthetic wastewater from the cyanide-free brass electroplating and study on ion transport: recovery of water and chemicals

Abstract

[EN] Growing concerns about environment and human health have led to the development of cleaner industrial processes. In recent years, the replacement of cyanide by EDTA in the brass electroplating baths has been assessed. However, the treatment of the wastewater generated has not been studied yet. Traditionally, wastewaters from electroplating processes are treated by chemical precipitation, which requires the addition of chemicals and produces sludges that are disposed in hazardous waste landfills. Hence, other techniques must be investigated and electrodialysis is a promising alternative since it allows the recovery of metals and water. Although electrodialysis is generally operated at current densities lower than the limiting current density of the membrane system (underlimiting), researchers have verified that operations at current densities above the limiting one (overlimiting) improve the ions transfer. To ensure its feasibility, studies on transport properties of ionic species are crucial and, among the dynamic characterization methods, chronopotentiometry stands out, since the dynamic voltage response in time can be analyzed. Therefore, this thesis aims to propose an alternative to the treatment of a synthetic solution that simulates the major wastewater from the cyanide-free brass electroplating industry. Firstly, chronopotentiometric tests were performed to compare transport properties of Cu2+ ions, in acid medium, across two ion exchange membranes, the PC-SK and the HDX100. The use of HDX membrane in electrodialysis showed to be more appropriate, due to its lower tendency of fouling/scaling occurrence. Then, transport properties of copper and zinc complexes, present in the synthetic wastewater from the brass electroplating, across the anion exchange membrane HDX200 were assessed. The effects of the solution pH, Cu2+/Zn2+ proportion and EDTA concentration on the transport properties were studied. For the solution with Cu2+/Zn2+ proportion of 0.4, an insoluble species was formed. Therefore, the synthetic wastewater with this metals proportion was treated, by electrodialysis in underlimiting and overlimiting conditions, to assess the influence of the current regime and the presence of insoluble species on the extraction of ions. The overlimiting operation was more advantageous since water splitting and electroconvection accounted for the improvement of the extraction of ions. Besides, chronopotentiometric studies showed that fouling/scaling occurrence was reduced. Then, the used membranes were forwarded to a three stage cleaning procedure and the cleaning solution with 0.1 mol NaOH/L was the most appropriate. Lastly, ions from the concentrated solution obtained by electrodialysis were recovered into the electroplating bath. Cyclic voltammetric studies and electrodeposition tests were conducted at a rotating disk electrode. Uniform brass electrodeposits, with brightness and without cracks were obtained using the original electroplating bath and after the recovery of ions from electrodialysis, especially under agitation and at lower voltages than those already tested in literature. Thus, electrodialysis showed to be a feasible alternative for recovering water and inputs from the evaluated wastewater.

[ES] Las crecientes preocupaciones por el medio ambiente y la salud humana han llevado al desarrollo de nuevos procesos industriales. En los últimos años, se ha evaluado la sustitución del cianuro por EDTA en los baños de electrodeposición de latón. Sin embargo, el tratamiento de las aguas residuales generadas no se ha estudiado aún. Tradicionalmente, los efluentes de los procesos de electrodeposición se tratan por precipitación química, que requiere la adición de reactivos y produce lodos que se almacenan en los vertederos de residuos peligrosos. Por lo tanto, es necesario investigar otras técnicas y la electrodiálisis es una alternativa prometedora, ya que permite la recuperación de metales y del agua. Aunque la electrodiálisis generalmente se opera a corrientes inferiores a la corriente límite del sistema de membrana (underlimiting), algunos investigadores han verificado que las operaciones a corrientes superiores a la límite (overlimiting) intensifican la transferencia de iones. Para garantizar su viabilidad, los estudios sobre las propiedades de transporte de los iones son cruciales y, entre los métodos de caracterización, la cronopotenciometría destaca por permitir el análisis del voltaje en función del tiempo. Por lo tanto, esta tesis tiene por objetivo proponer una alternativa al tratamiento de una disolución sintética que simula las aguas residuales de la industria de electrodeposición de latón libre de cianuro. Primero, se realizaron pruebas cronopotenciométricas para comparar las propiedades de transporte de iones Cu2+, en medio ácido, a través de dos membranas de intercambio iónico, la PC-SK y la HDX100. El uso de la HDX en electrodiálisis demostró ser más apropiado debido a su menor tendencia a formar incrustaciones. Luego, se evaluaron las propiedades de transporte de los complejos de cobre y zinc, presentes en las aguas residuales de la electrodeposición de latón, a través de la membrana de intercambio aniónico HDX200. Se estudiaron los efectos del pH, la proporción Cu2+/Zn2+ y la concentración de EDTA sobre las propiedades de transporte. Para la disolución con una proporción Cu2+/Zn2+ de 0.4, se formó una especie insoluble. Por lo tanto, se trataron las aguas residuales con esta proporción de metales, por electrodiálisis en condiciones underlimiting y overlimiting, para evaluar la influencia de la corriente eléctrica y la presencia de especies insolubles en la extracción de los iones. La operación overlimiting se mostró más ventajosa, ya que la hidrólisis del agua y la electroconvección mejoraran la extracción de los iones. Además, los estudios cronopotenciométricos mostraron que se reducen las incrustaciones. Luego, las membranas se sometieron a un procedimiento de limpieza de tres etapas y la disolución de limpieza con 0.1 mol de NaOH/L se mostró más apropiada. Finalmente, los iones de la disolución concentrada obtenida por electrodiálisis se recuperaron en el baño de electrodeposición. Se realizaron estudios de voltametría cíclica y pruebas de electrodeposición en un electrodo de disco rotatorio. Se obtuvieron depósitos de latón uniformes y con brillo, utilizando el baño original y después de la recuperación de iones, especialmente con agitación y a voltajes más bajos que los ya probados en la literatura. Por lo tanto, la electrodiálisis demostró ser una alternativa factible para recuperar agua y materias primas de las aguas residuales evaluadas.

[CA] Les creixents preocupacions pel medi ambient i la salut humana han conduït al desenvolupament de nous processos industrials. En els últims anys, s'ha avaluat la substitució del cianur per EDTA als banys d'electrodeposició de llautó. No obstant això, el tractament de les aigües residuals generades no s'ha estudiat encara. Tradicionalment, els efluents dels processos d'electrodeposició es tracten per precipitació química, que requereix l'addició de reactius i produeix fangs que s'emmagatzemen en els abocadors de residus perillosos. Per tant, és necessari investigar altres tècniques i l'electrodiàlisi és una alternativa prometedora, ja que permet la recuperació de metalls i de l'aigua. Tot i que l'electrodiàlisi generalment s'opera a corrents inferiors al corrent límit del sistema de membrana (underlimiting), alguns investigadors han verificat que les operacions a corrents superiors al límit (overlimiting) intensifiquen la transferència de ions. Per garantir la seua viabilitat, els estudis sobre les propietats de transport dels ions són crucials i, entre els mètodes de caracterització, la cronopotenciometria destaca per permetre l'anàlisi del voltatge en funció del temps. Per tant, aquesta tesi té per objectiu proposar una alternativa al tractament d'una dissolució sintètica que simula les aigües residuals de la indústria d'electrodeposició de llautó lliure de cianur. Primer, es van realitzar proves cronopotenciomètriques per comparar les propietats de transport de ions Cu2+, en medi àcid, a través de dues membranes d'intercanvi iònic, la PC-SK i l`HDX100. L'ús de l'HDX en electrodiàlisi va demostrar ser més apropiat a causa de la seua menor tendència a formar incrustacions. Després, es van avaluar les propietats de transport dels complexos de coure i zinc, presents a les aigües residuals de l'electrodeposició de llautó, a través de la membrana d'intercanvi aniònic HDX200. Es van estudiar els efectes del pH, la relació molar Cu2+/Zn2+ i la concentració d'EDTA sobre les propietats de transport. Per a la dissolució amb una proporció Cu2+/Zn2+ de 0,4, es va formar una espècie insoluble. Per tant, es van tractar les aigües residuals amb aquesta proporció de metalls per electrodiàlisi en condicions underlimiting i overlimiting, per avaluar la influència del corrent elèctric i la presència d'espècies insolubles en l'extracció dels ions. L'operació overlimiting es va mostrar més avantatjosa, ja que la hidròlisi de l'aigua i l'electroconvecció milloren l'extracció dels ions. A més, els estudis cronopotenciomètrics van mostrar que es redueixen les incrustacions. Després, les membranes es van sotmetre a un procediment de neteja de tres etapes i la dissolució de neteja amb 0,1 mol d'NaOH/L es va mostrar més apropiada. Finalment, els ions de la dissolució concentrada obtinguda per electrodiàlisi es van recuperar al bany d'electrodeposició. Es van realitzar estudis de voltametria cíclica i proves d'electrodeposició en un elèctrode de disc rotatori. Es van obtenir dipòsits de llautó uniformes i brillants, en utilitzar el bany original i després de la recuperació de ions, especialment amb agitació i a voltatges més baixos que els ja provats en la literatura. Per tant, l'electrodiàlisi va demostrar ser una alternativa factible per recuperar aigua i matèries primeres de les aigües residuals avaluades.

[PT] Preocupações crescentes com o meio ambiente e com a saúde humana têm levado ao desenvolvimento de novos processos industriais. Nos últimos anos, a substituição do cianeto pelo EDTA nos banhos de eletrodeposição de latão tem sido avaliada. No entanto, o tratamento dos resíduos líquidos gerados ainda não foi estudado. Tradicionalmente, resíduos líquidos provenientes de indústrias galvânicas são tratados por precipitação química, que requer a adição de reagentes e produz lamas que são descartadas em aterros de resíduos perigosos. Portanto, outras técnicas devem ser investigadas e a eletrodiálise é uma alternativa promissora, pois permite recuperar os metais e a água. Embora a eletrodiálise seja geralmente operada sob densidades de corrente inferiores à densidade de corrente limite do sistema da membrana (underlimiting), alguns pesquisadores têm verificado que operações sob densidades de corrente superiores à limite (overlimiting) intensificam a transferência dos íons. Para garantir sua viabilidade, estudos sobre propriedades de transporte das espécies iônicas são cruciais, e dentre os métodos de caracterização dinâmica, a cronopotenciometria se destaca por permitir a análise da diferença de potencial entre as membranas em função do tempo. Portanto, esta tese tem como objetivo propor uma alternativa ao tratamento de uma solução sintética que simula o principal resíduo líquido proveniente da indústria de eletrodeposição de latão, isenta de cianeto, com EDTA. Primeiramente, testes cronopotenciométricos foram realizados a fim de comparar as propriedades de transporte dos íons Cu2+ , em meio ácido, através de duas membranas trocadoras de cátions, a PC-SK e a HDX100. O uso da HDX mostrou-se mais adequado, devido à menor tendência de ocorrência de incrustações na sua superfície. Em seguida, foram avaliadas as propriedades de transporte dos complexos de cobre e zinco, presentes no resíduo líquido da eletrodeposição de latão, através da membrana trocadora de ânions HDX200. Os efeitos do pH, proporção de Cu2+/Zn2+ e concentração de EDTA foram investigados. Com a solução de proporção Cu2+/Zn2+ de 0,4; uma espécie insolúvel foi formada. Portanto, o resíduo líquido com essa proporção de metais foi tratado, por eletrodiálise, em condições underlimiting e overlimiting, para avaliar o efeito da intensidade de corrente e a presença de espécies insolúveis na extração dos íons. A operação overlimiting foi mais vantajosa, já que a quebra das moléculas de água e eletroconvecção favoreceram a extração dos íons. Além disso, estudos cronopotenciométricos mostraram que as incrustações nas membranas foram reduzidas. Em seguida, as membranas foram submetidas a um procedimento de limpeza em três etapas e a solução de NaOH em 0,1 mol/L foi a mais adequada. Por fim, os íons da solução concentrada obtida por eletrodiálise foram recuperados no banho. Estudos de voltametrias cíclicas e eletrodeposições foram realizados em um eletrodo de disco rotativo. Depósitos uniformes de latão e com brilho foram obtidos utilizando o banho original e após a recuperação dos íons, principalmente sob agitação e em potenciais inferiores aos que já foram testados na literatura. Portanto, a eletrodiálise se mostrou uma alternativa viável para recuperar água e insumos do resíduo líquido avaliado.