ingeniería de los procesos electroquímicos

Abstract [Electrochemical Engineering:Origins and objectives]Issued 30 years ago from the organized chemicalengineering, electrochemical process engineering,more frequently called electrochemical enginee-ring, is today a specific branch of the process engi -neering. It applies in several industrial fields, as forexample the cleaning of liquid effluents. The paperrecalls the origins of the electrochemical engineeringand presents a few orientations of this disciplineregarding to electrochemical reactors.

La obra pionera de D. J. Pickett (1977) inició una seriede libros dedicados a la Ingeniería Electroquímica.Hoy día, entre la decena de versiones originales deesos libros aquí citados en la bibliografía, una solaestá en español (Cœuret, 1992). Sin embargo, con-viene notar que también existen libros de Electro -química Industrial y otros dedicados específicamen-te a los fenómenos de transporte en electroquímica.

¿Qué le dio origen y cuál es el objeto de laIngeniería Electroquímica, locución comúnmenteutilizada para designar la Ingeniería de los ProcesosElectroquímicos? Son preguntas a las cuales el pre -sente texto pretende dar respuesta, complementan-do y actualizando así un artículo anterior (Cœuret,1996).

Reseña histórica sobre la ingeniería químicaLa Ingeniería Electroquímica —o Ingeniería de losProcesos Electroquímicos— apareció al principio delos años setenta como resultado de la interacciónde la Electroquímica y de sus aspectos industrialescon la Ingeniería Química, cuyo desarrollo habíasido tal, que sus conocimientos y sus métodos resul -

taban muy útiles en diferentes ramas industriales detransformación físico-química de la materia y de laenergía.

Conviene presentar en algunas líneas cuáles fue-ron las principales etapas del desarrollo de la Inge-niería Química hasta los años 1970.

Surgido alrededor de 1890 en Norte América, elprofesional chemical engineer (en los países de hablaespañola fue, pero más tarde, el ingeniero químico)había sido imaginado para dedicarse a la realizacióny al funcionamiento de las plantas de la industriaquímica. En aquella época, la economía exigía laconcepción de unidades químicas que pudieran fa-bricar nuevos productos recientemente conocidospero todavía no comercializados. Como lo muestrala figura 1, su competencia se veía entre la delquímico industrial (buenos conocimientos de quími-ca, pero pocos de térmica y/o de mecánica) y la delingeniero especializado en térmica o en mecánica(con pocos conocimientos de química). La razón fueque, al no comprenderse bien estos dos últimos, lainnovación en cuestión de procesos era frenada. Alingeniero químico se lo vio entonces como un pro-fesional que se dedicaría específicamente a los pro-cesos. Sin embargo, a principios del siglo XX, élpracticaba más arte que ciencia.

Se puede considerar que a lo largo del tiempo yhasta la década de los años 1970, la evolución de laingeniería química (o disciplina del ingeniero quími-co) se hizo en cuatro etapas sucesivas, cada unamarcada por un nuevo concepto determinante:— el concepto de “operación unitaria” (1915) per -

mitió considerar cualquier proceso químicocomo una serie coordinada de operaciones uni-tarias en las cuales intervenía una transforma-ción física o un tratamiento físico o mecánico; aestas operaciones se sumaban uno o varios pro-cesos unitarios, sedes de transformaciones quí -micas. Fue durante la etapa correspondiente a laaparición y al comienzo del desarrollo de eseconcepto que la transferencia tecnológica hizoque, bajo la denominación “ingeniería química”,el concepto angloamericano del chemical enginee-ring pasó a los países hispano-americanos comofue recordado por Valiente y Stivalet (1988);

PROFESORES AL DÍA [Ingeniería electroquímica]

Ingeniería de los procesos electroquímicos¿De dónde viene y en qué consiste?François Cœuret*

Educación Química agradece al Dr. Pedro Roquero las correc-ciones que introdujo al escrito original del Dr. Cœuret.* Actualmente consultor en ingeniería química/electroquímica(rue de Rennes, 35235 Thorigné-Fouillard, France), el autor fueDirector de Investigación en la U.M.R. C.N.R.S. n 6607, E.P.U.N.,B.P. 50609 - 44306 Nantes Cedex 3 (France).Correo electrónico: [email protected]: 6 de junio de 2006; aceptado: 10 de febrero de2007.

Es realmente difusa labarrera entre la revisiónde la investigación de untema especializado y unacontribución para laactualización docente.

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— el concepto de “fenómenos de transporte”(1950), cuya madurez se materializó en el famo-so libro de Bird, Stewart y Lighfoot (1960/1964),permitió dar una base analítica común a lasoperaciones unitarias, como lo deja comprenderla figura 2 cuyo centro metodológico muestra, alo largo de una placa plana, tres perfiles quecorresponden respectivamente a tres transpor -tes (de materia, de calor, de cantidad de movi -miento). Después, con el tiempo, ese conceptode fenómenos de transporte llegó a constituiruna materia importante a nivel de la enseñanzade la ingeniería química y también a ser unapotente herramienta entre las manos de los in-vestigadores en el campo de la disciplina;

— el concepto de “ingeniería de las reaccionesquímicas” vino organizándose a partir de 1957para conocer mejor el funcionamiento de losequipos donde ocurren reacciones químicas ypara contribuir al diseño de esos equipos. Aldedicarse a las partes de los procesos que habíansido dejadas de lado por las operaciones unita -rias, esa nueva rama, basándose sobre la nociónde reactor químico, venía a completar las basesanalíticas de los fenómenos de transporte. Elreactor apareció como el corazón del proceso,es decir como un órgano vital que debe funcio-nar lo mejor posible, no tanto por su costo sinoporque su buen diseño y su buen funcionamien -to pueden influenciar la importancia de etapasde separación generalmente costosas;

— finalmente, el concepto de “sistema”, o de “sis-témica”, es decir de descripción macroscópica

(por oposición al análisis sistemático, es decirdetallado), se difundió durante los años sesentay setenta desde los Estados Unidos de Américadonde había aparecido. Se trataba de un métodoglobal de descripción de los sistemas complejoscomo lo son los sistemas industriales, métodoque se concretizaba también en la modelización“sistémica” de procesos químicos, es decir en sudescripción por modelos. El modelo no es unaestricta representación de esa compleja realidad,sino un esquema simplificado que es compren -sible y capaz de describir, en ciertas condicionesy con ecuaciones matemáticas simples, la apa-riencia de esa realidad.

Es así que, al principio de los años setenta, laIngeniería Química estaba ya establecida como cien-cia. Gracias a cierta cantidad de arte, siempre (y aúnahora) necesaria, esta ciencia permitió entonces alingeniero químico diseñar y hacer funcionar lasplantas químicas. Tal vez conviene subrayar que sila palabra “química” está presente en su denomi-nación, en los hechos la ingeniería química se ase-meja más a una ciencia física; en efecto, si estádedicada a la producción industrial de compuestosquímicos, la mayoría de las operaciones que inter-vienen en éstas son de naturaleza física o mecánica,a pesar de la existencia de algunas operaciones quí-micas que ocurren generalmente en el reactor (ocorazón del proceso) en el cual también los aspectosfísicos (y sobre todo térmicos) y/o dinámicos sonmuy a menudo controlantes.

Se ha de reconocer que, en las últimas décadas,


Figura 1. El ingeniero químico entre el químico industrial y elingeniero especializado en térmica y/o en mecánica

Figura 2. Los fenómenos de transporte como base científica de lasoperaciones unitarias

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el considerable desarrollo de las computadoras y suuso cada día más intensivo, vinieron a dar un aspectomás moderno a la ingeniería química, gracias a lassoluciones rápidamente obtenidas de ciertos proble-mas, a la simulación asistida por computadora y almanejo informatizado de los procesos. Sin embargo,los conceptos de operación unitaria, de fenómenosde transporte y de reactor químico, quedan hoy díacomo conceptos básicos de la disciplina.

De la electroquímica industrial a laingeniería electroquímicaLos procesos electroquímicos industriales surgieronen las últimas décadas del siglo XIX como conse-cuencia de la aparición, casi conjunta, de la produc-ción intensiva de corriente continua con dínamosusando energía hidráulica, y de la adecuada teoríade la electrólisis o teoría de Arrhenius de la disocia-ción electrolítica. Esta última teoría fue propuesta en1887, justo el año en que el profesional chemicalengineer fue imaginado en Inglaterra (Manchester)antes de que la idea pasara a Norteamérica, como seha dicho anteriormente. Si se puede tomar el ejem -plo de Francia, la industria electroquímica aparecióy se desarrolló efectivamente en la zona montañosade los Alpes donde había energía hidráulica; eso sehizo principalmente alrededor de los problemasplanteados por las producciones de clorato, así comode cloro y de sosa o de sodio por electrólisis delcloruro de sodio, sea en medio acuoso, sea en mediofundido. Fue interesante observar (Cœuret, 1993), alleer patentes francesas de los años 1890 —patentescuyos autores marcaron con sus nombres la historiade la electroquímica industrial en su país— cómo las

ideas innovadoras fracasaban por no tomar en cuen-ta (o, más bien, ignorar) la existencia de iones en lassoluciones acuosas, independientemente del paso ono de la corriente eléctrica.

Para ilustrar esto, tomemos el ejemplo de lacelda electrolítica cuyo esquema se reprodujo enla cubierta del libro de Cœuret (1992), y que se presen-ta aquí en la figura 3. Este concepto de celda vienede una patente francesa tomada por Hulin(1893/1894) al terminarse el siglo XIX. Para producircloro y sosa por electrólisis de soluciones acuosas deNaCl, con vista a satisfacer las necesidades de lasindustrias papeleras de la zona, su inventor imaginóuna celda en la cual el cátodo era poroso como parapermitir la extracción inmediata de los productoscatódicos, es decir en este caso el hidróxido de sodio,y entonces evitar su mezcla con el electrolito aún notransformado. Debido a una diferencia de nivel entrelos dos compartimientos de la celda (figura 3), elcloruro de sodio en fase acuosa fluía de la derecha ala izquierda a través del cátodo poroso, y se transfor-maba en hidróxido de sodio diluido; al no mezclareste último con el cloruro de sodio alimentado a lacelda se evitaba la formación de hipoclorito de so-dio. El lector notará que la fórmula química delproducto (el hidróxido de sodio diluido) que sale pordesborde del compartimiento catódico es NaO,HOy no NaOH. Esto viene del hecho que, en 1893,Hulin razonaba todavía según el concepto químicode los equivalentes, y con un peso atómico de 8 envez de 16; HO era el agua y NaO el protóxido desodio.

Pionera en cuanto al uso de electrodos porosos,la celda de la figura 3 no tuvo éxito para la aplicaciónproyectada; probablemente eso fue por la doblerazón que Hulin, al desconocer la disociación iónicay entonces la conducción iónica dentro de los porosdel cátodo poroso, no pensaba que la reacción pu-diera ocurrir dentro de los poros mismos —pensabaque sólo ocurría en el límite del cátodo enfrentadoal ánodo— y también porque no consideraba la evo-lución catódica de hidrógeno (¡justamente dentro de losporos!). Entonces, el aparente fracaso de esta celda—que, sin embargo, debe probablemente cons derarsecomo la primera usando electrodo poroso percolado—en aquel tiempo, venía a demostrar, como un ejem-plo más, la validez de la teoría de Arrhenius. Otrosesquemas de celdas usando electrodos porosos de es tetipo figuraban en la patente de Hulin. El lectorinteresado por comentarios más detallados sobreesta patente podría dirigirse a cualquiera de los libros


Figura 3. Esquema de la principal celda de la patente francesa deHulin (1893/1894)


de Cœuret publicados en 1992 y 2003, libros quededican a esa patente el anexo de un capítulo.

En un artículo (Cœuret, 1993) se mostró quepatentes de la misma época contienen ejemplossimilares que, a la vez, revelan cuán ingeniososfueron sus inventores y el desconocimiento de lateoría de la disociación iónica. Después de la acep-tación (que no fue tan fácil) de la teoría de Arrhenius,punto de partida de la química moderna, la electro-química tuvo progresivamente su desarrollo indus-trial, como campo de aplicación de la electricidad enel sector de la química [diríamos que en la época deiniciación al fin del siglo XIX, se trataba más deelectro-química que de la electroquímica que hoyconocemos y que se ha de ver como disciplina engeneral, es decir no únicamente dedicada a hacerquímica gracias a reacciones electródicas]. Las plan-tas electrolíticas eran nada más que plantas quími -cas, combinando operaciones unitarias (de tipo físicoo mecánico) con procesos unitarios sedes de trans -formaciones electroquímicas.

Si la electroquímica industrial se desarrolló lue-go en el siglo XX, como se sabe, cabe hacer notarque se habló de Ingeniería Electroquímica sólo alre-dedor de 1970.

La ingeniería electroquímica, rama de laingeniería de procesosLa denominación “Ingeniería Electroquímica” apa-reció después que el concepto de fenómenos detransporte diera, en ingeniería química, la base ana-lítica necesaria para lograr un mejor diseño de losequipos y para facilitar la continuidad de los proce-sos. Poco a poco se particularizó ese concepto defenómenos de transporte en el campo de la electro-química; el famoso libro de Levich (1962) fue laprimera marca de esa particularización, seguido unpoco más tarde por el libro de Newman (1973).Alrededor de 1970, la situación económica en lospaíses avanzados hizo que, por necesidad, se busca-ran nuevos avances de la electroquímica industrial.Grupos de investigadores en ingeniería química for-mados en fenómenos de transporte se dedicaron aabrir así nuevos campos de investigación, lo quecontribuyó, poco a poco, a que se cristalicen gruposdedicados a la aplicación específica de los concep-tos de la ingeniería química en el campo de la elec -troquímica industrial. Es de esta manera que, enpocos años, y como lo demostraron los libros publi-cados posteriormente, la Ingeniería Electroquímicallegó a ser, para los procesos electroquímicos, el

equivalente de la Ingeniería Química para los pro-cesos químicos.

Conviene indicar que, debido también a lasnecesidades económicas del momento, aparecieronprogresivamente otros campos de aplicación de lametodología desarrollada originalmente para la In-geniería Química —y sobre todo para el sector petro -químico—, dando lugar a otras ingenierías, “hijas”de esta Ingeniería Química, como lo son la Ingenie-ría Bioquímica, la Ingeniería Sanitaria o del MedioAmbiente, etcétera. Hoy día, la tendencia es llamar“Ingeniería de Procesos” a la metodología y las basesanalíticas comunes a todas estas ingenierías particu-lares. La figura 4 pone de manifiesto el aspectocentral de la Ingeniería de Procesos, asignándole lafunción de un “depósito de metodología” conectadoa toda una red periférica de sectores de aplicación,los cuales se identifican con las diferentes ingenieríasde transformación físico-química de la materia y dela energía. Cada uno de estos sectores tiene, y con -serva, sus características propias, pero es evidenteque existe la posibilidad de interconectarlos a travésde la Ingeniería de Procesos. De esta forma, porejemplo, la Ingeniería Electroquímica puede tenerrelación y aplicarse a la Ingeniería Bioquímica, a laIngeniería del Medio Ambiente, etc., y viceversa.Más exactamente, el surgimiento de la IngenieríaElectroquímica se dio dentro de un contexto deeconomías de materias primas metálicas, de protec-ción del medio ambiente, así como también deeconomía de energía de origen petrolero. Una vezproducida (es decir sin tomar en cuenta su origennuclear en muchos de los casos), la energía eléctricaaparecía como una forma no contaminante de ener-gía que permitía, a través de la electroquímica, fabri-car productos químicos, almacenar o producir ener-gía, extraer metales de licores de lixiviación deminerales metálicos pobres o de desechos metálicos,así como también recuperar los metales contaminan-tes o caros contenidos en soluciones industriales devarios tipos (efluentes, soluciones de enjuague en lasplantas de tratamiento de superficies, etc.).

Ese contexto hizo que el esfuerzo de los investi-gadores se orientara de inmediato hacia ciertos te -mas. Entre los principales se puede citar:— el tratamiento electroquímico de soluciones di -

luidas con o sin recuperación de metal;— la electrosíntesis orgánica de compuestos, y par-

ticularmente los de alto valor agregado;— la producción electrolítica de hidrógeno por

electrólisis del agua;


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— las pilas de combustible para generar energía,por ejemplo a partir de hidrógeno y oxígeno;

— la electrodiálisis.

Fue de esta manera que, formados en fenóme-nos de transporte, cuya aplicación en electroquímicase logró gracias a los físico-químicos, los investigado-res de laboratorios de ingeniería química abordaronlos problemas ingenieriles de la electroquímica, in -corporando entonces las particularidades que le es -tán ligadas (nociones de corriente eléctrica y depotencial eléctrico, por ejemplo), iniciando así laIngeniería Electroquímica. El problema que se plan-teaba al nivel de la aplicación más intensiva de laelectroquímica en la industria, era que las solucionesa tratar eran de muy baja concentración para que sutratamiento se pudiera hacer usando las celdas exis-tentes, de tal manera que se necesitaban esfuerzosprevios de investigación en ingeniería, de lo que elelectroquímico no podía hacerse cargo.

La corriente máxima Imax (expresada en ampe-rios, A) admisible por un electrodo de área Ae (ex-presada en m2 ) en el cual se produce la transforma-ción electroquímica de los iones A de un electrolito,poniendo en juego νe electrones por mol, está dadapor:

Imax = kd Ae νe F CA∞

donde F ( ≈96500 C mol –1) es la constante de Faraday,CA∞ la concentración (expresada en mol m–3) de los ionesA en el seno del electrolito, y kd el coeficiente promediode transporte de materia (expresado en m s–1) pordifusión-convección desde el electrolito hacia el elec-trodo (o viceversa). A un valor bajo de la con centraciónCA∞ corresponde un valor bajo de la intensidad má-

xima (es decir que da lugar a una baja producción),salvo si se puede aumentar el coeficiente de trans-porte de materia y/o la superficie Ae del electrodo.

De este último comentario fluyen las dos princi-pales orientaciones que tomaron las investigaciones: 1) aumentar kd significaba reducir, gastando energía

(mecánica, de vibración, etcétera), el espesor dela resistencia difusional al nivel del electrodo, esdecir hacer más turbulentas las capas líquidasinmediatamente vecinas al electrodo. Varias cel -das, consideradas a priori como de nueva gene-ración, aparecieron en esta categoría;

2) aumentar Ae sin aumentar mucho el volumen deelectrodo, lo que se traducía en aumentar la super -ficie de electrodo por unidad de volumen deéste. Esto orientaba hacia celdas del tipo filtro-prensa y hacia el uso de electrodos porosos. Unelectrodo poroso es un electrodo constituido porun material electródico de textura porosa (tipolecho fijo granular, por ejemplo) que puede estarpercolado por el electrolito mismo, haciendoque la transformación electroquímica puedaproducirse durante el tiempo de residencia delelectrolito dentro del medio poroso. Con es-tos electrodos porosos aparecieron nuevos pro-blemas teóricos para que su descripción fueseposible. La metodología de la Ingeniería Quími-ca, incluyendo los fenómenos de transporte,permitió abordar su descripción teórica (distri-bución de corriente y de potencial) con vista aproponer soluciones matemáticas para diseña los.La analogía entre la competitividad entre reac-ción electroquímica (heterogénea) y conduccióniónica dentro de los poros del electrodo poroso,y la competitividad entre reacción química he-terogénea y difusión molecular de materia den-tro del poro de un catalizador en catálisis hete -rogénea, hizo que se pudiera trasponer solucio-nes teóricas existentes. Si entre 1970 y la fecha,ese tema de los electrodos porosos, percoladoso no, ha avanzado mucho, sigue siendo todavíaobjeto de investigación, sobre todo como conse-cuencia de la aparición progresiva de nuevosmateriales para este tipo de electrodos.

Algunas celdas estudiadas y propuestas por los in-vestigadores pueden considerarse de nueva genera-ción en cuanto a los fundamentos científicos que lasgeneraron o apoyaron:— el aumento de kd puede obtenerse usando méto-

dos más o menos sofisticados: impacto de cho-

Figura 4. La Ingeniería de Procesos, ‘depósito de metodología’ paralas diferentes ingenierías de transformación físico-química de lamateria y de la energía



rros, flujo de una película descendente de elec-trolito por debajo de un electrodo de metaldesplegado actuando como promotor de turbu-lencia, hidrodinámica especial, etcétera;

— Electrodos Porosos Percolados (EPP) puedenencontrarse bajo la forma de lecho fijo granular,de apilamiento de rejillas de metal desplegadoo de hojas de espuma metálica, etcétera;

— se propuso también celdas de tipo enrollado, yasea de hojas espaciadas por una tela promotorade turbulencia, ya sea de rejillas espaciadas poruna tela separadora porosa.

Al observador, a veces esos conceptos de celdaspodrían parecerle muy innovadores. Sin embargo, siuno consulta patentes del último decenio del sigloXIX, puede darse cuenta de que algunos de entreesos conceptos ya habían sido imaginados en aquellaépoca, a pesar de que, como dicho anteriormente, nolograron tener éxito por muchas razones (descono ci-miento de la teoría de Arrhenius, reacción electroquí-mica mal elegida y/o de conocimiento erróneo, es -casez de materiales de electrodos y particularmentede ánodos). Un buen ejemplo es el electrodo porosopercolado que apareció en la patente de Hulin; sudescripción matemática fue abordada aproximada-mente más de setenta años después sin que, por lomenos aparentemente, se supiera de la anterioridadintelectual de Hulin al respecto. La consulta históricade patentes pone en evidencia que hay otros ejem -plos de este tipo.

Al principio de la década de los sesenta seesperaba mucho de los procesos electro-orgánicos,sobre todo con vista a elaborar compuestos de altovalor agregado. El control del potencial de electrodose veía como un medio para producir selectivamenteesos compuestos. Sin embargo, hasta hace poco sehabían difundido pocos resultados positivos obteni-dos. Era como si fuera un aparente fracaso que podíaatribuirse a la complejidad de estos procesos, a laparticularidad de ciertos electrolitos, etc., a pesar deque la “ingeniería de los procesos electro-orgánicos”llegó a estar presentada en libros como por ejemploel de Scott (1991). El problema de cambio de esca -la entre la micro-celda de laboratorio (¡Si no es elestudio a escala del disco rotatorio!) y la celda detamaño piloto puede haber sido determinante en elaparente fracaso constatado. Sin embargo, la confi-dencialidad en el mundo industrial hace que nosuelen darse a conocer tanto éxitos como fracasos enlo relacionado a investigaciones de interés comer-

cial, dado que intereses económicos están en juego.Hay procesos electro-orgánicos funcionando, pero sifrecuentemente no se sabe, puede ser porque con-viene que no se sepa.

A partir de los años 1960/1970, hubo un esfuerzonotable para llegar a proponer electrodos granu -lares como los de lecho fluidizado (Proceso AKZO),de lecho denso y móvil o circulante (Proceso AN-GLONOR), de lecho fijo (Celda ENVIRO), de lechofijo pulsado (Proceso ORDOC), entre los principales.Como el lector interesado lo podría leer en los librosdel autor (Cœuret, 1984, 1992 y 2003), rápidamentese tuvo que reconocer que sólo las texturas granula-res de tipo lecho fijo eran de uso posible comoelectrodos, y se tuvo que abandonar la idea deaplicar como tales las demás texturas. Desgraciada -mente, un lecho fijo que recupera un metal se col-mata progresivamente. Para una recuperación con-tinua la pulsación del lecho fijo granular apareciócomo interesante para evitar la sinterización. Sinembargo, el funcionamiento como electrodo recupe-rador sólo podía verse durante el periodo de actua -ción como lecho fijo y no durante el corto instantede puesta en fluidización. No era tan simple la cosapara los investigadores. Al principio, la idea de elec-trodo granular pulsado fue aplicada en ElectrodosPorosos Percolados de configuración axial o paralela(corriente eléctrica fluyendo paralelamente al elec-trolito), la cual no era adecuada para el tratamientode caudales altos. Recientemente la idea parece ha-ber sido extendida a sistemas de configuración per -pendicular o radial sin que todavía se sepa bien desus aplicaciones. Es complejo el proceso de recupe-ración continua sobre granos (deben ser bastanteesféricos) que se mueven y que crecen en tamañopor depósito electroquímico.

En cuanto a la recuperación discontinua pordepósito electroquímico sobre lechos fijos, se tiendeactualmente al uso de cátodos de fieltros de carbonoo de grafito.

Simultáneamente a estas investigaciones sobreelectrodos porosos de varios tipos, se logró describirmatemáticamente la distribución de potencial deelectrodo para distintas configuraciones y diferentescondiciones de control del proceso electroquímico(control cinético, mixto, difusional). Fue gracias aesos trabajos teóricos que se construyó gran parte delos aspectos básicos de la ingeniería electroquímica.

Hubo una evolución en el tiempo de los tipos demateriales para electrodos porosos percolados: gra -nos y telas metálicas, granos de grafito, rejillas de

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metal desplegado, fieltros y tejidos de carbono ode grafito, espumas metálicas, carbón vítreo reticu -lado (R.V.C.). Generalmente esa evolución se debióa la aparición misma de esos materiales en el merca-do. Sin embargo, aunque a nivel de laboratoriomuchos en esa lista pueden usarse, el número demateriales que realmente tienen un interés industriales limitado. Entre estos, conviene subrayar los apila-mientos de rejillas de metal desplegado y las espu-mas metálicas.

Vale la pena insistir un poco sobre la espumametálica que, hoy día, está comercialmente disponi-ble con varios metales (entre los principales: Ni, Cu,Au, Ag, Pb), y que es probablemente el material másprometedor para pequeñas celdas, debido a su altasuperficie específica y su fácil empleo. Si el carbónvítreo reticulado (o R.V.C.) se parece estructural-mente a una espuma metálica, es un material frágily no es fácil del todo conectarlo a una toma decorriente, de tal manera que su uso podría limitarsea trabajos de bancada.

En la figura 5 se ve una espuma de níquel deGrado 100 [por Grado se entiende número de poros porpulgada lineal ] con un coeficiente de ampliación de30. Se nota que es una estructura de alvéolos yuxta-puestos como si fuera espuma de jabón, e interco -nectadas. La porosidad es grande y cercana de 98%.Para espuma de níquel, se ha establecido experimen-talmente la siguiente relación entre el Grado y lasuperficie específica por unidad de volumen total, ae,

[expresada en m–1]

ae = 100 (valor del Grado)

lo que indica que ae = 10,000m—1 para la espuma deGrado 100 de la figura 5.

La tabla 1 da intervalos de valores del áreaespecífica ae [área de electrodo por unidad de volu-men del conjunto (material + vacío) del medio po-roso] y valores de la porosidad media o fracción devolumen disponible para el electrolito, ε . Se puedenotar que estos dos parámetros pueden variar bas -tante de un material al otro. Si la espuma es intere -sante para pequeñas celdas, el metal desplegado esmás adecuado para celdas de mayor tamaño.

El problema determinante en el uso de los elec-trodos porosos se basa en el hecho de que el árearealmente utilizada para la reacción electroquímicapuede ser muy inferior al área geométrica. La pro-fundidad útil (es decir la que está penetrada por laslíneas de corriente) de un electrodo poroso resulta,como dicho anteriormente, de una competitividadentre cinética de la reacción electroquímica hetero-génea y conducción iónica en el electrolito de losporos [esto Hulin, no se lo imaginaba].

Además del gran área geométrica, la circulaciónforzada del electrolito a través del medio poroso queconstituye el electrodo mejora el transporte de ma-teria por promoción de turbulencia: el flujo de per -colación, generalmente lento para lograr una tasade conversión elevada por paso, se vuelve localmen-te flujo con torbellinos generados por los obstáculosque constituye la estructura porosa.

También los electrodos porosos tienen aplica-ción dentro de las pilas de combustible, tema que esde gran actualidad. En el caso de pilas con electrolitolíquido, por ejemplo, se trata de lograr un contactotrifásico (gas-sólido-líquido) dentro de un materialporoso de propiedades electrocatalíticas, con vista agenerar electrones, es decir electricidad. Cada uno sa eque en el contexto actual de protección del medioambiente, la pila de combustible como generador deenergía eléctrica constituye un dispositivo interesante.Sin embargo, muy a menudo se subraya que el elec -trodo poroso sigue necesitando más investigación.

ConclusionesLa Ingeniería de los Procesos Electroquímicos, oIngeniería Electroquímica, surgió de la IngenieríaQuímica cuando ésta había logrado su madurezcientífica. Esta disciplina Ingeniería Electroquímica,que completa la disciplina Electroquímica, tienecomo objetivo el diseño de las plantas electroquími-cas y en ellas particularmente la celda electroquími-ca (o reactor electroquímico). Con varios libros que


Figura 5. Espuma de níquel de Grado 100 (microscopía electrónica).


le están dedicados, la Ingeniería Electroquímica apa-rece hoy, claramente, como una rama particular delcampo de aplicación de la Ingeniería de Procesos.Esta última consiste en un conjunto de metodologíasútiles en varios sectores, los cuales se identifican conlas diferentes ingenierías de transformación físico-química de la materia y de la energía.

Sin menospreciar los alcances en el campo de laquímica orgánica y sus aportes en la maduración dela disciplina “Ingeniería Electroquímica”, pareceque es en el campo de la electroquímica mineral, ysobre todo en la hidrometalúrgica, que el esfuerzoha sido el más fructífero hasta ahora.

La preocupación por la protección del medio-ambiente en casi todos los países del mundo incita,cuando se trata de líquidos contaminantes, a tomaren consideración las tecnologías electroquímicas.Rama todavía joven de la Ingeniería de Procesos, laIngeniería Electroquímica verá extenderse sin dudasu campo de aplicaciones.

Como lo habrá notado el lector, el presenteartículo se preocupa principalmente de la aplicaciónindustrial, ya que éste es el verdadero objetivo de ladisciplina. Esto no debe hacer olvidar que los con-ceptos y los conocimientos de la disciplina tienenaplicación en otros campos que el de la electroquí-mica industrial, como lo vimos anteriormente con lapresentación de la figura 4. Si la disciplina es madura,las bases científicas han de ser consolidadas y difun-didas gracias a los docentes e investigadores, tantode ingeniería química misma como de electroquí-mica aplicada. Los de la última disciplina, tal vezmenos preparados para contestar a preguntas inge-nieriles, empezaron a abrirse hacia la ingenieríaelectroquímica, abordando temas de interés para elpaso de sus resultados a la aplicación industrial.En efecto, se ha de notar que en las etapas de desa -rrollo hasta la planta, muy a menudo el aspectoingenieril predomina sobre el aspecto puramenteelectroquímico. �

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Tabla 1. Valores del área específica ae y de la porosidad media, paraalgunos materiales

MATERIAL ae [m –1] ε_

metal fritado 70000 0.34

granos esféricos0.2 < diámetro < 1 [mm]

2000 - 10000 0.4(lecho fijo)

metal desplegado 500 - 10,000 (malla micro)

0.9

fieltros de grafito 180 - 300 0.95

espuma metálica; R.V.C. 3000 - 10000 0.98

Abril de 2007 127