Electrolyse : traitement d'effluents : concours technicien supérieur de l'industrie et des mines 2011.

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De nombreuses entreprises utilisent des techniques de traitement de surface qui font appel à la métallisation. On s'intéresse à une technique électrochimique qui vise à respecter la teneur officielle en cuivre dissous dans les effluents qui résultent des opérations de rinçage. Le second rinçage s'effectue en circuit fermé. Les eaux de rinçage sont envoyées sur des cellules d'électrodéposition fonctionnant en continu, qui permettent de réutiliser ces eaux. La cuve d'électrodéposition contient une électrode en titane et une électrode en  carbone. Ces deux électrodes sont immergées dans la solution de rinçage et sont alimentées par un générateur de courant continu. Sur quelle électrode s'effectue le dépôt de cuivre métallique ? Ecrire la demi-équation électronique correspondante. L'ion cuivre (II) est réduit à la cathode négative ( carbone) : Cu2+aq + 2e- = Cu(s). L'autre électrode est le siège d'une transformation chimique. Est-ce une oxydation ou une réduction ? Oxydation à l'anode positive en titane. L'équation d'oxydo-réduction globale qui se déroule dans la cellule est  : 2Cu2+aq +2H2O(l) = 2Cu(s) +O2(g) + 4H+aq. Ecrire la demi-équation électronique qui se déroule à l'anode et identifier le couple oxydant / réducteu. O2(g) / H2O(l) : 2H2O(l) = 4e- +O2(g) + 4H+aq. Fonctionnement en continu. La cellule est capable de ramener la teneur initiale en ion Cu2+ ( Cm0 =900,0 mg L-1) à une teneur résiduelle Cmf = 30,0 mg L-1 pour une durée de fonctionnement continu de 6 heures. Le volume de solution traité pendant ce délai est V0 = 300 L. Calculer la masse initiale m0 d'ion cuivre (II) présents dans la solution au début du rinçage. m0 = Cm0 V0 =0,900 *300 =270 g. Calculer la masse finale mf de ces mêmes ions restants en fin de rinçage et en déduire la masse mCu de cuivre métallique déposé à la cathode.  mf = Cmf V0 =0,030 *300 =9,0 g.  mCu = m0 - mf =270-9=261 g. Calculer les quantités de matière de cuivre présent sous ses deux formes nCu2+ et nCu en fin de rinçage. nCu2+ = mf /M(Cu) = 9,0 / 63,5 = 0,1417 ~0,14 mol. nCu = mCu /M(Cu) = 261 / 63,5 = 4,110 ~4,1 mol.   . . Calculer la quantité de matière d'électrons échangée au cours de la transformation. n(e-) = 2 nCu =2*4,110 = 8,220 ~8,2 mol. Exprimer la quantité d'électricité Q utilisée par la cellule durant l'opération. Q = n(e-) F ave F le faraday ( 96500 C). Exprimer puis calculer l'intensité du courant I supposée constante. Q = I Dt ; I = n(e-) F / Dt = 8,220 *96500 /(6*3600) =3,67 ~3,7 A. Intérêt du procédé. Dans l'installation industrielle, deux appareils montés en parallèle sur le circuit des eaux de rinçage assurent cette fonction d'élimination des ions Cu2+. Cela permet, par un dispositif annexe contenant un jeu d'électrodes supplémentaire, de  récupérer le dépôt de cuivre solide tout en permettant à l'unité de traitement de fonctionner sans interruption. Une méthode plus classique consiste à précipiter les ions Cu2+aq présents dans les eaux de rinçage sous forme d'hydroxyde de cuivre (II), par ajout d'une solution d'hydroxyde de sodium ( Na+aq + HO-aq). La réaction est alors : Cu2+aq + 2 HO-aq= Cu(OH)2(s). Calculer la masse de précipité d'hydroxyde de cuivre obtenu lors de la précipitation de 4,11 mol d'ion cuivre (II) et la comparer avec la masse de cuivre obtenue précédemment. Il se forme = 4,11 mol d'hydroxyde de cuivre (II) ; M(Cu(OH)2) = 63,5 +2*17 =97,5 g/mol. m = 4,11 *97,5 ~401 g, environ 1,5 fois la masse de cuivre déposée à la cathode. Ce résultat nous permet d'établir une comparaison des deux procédés ( électrodéposition et précipitation ) sur la base des produits obtenus dans chaque cas. Quel est le produit obtenu qu'il faudra extraire des eaux de rinçage, puis traiter chimiquement pour le recycler ? Il faut exttraire l'hydroxyde de cuivre (II) solide par filtration. Lequel des deux procédés donne un produit directement utilisable ? L'électrodéposition donne du cuivre métallique directement utilisable. .

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