Влияние типа поляризующего сигнала на катодное диспергирование частиц цинка

УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург

Электролитические порошки цинка, обладая высокой чистотой и разветвленной дендритной структурой, применяются в химической, металлургической, электрической и других промышленностях. Однако электролитические осадки, из которых получают порошки, требуют предварительной операции размола. Получение частиц металлического осадка различной дисперсности непосредственно в ходе электролиза путем регулирования типа поляризующего сигнала (ток/потенциал) позволило бы упростить технологическую схему производства порошка.

Целью настоящей работы было исследование процесса диспергирования частиц цинка в сульфатном растворе цинка в стационарных и нестационарных режимах задания тока и потенциала.

Дендритные осадки цинка получали из раствора состава 0,1 М ZnSO₄; 0,7 М Na₂SO₄ и 0,05 М Al₂(SO₄)₃, рН = 3,56. Поляризационные исследования проводили относительно неполяризованного цинкового электрода с помощью электрохимической станции Solartron 1280С в электрохимической ячейке, подключенной по схеме с тремя электродами. Рабочий электрод штырькового типа был изготовлен из проволоки цинка диаметром 1,4 мм и высотой 6 мм. Вспомогательным электродом служила пластина цинка. Для исследования процесса диспергирования дендритных осадков цинка использовали установку, которая позволяла одновременно проводить измерение величины перенапряжения или тока от времени электроосаждения, фиксировать процесс формирования и отрыва частиц осадка на видеокамеру Sony DSR-200SE, а также осуществлять сбор водорода.

Дендритные осадки цинка получали при задании постоянного тока, превышающего предельный диффузионный ток на исходном электроде в 15 раз (I/I_d=15). В потенциостатическом режиме задавали постоянный потенциал -1,35 В относительно неполяризованного цинкового электрода в исследуемом растворе. При этом потенциале регистрируемый ток сразу после включения превышал в 15 раз предельный диффузионный ток на исходном электроде. В нестационарных режимах чередовали импульс тока или потенциала и паузу. Амплитуда сигнала соответствовала стационарному режиму, длительность импульса варьировали в пределах 20-40 с при фиксированной длительности паузы 5 с.

Для сбора водорода в ячейку над катодом устанавливали воронку, соединенную с бюреткой. На видеозаписи определяли через фиксированные промежутки времени диаметр водородных пузырьков и средний размер отделяющихся частиц осадка. По объему и среднему размеру пузырьков выделившегося газа рассчитывали число образовавшихся пузырьков водорода на единицу поверхности электрода.

На рис. 1 показана кривая изменения потенциала в ходе гальваностатического электролиза. Колебания потенциала связаны с образованием и отрывом пузырьков водорода от поверхности электрода. На кривой можно выделить два участка. Первый участок (I) характеризуется медленным и линейным изменением потенциала. В этот период времени (~3,5 минут от начала электролиза), на видеозаписи виден бурный отрыв частиц от поверхности катода (диспергирование). На втором участке (II) наблюдается более резкое падение абсолютной величины потенциала из-за развития осадка нерегулярной формы. Увеличение поверхности катода, на которой происходит процесс восстановления цинка, приводит к снижению плотности тока восстановления водорода и общему спаду абсолютной величины перенапряжения.

Рис. 1. Изменение потенциала при гальваностатическом электролизе

Средний размер диспергированных частиц цинка не менялся в процессе диспергирования. Со временем электролиза выделялось все меньше пузырьков водорода на единицу поверхности электрода, в то время как их средний диаметр (~0,9 мм) оставался постоянным, что способствовало ослаблению механического воздействия газового потока на формирующиеся частицы металла и спаду процесса диспергирования.

В потенциостатическом режиме наблюдалось линейное увеличение силы тока по мере формирования осадка в ходе электролиза, что обуславливало интенсивное выделение пузырьков водорода на единицу поверхности электрода в течение всего электролиза. Это позволило поддерживать интенсивное механическое воздействие газового потока на формирующиеся частицы цинка и более длительный процесс диспергирования (20 минут). В связи с тем, что в потенциостатическом режиме поддерживались те же условия на фронте роста осадка, что и в режиме задания постоянного тока (I/I_d=15), средний размер диспергированных частиц цинка и средний диаметр пузырьков водорода были такими же, как и в гальваностатическом режиме.

Использование импульсных режимов электролиза с длительными импульсами тока и потенциала (20-40 с) и короткими паузами (5 с) не оказало существенного влияния на длительность диспергирования, средний размер диспергированных частиц цинка, средний диаметр пузырьков водорода и интенсивность их образования по сравнению с соответствующими стационарными режимами.

Установлено, что наибольшее влияние на процесс диспергирования (длительность диспергирования и скорость образования пузырьков водорода на единицу поверхности электрода) оказывает задание постоянного потенциала.

Работа выполнена при поддержке программой 211 Правительства Российской Федерации № 02.A03.21.0006