nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường điện phân đến chất lượng tấm màng niken catot trên điện cực trơ

Chất lượng của catot mẫu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố môi trường điện phân như: mật độ dòng điện, tỷ lệ diện tích bề mặt giữa catôt và anôt, độ pH, nồng độ và độ sạch của dung dịch, hệ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

Chương 1-TỔNG QUAN 7

1.1 Sự điện phân 7

1.2 Đại lượng quá thế O2, H2 11

1.3 Quá trình kết tủa kim loại ở catot 15

1.4 Tính chất điện hoá của niken 20

1.5 Phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân niken 23

1.6 Tình hình nghiên cứu tấm màng niken catot 24

1.7 Mục tiêu nghiên cứu 27

1.8 Nội dung nghiên cứu 27

Chương 2- PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 28

2.1 Chế tạo mẫu 28

2.2 Hoá chất sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm 28

2.3 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 29

2.4 Phương pháp phân tích số liệu 30

Chương 3- CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Ảnh hưởng của mật độ dòng tới khối lượng niken điện phân và chất lượng bề mặt tấm màng 35

3.2 Ảnh hưởng của độ pH ban đầu và mật độ dòng đến chất lượng kết tủa niken kim loại 41

3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến tình trạng bong nứt 46

3.4 Ảnh hưởng của nguyên liệu cung cấp nguồn ion Ni2+ đến lượng niken kết tủa 55

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của chất liệu điện cực trơ đến năng suất điện phân tấm màng niken catot 57 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ban đầu đến hình dạng bề mặt tấm màng 62 3.7 Ảnh hưởng của độ sạch dung dịch qua các chu kỳ điện phân đến

sự bong nứt 63 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

MỞ ĐẦU

Hiện nay ở Việt Nam rất nhiều nhà máy, công ty cơ khí chế tạo đồ gia dụng, phụ tùng xe máy, ôtô có các dây chuyền mạ niken, crôm lớn, hàng năm thải ra hàng ngàn tấn bã thải rắn (được ép ráo nước từ bùn điện phân) Chỉ riêng Công ty phụ tùng xe máy ôtô GOSHI-Thăng Long ở Sài Đồng, Hà Nội một năm thải ra trên 500 tấn bã thải mạ crôm, niken Các công ty Xuân Hòa và Hòa Phát cũng thải ra hàng trăm tấn bã thải mạ điện mỗi năm Qua khảo sát một số nhà máy lớn, chúng tôi có được một số thông tin về khối lượng bã thải

sau mạ crom, niken được trình bày ở bảng kê dưới đây

Bảng 1- Thông tin về bã thải rắn ở các nhà máy mạ ở Việt Nam

TT Tên nhà máy mạ

Khối lượng

bã thải rắnTấn/năm

2 Công ty Hoà phát 100-200 Lưu giữ trong các hầm chứa

hoặc chôn lấp dưới đất

3 Công ty Xuân Hoà 100-200 Lưu giữ trong các hầm chứa

hoặc chôn lấp dưới đất

4 Công ty khoá Minh

Lưu giữ trong các hầm chứa hoặc chôn lấp dưới đất

5 Công ty Vòi sen Ý 30-40 Lưu giữ trong các hầm chứa

hoặc chôn lấp dưới đất

Căn cứ vào bảng 1 ta thấy lượng bã thải của các công ty tương đối lớn, tổng cộng khoảng 1000 tấn mỗi năm Trước đây các công ty này thường thuê các công ty dịch vụ về môi trường chuyên chở đi chôn lấp tại các lưu giữ chất thải ở khu vực Lam Sơn thuộc địa phận Sóc Sơn-Hà Nội Tuy

nhiên, thực tế cho thấy việc chôn lấp tại nơi quy định không được tuân thủ đầy đủ, vì để chạy theo lợi nhuận, một số công ty môi trường lại để trôi nổi

ở nhiều nơi khác nhau để giảm các chi phí chôn lấp theo quy định

Qua khảo sát chúng tôi thấy hiện nay ở Việt Nam chỉ có Công ty Cổ phần Vật liệu và môi trường chuyên sử lý tận thu loại quý Ni, Cr còn tồn trong bã thải Theo tính toán của công ty thu hồi trung bình được 36 kg Ni/1000kg bã thải tươi Như vậy có thể thấy rằng với lượng bã thải lên đến

1000 tấn/năm thì công ty có thể tận thu được 36 tấn Ni/năm Đây là con số tương đối thuyết phục về giá trị kinh tế cũng như hạn chế tối đa chất thải kim loại nặng phân tán vào môi trường

Hiện nay công ty cổ phần vật liệu và môi trường đang áp dụng công nghệ thu hồi niken của Phòng công nghệ kim loại thuộc Viện Khoa học vật liệu để xử lý và tái chế bã thải công nghiệp mạ điện và đã đạt được các kết quả rất khả quan Tuy nhiên trong quy trình công nghệ này, có công đoạn chế tạo tấm màng niken để làm catôt mẫu cho quá trình điện phân thu hồi niken tiếp theo với các chế độ tương đối ngặt nghèo như sau: nồng độ trong giới hạn cho phép, nhiệt độ dung dịch ban đầu bắt buộc là 600C,… Mặc dầu vậy tỷ lệ hư hỏng vẫn còn tương đối cao, lên tới 20-25% tổng số tấm màng niken điều chế ra được để làm catôt mẫu Bởi vậy nhiệm vụ của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu cách chế tạo màng niken sao cho hiệu quả cao nhất để trước tiên ứng dụng cho công ty Vật liệu và môi trường, sau nữa là

có thể chế tạo thành tấm màng niken thương phẩm cung cấp cho các công

ty chuyên sản xuất niken trong và ngoài nước bằng phương pháp điện phân dung dịch

Chế tạo catôt mẫu là khâu chuẩn bị quan trọng cho quá trình điện phân niken trong dung dịch muối niken sunphat Trong thực tế catot mẫu được chế tạo bằng phương pháp kết tủa điện hóa niken trên tấm nhôm hoặc tấm titan

(còn gọi là điện cực đế) từ dung dịch muối niken sunphat Chất lượng của catot mẫu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố môi trường điện phân như: mật độ dòng điện, tỷ lệ diện tích bề mặt giữa catôt và anôt, độ pH, nồng độ và độ sạch của dung dịch, hệ thống tuần hoàn và xử lý làm sạch dung dịch

Xuất phát từ điều kiện thực tế là dung dịch điện phân sử dụng được chuẩn bị từ bã thải mạ niken và thiết bị điện phân lại không được bố trí màng ngăn cũng như hệ thống tuần hoàn làm sạch dung dịch nên ảnh hưởng không lợi của tạp chất tới chất lượng (độ sạch, cơ lý tính) của lớp niken kết tủa trên catot là không tránh khỏi

Trong dung dịch điện phân niken, các tạp chất có thể tồn tại dưới dạng hoặc không tan như C, Si, và ion của các kim loại khác như Fe, Cu, Co, Trong quá trình điện phân, tùy thuộc vào chế độ công nghệ lựa chọn, hàm lượng cũng như bản chất hóa - lý và điện hóa của các tạp chất hòa tan mà chúng có những hành vi khác nhau Trong số đó, một số tạp chất có thế điện cực tiêu chuẩn dương hơn hoặc xấp xỉ so với niken có thể cùng phóng điện với niken làm giảm độ sạch của niken điện phân Một số khác lại thực hiện các quá trình hóa - lý, chẳng hạn như kết tủa ra các hợp chất không tan tùy thuộc vào độ pH của dung dịch điện phân Các tạp chất không tan có thể lẫn

cơ học vào lớp niken kết tủa làm giảm độ sạch và gây ảnh hưởng xấu tới cơ -

lý tính của nó

Như vậy có thể bước đầu nhận định rằng độ sạch cũng như các tính chất hóa - lý khác của dung dịch điện phân có ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng của niken catôt Ngày nay, trong điện phân niken, người ta thường sử dụng dung dịch hỗn hợp nhằm nâng cao tính dẫn điện của dung dịch và cải thiện tổ chức của kim loại kết tủa trên catôt [17]

Từ thực tế nêu trên, trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự bong nứt của lớp

niken hình thành trên catot titan và giải pháp khắc phục như: ảnh hưởng tạp chất, ảnh hưởng của nhiệt độ, độ pH, tỷ lệ diện tích bề mặt anot và catot Yêu cầu chất lượng tấm màng niken đạt được là độ dày lớn hơn 0,25mm, phẳng, mịn và độ sạch trên 99% để có thể dùng làm catot mẫu cho quá trình điện phân niken.

Chương 1-TỔNG QUAN

1.1 Sự điện phân

Sự truyền điện qua dung dịch chứa chất điện giải kèm theo phản ứng oxy hoá khử trên bề mặt điện cực làm phân huỷ vật chất, gọi là quá trình điện phân

Việc biến hoá năng lượng điện cùng với các phản ứng điện hoá xảy ra trên bề mặt điện cực phụ thuộc nhiều yếu tố Trong dung dịch nước thường chứa nhiều loại ion khác, quá trình điện cực rất phức tạp Muốn có sản phẩm điện phân theo ý muốn cần phải nghiên cứu kỹ quá trình điện cực, bình thường người ta dựa trên phương pháp xây dựng đường cong phân cực

Hình 1.1: Sơ đồ điện phân dung dịch CuCl 2 , hai thanh điện cực bằng

đồng

Khi điện phân dung dịch muối mà cation của muối đó có điện thế cân bằng dương hơn của hydro còn anion của muối đó có thế điện cực cân bằng dương hơn của oxy trong cùng một dung dịch đó, ví dụ như dung dịch CuCl2

(hình 1.1) Trong bình điện phân nhúng hai thanh đồng làm điện cực, khi chưa phân cực thì quá trình xảy ra là quá trình cân bằng động Cu€ Cu2+

+

-Catot CuAnot Cu

Điện thế anot và catot sẽ như nhau và bằng điện thế điện cực cân bằng

( Cu 2+/ Cu)

ϕ ε Khi có dòng điện một chiều chạy qua điện thế anot sẽ chuyển về phía dương hơn, điện thế catot sẽ chuyển về phía âm hơn Ta gọi đó là sự phân cực

4e-

Hình 1.2: Đường cong phân cực điện phân dung dịch CuCl 2

Vì điện thế điện cực chuyển khỏi vị trí cân bằng nên trên điện cực xảy ra hiện tượng ở catot cation đồng bị khử, còn trên anot anion đồng bị oxy hóa, các cation đồng bị chuyển vào dung dịch, ta gọi đó là hiện tượng dương cực tan Dưới tác dụng của điện trường và do khuếch tán các ion chuyển động đến điện cực, lúc đó mạch điện chia ra làm hai phần:

− Dây dẫn loại 1: Do chuyển động của điện tử bao quanh điện cực và nguồn điện

− Dây dẫn loại 2: Do chuyển động của ion trong dung dịch (dung dịch chất điện giải) Trên catot xảy ra phản ứng khử (cation nhận điện tử), trên anot xảy ra phản ứng oxy hoá (giải phóng điện tử).

Trên catot Cu2+ phóng điện còn Cl- chuyển đi nên nồng độ muối CuCl2 ở catot ít nghèo đi Ở anot đồng hoà tan thành Cu2+ và Cl- chuyển đến nên nồng

độ CuCl2 tăng lên

Xét đường cong phân cực ở hình 2:

− Khi không có dòng điện đi qua, điện thế anot bằng điện thế catot và bằng

cb

− Khi đóng mạch, điện thế anot là ϕa, điện thế catot là ϕc

Cường độ dòng điện Ia bằng cường độ dòng Ik vì hai điện cực mắc nối tiếp I = Ia = Ik ∆ϕa và ∆ϕk có thể bằng nhau, có thể không bằng nhau tuỳ thuộc vào độ dốc của đường cong phân cực anot, catot

Điện thế chung của hệ:

U1 là điện thế rơi trong chất điện giải

Dưới đây là ví dụ đường cong phân cực điện phân dung dịch Na2SO4

U'U

ϕcbH2

ϕa

O

ϕ 2 cb

Hình 1.3: Đường cong phân cực điện phân dung dịch Na 2 SO 4

Ở anot điện thế phóng điện của oxy âm hơn nên OH- phóng điện Để

SO42- phóng điện thì điện thế đặt vào phải dương hơn rất nhiều nên trong điều kiện bình thường phản ứng oxy hoá:

+

−

Nếu như điện thế bên ngoài đặt vào là U thì dòng điện chạy qua sẽ là

I = Ia = Ic Nếu độ dốc của đường hydro khác đi do phân cực catot lớn (đường chấm chấm) thì hiệu điện thế đặt vào có thể phải thay đổi có giá trị là U’

Như vậy có thể kết luận cuối cùng rằng: Khi tiến hành quá trình điện phân catot cation nào đó điện thế dương hơn sẽ phóng điện trước, còn tại anot anion nào đó có điện thế âm hơn sẽ phóng điện trước Đây cũng là kết luận vô cùng quan trọng để người ta bằng cách nào đó có thể điều khiển quá trình điện phân để có thu được sản phẩm mong muốn.

1.2 Đại lượng quá thế O 2 , H 2

Căn cứ vào lý thuyết của quá trình điện phân [8] đại lượng được các nhà nghiên cứu quan tâm kỹ lưỡng là giá trị quá thế ∆ϕ = ϕi - ϕcb của một cấu tử nào đó có mặt trong quá trình phản ứng điện hoá Ở đây ta cần quan tâm đến đại lượng quá thế của hydro và oxy Đại lượng này bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là các yếu tố nhiệt độ, mật độ dòng điện, độ

pH của dung dịch điện phân Còn bản thân nó lại quyết định các điều kiện xảy

ra các phản ứng phóng điện của các ion hydro H+, kim loại Men+ (ở cực âm), của anion hydroxyt OH-, tức là quyết định đến sự ổn định của quá trình này Kết quả nghiên cứu cho hay rằng, ở mật độ dòng điện đã cho, quá thế oxy thay đổi theo thời gian Đối với kim loại niken sự thay đổi này tương đối đột ngột Đường quá thế oxy phụ thuộc vào mật độ dòng điện (đường η - lgi) cũng tuân theo công thức Tafel, nhưng trên đường biểu diễn thường có điểm gãy, phản ánh sự thay đổi quá trình động học Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy quá thế của oxy (và của cả hidro) phụ thuộc vào mật độ dòng, bản chất của chất làm điện cực, trạng thái bề mặt của nó, thành phần của dung dịch

Về mặt định lượng, sự phụ thuộc này được biểu diễn bằng phương trình Tafel:

Trong đó a và b là những hằng số phụ thuộc vào bản chất của điện cực

và trạng thái bề mặt của nó Đối với quá thế của hydro trên điện cực niken: a

tự các kim loại sau: Co, Fe, Ni, Cd, Pb, Pd, Au, Pt

Tác nhân thứ hai có ảnh hưởng lớn và có tính quyết định đến quá thế là quá trình phóng điện của oxy và hydro :

Theo lý thuyết Nernst phương trình thế điện cực được xác định

Với kim loại:

ϕ(Me/MeZ+) = ϕ0(Me) + (RT/zF)lnC(Mez+) (1.5)Với H2:

Để xét mối quan hệ tổng quát của thế điện cực kim loại, oxi, hiđro với

pH, có thể khảo sát giản đồ trên hình 1.5

Trên cơ sở đường a-a' của phản ứng:

Người ta chia giản đồ hình 1.5 ra ba vùng như sau:

Vùng I: Bao gồm các kim loại có thế điện cực cân bằng âm hơn H2 (ϕMeo

<0), từ kim loại kiềm đến Fe Các kim loại kiềm tác dụng với H2O trong toàn miền pH Còn Al và Mg chỉ tác dụng với H2O trong miền pH mà ở đó chưa tạo nên các màng oxit bền chắc che phủ bảo vệ nó Các kim loại nhóm này có thể kết tủa điện hoá từ dung dịch nước với điều kiện pH nằm trong khoảng từ

0 đến 5 vì ở pH từ 5 đến 7 (miền gạch chéo) tạo các hiđroxit kim loại ổn định Tất nhiên là quá trình kết tủa kim loại catôt của nhóm này chỉ xảy ra với các

kim loại có quá thế hydro trên nó đủ lớn Mặc dù vậy, trong thực tế, kim loại kiềm, Al, Mg không thể kết tủa catôt từ dung dịch nước.

Hình 1.5- Giản đồ trạng thái cân bằng ϕ -pH

Vùng II: Nằm giữa đường a-a' và b-b', gồm các kim loại kém tác dụng với ion OH- Ở pH = 0 → 5, thế điện cực của nhóm các kim loại Pb, Sn, Co,

Ni, Cd có thế điện cực nhỏ hơn 0, có điều kiện giống như các kim loại ở vùng

1 Tuy nhiên quá thế hiđro lại phụ thuộc vào pH nên khi pH tăng, ϕ(H2) giảm (xem đường a-a'), nên thế điện cực của các kim loại này có thể có cơ hội dương hơn ϕ(H2) Mặt khác, quá thế điện cực của H2 trên các kim loại nhóm này có giá trị đủ lớn nên các kim loại này có thể phóng điện ngay cả ở pH = 1

mà không có sự cùng phóng điện đáng kể của H2 Các kim loại dương tính hơn (ϕ>0) như Cu, Bi đương nhiên có thể phóng điện tốt trong môi trường axit (pH ≈ 1).

Vùng III: Nằm phía trên đường b-b' gồm các kim loại Hg, Pt, Ir, Ru, Rh, Au Trong số các kim loại dương tính này, các kim loại có (ϕMeo < 1,237V (nằm dưới điểm b) trong môi trường axit (pH =0(1) hành vi giống như các kim loại âm tính khác, khi phân cực anôt, tạo thành các cation kim loại Các kim loại có (ϕMeo > 1,237V (nằm trên điểm b), khi phân cực anôt không tạo được các cation kim loại, mà trên mặt anôt chỉ xảy ra quá trình oxi hoá điện hoá của nước, của OH- và các anion khác (anion của các halogen chẳng hạn) Như vậy, căn cứ vào biểu đồ quá thế của hydro và ôxy trên hình 1.5 ta thấy các quá trình điện phân ở dung dịch nước chỉ thuận lợi đối với các kim loại có quá thế cao hơn của hydro, đó là các kim loại như Au, Ag, Cu, As, Bi, Sb… và một số kim loại với điều kiện pH dung dịch trong khoảng 4,5 ÷ 7 như Sn, Pb, Ni, Co, Cd

1.3 Quá trình kết tủa kim loại ở catot

Lớp kết tủa kim loại từ dung dịch nước thường yêu cầu đạt lớp kết tủa đều, mịn dày sít Song trong thực tế kỹ thuật lớp kết tủa lại có nhiều dạng khác nhau

Lớp kết tủa Ag trong dung dịch AgNO3 + HNO3 ứng với giá trị Dk khá nhỏ, lớp kết tủa tập trung dạng bột, bở, không liên kết Ngược lại, kết tủa chì trong dung dịch HNO3 và CH3COOH kết tủa hạt to và thô, liên kết bền Rất nhiều kim loại nhận được lớp kết tủa dày đặc tinh thể thường phát triển vuông góc với bề mặt điện cực catot: Sự liên kết của kết tủa phụ thuộc vào bản chất kim loại và điều kiện điện phân với kích thước hạt rất khác nhau Lớp kết tủa thô, to rất thuận lợi cho quá trình sản xuất không tinh khiết Dạng kết tủa này

bề mặt giới hạn riêng của 1cm3 kim loại kết tủa nhỏ hơn dạng kết tủa mịn, nhỏ Độ xốp cũng bé, chứa ít tạp chất trong lỗ xốp hơn.

Trong công nghệ tinh chế kim loại dạng kết tủa thô to đảm bảo chất lượng kết tủa có độ tinh khiết cao Còn điện phân một số kim loại ở mật độ dòng điện giới hạn kết tủa kim loại dạng sa thạch, bột bở thường lẫn nhiều tạp chất Nhiều hiện tượng kết tủa kim loại ở điện cực catot có tuân theo một quy luật nhất định: Tốc độ phóng điện của các ion kim loại càng chậm, hoặc phân cực điện cực ứng với mật độ dòng điện xác định càng lớn thì kim loại kết tủa nhận được mịn, nhỏ, sít đều Ngược lại, tốc độ phóng điện của các ion kim loại càng nhanh hoặc phân cực ứng với mật độ dòng điện xác định càng bé thì kết tủa kim loại nhận được to, thô

Quá trình kết tủa kim loại hình thành theo thứ tự là:

− Tạo nên trung tâm tinh thể gọi là mầm

− Phát triển tinh thể từ mầm gọi là quá trình phát triển mầm

Ở đây cần phân biệt với quá trình kết tinh của hợp chất hoá học từ dung dịch quá bão hoà của một nhóm phân tử có năng lượng dự trữ đầy đủ về năng lượng động học dẫn đến tạo nên pha mới-các phần tử tinh thể gồm một nhóm các phân tử liên kết lại Các tinh thể hình thành liên tục và mất đi các phân tử mới sinh ra Mức năng lượng chung của các phân tử nằm trong tinh thể kết tinh nhỏ hơn năng lượng chung của chính số phân tử ấy Song các phần tử kết tinh chỉ có thể bảo toàn trong trường hợp nếu tăng năng lượng hoạt động của quá trình ngược lại quá trình hoà tan cho từng phần tử, từng ion tinh thể sẽ cao hơn năng lượng hoạt động tách các phân tử ra khỏi dung dịch tạo nên mầm tinh thể trên bề mặt phân chia pha Các phân tử tinh thể được bảo toàn trong trường hợp này sẽ được hình thành, có đầy đủ năng lượng động học cao

Số phân tử càng lớn trong phân tử kết tinh thì mức năng lượng trung bình của các phân tử càng thấp, năng lượng hoạt động ngược với hoà an càng cao Chính vì vậy các phần tử kết tinh bao gồm số lượng phân tử cực tiểu, tồn tại trong điều kiện ổn định đã cho, và chỉ trong trường hợp này không xảy ra quá trình ngược lại bằng sự hoà tan.

Lượng vật chất có trong dung dịch, sinh ra mầm tinh thể phải thực hiện công sinh ra pha thể tích mới: công Atạo mầm; bề mặt phân chia hai pha: tinh thể

C: Nồng độ dung dịch bão hoà trên mầm

Cs: Nồng độ dung dịch bão hoà trên bề mặt tinh thể

d: Mật độ pha mới

M: Phân tử lượng

T: Nhiệt độ

R: Hằng số khí

6: Cấu trúc tinh thể lập phương (sáu mặt)

Còn quá trình kết tủa kim loại, các ion phóng điện ở lớp điện tích kép, tinh thể được tạo nên trên bề mặt phân chia hai pha Các tinh thể thường là đơn phân tử hoặc lớp đơn ion Công tạo nên lớp đơn phân tử tinh thể:

2 mam

s

x MA

Ch.ln dC

π

=

(1.12)

Trong đó:

x: Năng lượng tiếp xúc

h: Chiều cao của mầm

Khi quan sát hiện tượng tạo mầm tinh thể trên điện cực cần phân biệt hai trường hợp:

− Khi tiến hành phóng điện của các ion ở vùng động học điện hoá thì tốc độ chuyển động của các ion không hạn chế tốc độ phóng điện của chúng

− Còn khi tiến hành phón điện của các ion ở vùng động học khuếch tán, trong trường hợp này tốc độ phóng điện vượt quá tốc độ chuyển động của các ion

Vậy ở trường hợp 1: Lượng mầm tinh thể sinh ra nhỏ hơn nên lớp kết tủa sít, dày đặc, thô Còn trường hợp hai, số lượng mầm tạo lớn hơn tốc độ phát triển mầm, tinh thể sinh ra từ mầm tinh thể nên lớp kết tủa nhỏ, mịn, xốp hơn.Cũng tương tự như vậy, cần phân biệt sự tạo mầm tinh thể trên điện cực Khi kim loại catot cùng thành phần, bản chất với kim loại kết tủa, và kim loại catot khác với thành phần và bản chất với kim loại kết tủa

Ở trường hợp sau, khi nghiên cứu đường cong điện thế-thời gian của quá trình kết tủa kim loại đồng lên điện cực Pt, có quan hệ như hình 1.6

-0,015 -0,01 -0,005 0 0,005

(V) ϕ

Đây là trường hợp cụ thể của quá thế khi tiến hành phóng điện của một ion kim loại này lên bề mặt điện cực của kim loại khác Quá thế xuất hiện do năng lượng bề mặt khác nhau của từng kim loại, có thông số mạng khác nhau giữa kim loại kết tủa và kim loại nền (điện cực)

Hiện tượng này còn có thể nhận thấy nhiều kim loại khác, thậm chí đối với kim loại kết tủa nó có khuynh hướng tạo nên hợp chất hoá học trên bề mặt catot đồng Ví dụ: Khi phân cực catot khá lớn, kết tủa kim loại Sb lên catot tạo nên hợp chất khá lớn, kết tủa kim loại Sb lên catot tạo nên hợp chất hoá học Cu3As, Cu5As Điện thế phóng điện As3+ lên điện cựcAs với nhiệt độ dung dịch 250C và 500C ứng với khoảng điện thế 0,25-0,23V Còn lên điện cực Cu với nhiệt độ như trên ứng với khoảng điện thế 0,5-0,4V (dung dịch:

100 g/l H2SO4, 7g/l As3+)

Tiếp theo ta tìm hiều xem mầm tinh thể sinh ra ở đâu trên bề mặt catot? Hiện nay, một số tác giả cho rằng mầm tinh thể hình thành do các catot trực tiếp phóng điện lên bề mặt điện cực catot, ưu tiên phóng điện ở các bị trí hoạt động nhất như là ở các vết xước, lõm, tại đó liên kết hoá học chưa bão hoà, năng lượng dự trữ bề mặt lớn (mầm không ưu tiên ở đỉnh, góc, chỗ lồi trên bề mặt điện cực)

1.4 Tính chất điện hoá của niken

Có nhiều tài liệu nghiên cứu khảo sát giá trị điện thế tiêu chuẩn của niken, theo tài liệu thống kê, nó phụ thuộc vào nồng độ ion H+ có trong dung dịch điện giải, giá trị thế điện cực dao động từ -0,64 đến 0,26V Sự không ổn định của điện thế niken biểu thị ở sự giảm thấp một cách thất thường dòng điện trao đổi (i0) sinh ra ở bề mặt phân chia pha kim loại-dung dịch NiSO4, có giá trị trong khoảng 10-6 – 10-9 A/dm2

Mặt khác, sự chênh lệch điện thế điện cực khá cao đã giải thích sự hoạt động bề mặt niken khá lớn, với khả năng hấp phụ nguyên tử oxy của bề mặt, hình thành trên bề mặt đơn phân tử oxy cũng như phân tử oxyt ảnh hưởng đáng kể đến thế điện cực cân bằng, đến tính chất điện hoá, đến quá trình đồng thời phóng điện của H+ và Ni2+ Nhiều tài liệu nghiên cứu đã chứng minh rằng: sự cùng đồng thời phóng điện của H+ và Ni2+ lên bề mặt điện cực catot,

tạo nên dung dịch rắn chứa hydro trong kim loại niken và kèm theo sự tăng đáng kể kích thước mạng lưới tinh thể niken làm cho tính chất của dung dịch rắn chứa hydro trong kim loại niken sạch không chứa hydro hoặc bão hoà hydro, bằng con đường điện phân giải phóng hydro trên bề mặt niken catot Tốc độ thoát khí H2 ra khỏi lớp kết tủa dạng dung dịch rắn phụ thuộc vào nhiệt độ, H2 tham gia vào lớp kết tủa kim loại phân bố không đồng đều theo chiều dày lớp kết tủa, chính vì vậy làm xuất hiện ứng suất nội và làm biến dạng catot.

Hình 1.7: Sự phụ thuộc điện thế niken vào pH dung dịch 1N NiSO 4 ở

20 0 C

Hình 1.7 biểu diễn sự phụ thuộc điện thế điện cực niken vào độ pH dung dịch 1N NiSO4 ở 200C Trong khoảng pH từ 2 đến 6 thế điện cực tương tự như điện cực hydro, điện thế biểu diễn theo công thức:

Điều này có khả năng xảy ra các phản ứng trao đổi ion:

Khi nhúng tấm niken kim loại điện phân vào dung dịch 1N NiSO4 có lẫn không khí ở 250C làm xuất hiện điện thế 0,01–0,02V (hình 1.7) Điện thế này tăng lên khoảng 0,05V suốt thời gian ngâm cực 20-25 giờ Sau đó điện thế tăng nhanh trong thời gian ngắn và giá trị giữ trong suốt 600-700 giờ với giá trị điện thế mới trong khoảng 0,28V, điện thế trơ nên ổn định.

Đối với dung dịch không có hydro hoà tan, nhúng chúng trong dung dịch 1N NiSO4 bão hoà không khí thì trên bề mặt điện cực xuất hiện phản ứng điện hoá:

Về ảnh hưởng của một số tạp chất phi kim, một số tài liệu cho biết một

số tạp chất N, O, C, S có ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của niken, thường

có khả năng khử thụ động Trong niken anot có chứa 0,35%C sẽ không bị thụ động, thậm chí cả trong dung dịch sunfat Về tác dụng khử thụ dộng của cacbon trước đây đã được một số nhà khoa học giải thích: Sự có mặt của cacbon đã phá hoại liên tục màng thụ động có trên bề mặt niken, ngoài ra hàm lượng cacbon khá cao sẽ dẫn đến tăng hàm lượng tro mùn anot và phân cực anot Tác dụng khử thụ động của S cũng xảy ra khi có 0,2% S trong anot niken và cả trong dung dịch sunfat Nhưng đồng thời trong anot có chứa đồng

và lưu huỳnh thì anot sẽ bị thụ động mạnh

1.5 Phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân niken

Quá trình điện phân dung dịch muối niken sunfat trong môi trường axit

dư xảy ra phản ứng điện cực như sau [8,14]:

Ở cực dương, anot không tan, do đó điện thế cần đạt đủ lớn để đủ cho ion OH- phóng điện và giải phóng oxy:

Kỹ thuật điện phân hiện đại ngày nay có thể khống chế nồng độ ion H+

không thay đổi trong dung dịch điện phân, người ta thường sử dụng H3BO3 bổ sung vào dung dịch để làm chất phụ gia đệm Độ axit của dung dịch được điều chỉnh nhờ phản ứng thuận nghịch trong giới hạn pH đã cho:

Giá trị độ dẫn điện riêng thay đổi phụ thuộc vào nồng độ các chất phụ gia cho vào dung dịch, ảnh hưởng đáng kể đến sự đồng thời phóng điện của ion H+ và Ni2+ lên catot Hiện tượng này làm giảm hiệu suất dòng điện và chất lượng kết tủa niken, lớp kết tủa niken mềm và tinh thể nhỏ, chúng rất nhạy với sự có mặt của các chất hữu cơ, chất keo, chất hoạt động bề mặt có trong dung dịch, các chất này dễ dàng hấp phụ lên bề mặt catot làm thay đổi cấu trúc mạng lưới tinh thể niken, gây cản trở hấp phụ hydro, có khả năng làm thay đổi phân cực, thay đổi lượng hydro tham gia vào kết tủa niken, dẫn đến lớp kết tủa dòn, ứng suất nội lớn.

Các tạp chất kim loại có trong dung dịch ảnh hưởng xấu đến quá trình catot: Cu2+, As2+ dễ dàng kết tủa làm bẩn kim loại tinh chế; Fe2+, Zn2+ có điện thế âm hơn niken song nó dễ dàng tạo nên hợp kim với Ni vì chúng cùng phóng điện lên điện cực catot

1.6 Tình hình nghiên cứu tấm màng niken catot

Từ trước đến nay người ta thường hay chỉ quan tâm đến cách làm thế nào để có được sản phẩm niken sạch, năng suất cao Nhưng qua nghiên cứu thực tế cho thấy tấm màng niken lại có ý nghĩa vô cùng quan trọng, bởi nó quyết định nhiều đến chất lượng bề mặt tấm niken điện phân cũng như độ sạch của nó

Tấm màng niken có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, cụ thể có thể là:

− Phương pháp kết tủa điện hoá trên tấm nhôm hoặc tấm titan từ dung dịch muối niken sunfat Đây là cách đơn giản nhất nhưng lại có nhược điểm là màng rất mỏng không đạt tiêu chuẩn chất lượng nên rất dễ rách

− Phương pháp phún xạ catot: Đây là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa vào nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng ion khí hiếm được tăng tốc

dưới điện trường bắn vào bia niken, làm cho các nguyên tử niken bị nóng đến trạng thái bốc bay ngược lên đế và lắng đọng trên đế Phương pháp này cho chất lượng màng niken cao nhưng tiêu hao năng lượng lớn, yêu cầu bia niken phải có độ sạch cao Tóm lại phương pháp phún xạ catot không có hiệu quả kinh tế trong việc chế tạo màng niken catot.

Hiện nay ở Việt Nam có rất nhiều nhà máy, công ty cơ khí chế tạo đồ gia dụng, phụ tùng xe máy, ô tô nhưng hầu như không có nhà máy nào chế tạo tấm màng niken phục vụ cho điện phân Qua khảo sát chúng tôi nhận thấy Công ty cổ phần Vật liệu và Môi trường cũng có chế tạo tấm màng niken điện phân, sản lượng của công ty không lớn chỉ đủ để phục vụ cho sản xuất của công ty

Các công trình nghiên cứu khoa học công nghệ trong nước về vấn đề này chưa nhiều, cho đến nay mới có một số công trình nghiên cứu về chất lượng tấm màng niken, tác giả chủ yếu là các cán bộ nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu Có thể thống kê các công trình dưới đây:

− Phạm Đức Thắng, Hoàng Lâm Hồng-Viện khoa học vật liệu – Viện KH và

CN Việt nam (2007), “Khảo sát SEM & EDX mặt cắt của tấm màng mỏng niken thu được trong quá trình điện phân dung dịch muối nickel”, Tạp chí KHCN kim loại 12/2007

− Phạm Đức Thắng, Lưu Minh Đại, Tô Duy Phương “Phương pháp giảm bong nứt lớp màng niken trên bề mặt điện cực trơ titan trong quá trình điện phân”, Tạp chí Hoá học 1/2008

− Phạm Đức Thắng, Lưu Minh Đại, Tô Duy Phương (Tháng 6/2008), “Ảnh hưởng của tạp chất đến sự bong nứt lớp niken kết tủa trên catôt titan trong quá trình điện phân và biện pháp xử lý”, TC KHCN kim loại, số (18)

Hầu hết trong số này đều là các công trình của Viện Khoa học vật liệu Các tác giả đã nghiên cứu tấm màng niken ở các góc độ như sau:

− Nghiên cứu ảnh hưởng của tạp chất đến sự bong nứt của tấm màng niken,

Một số tài liệu nước ngoài đã công bố cho thấy họ tập trung nghiên cứu niken kim loại và các hợp chất của nó, hầu như không nghiên cứu đến tấm màng niken catot, công trình của họ có một số đặc điểm nổi bật như sau:

− Nghiên cứu quá trình thu hồi kim loại niken từ dung dịch điện phân đã hết hạn sử dụng bằng các biện pháp tách chiết với dung môi là các hợp chất hữu cơ [18]

− Áp dụng các kết quả nghiên cứu trên để thu hồi niken từ hợp chất oxit niken sau khi nung chuyển hoá niken oxalat về dạng oxit [16]

− Nghiên cứu quá trình ngâm chiết và hoà tan các dạng oxit niken bằng dung dịch axit sunfuric hoặc hỗn hợp ammonia [20]

− Thu hồi niken được hoạt hoá từ bã thải bằng cách bổ sung trước hỗn hợp thiourea, sodium metabisulfite and sodium thiosulfat vào dung dịch điện phân [21]

1.7 Mục tiêu nghiên cứu

− Xác định ảnh hưởng của các yếu tố chính ( mật độ dòng điện trên catôt; độ

pH, nhiệt độ ban đầu của dung dịch điện phân, nguồn cấp ion niken, các tạp chất phát sinh…) thường gặp trong khi điện phân chế tạo tấm màng đến sự nguyên vẹn của nó và đề ra biện pháp phù hợp để xử lý hiện tượng bong nứt này

− Quy trình công nghệ chế tạo màng niken catot đạt chất lượng trong điều kiện điện phân cụ thể là: Điện phân niken trong môi trường dung dịch NiSO4 với điện cực anôt trơ; Bổ sung ion Ni2+ vào dung dịch từ muối niken dễ tan trong axit; Điện cực mồi catôt là điện cực trơ titan, Thiết bị điện phân không bố trí màng ngăn cũng như hệ thống tuần hoàn làm sạch dung dịch

1.8 Nội dung nghiên cứu

− Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường điện phân ( mật

độ dòng điện, nguồn cấp ion niken Ni2+, độ pH, nhiệt độ ban đầu của dung dịch …) đến quá trình điện phân niken

− Nghiên cứu các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự nguyên vẹn và chất lượng của tấm màng niken hình thành trên điện cực trơ titan và đề ra các biện pháp xử lý khắc phục

− Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp chế tạo màng niken catôt áp dụng trong các điều kiện môi trường điện phân đã đề ra

Chương 2- PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT

THỰC NGHIỆM

2.1 Chế tạo mẫu

Chế tạo mẫu là một khâu vô cùng quan trọng trong quá trình điện phân Việc chọn catot mồi có nhiều kim loại khác nhau, tuy nhiên trong khuôn khổ hướng nghiên cứu này chúng tôi chọn titan vì bề mặt titan trơn, không bám dính niken điện phân và dễ bóc màng niken hơn các kim loại khác

Trước khi điện phân chế tạo màng niken, tấm điện cực tian được xử lý làm sạch bằng cách đánh bóng bề mặt để loại bỏ tạp chất nặng còn bám dính trên bề mặt Sau đó đem ngâm trong dung dịch H2SO4 loãng để loại bỏ hoàn toàn tạp chất nhẹ còn bám dính trên điện cực Cuối cùng ngâm điện cực trong nước sạch để rửa sạch nốt axit trước khi đấu nối điện cực

2.2 Hoá chất sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm

− Axit sunfuric H2SO4 hàng công nghiệp của Việt nam nồng độ 95%

− Chất tăng cường: hàng công nghiệp của Việt Nam Đây là chất có tác dụng cuốn tạp chất dạng hạt phân tán trong dung dịch lên bề mặt dung dịch điện phân Sở dĩ nó cuốn được là vì trong quá trình hoà tan NiCO3 để bổ sung

− Dung dịch điện phân là muối niken sunphat Dung dịch này có thể tự chế tạo bằng cách hoà tan muối NiCO3, Ni(OH)2 hoặc muối NiCO3.nNi(OH)2

trong axit H2SO4

− Nguồn niken bổ sung là muối NiCO3, Ni(OH)2 hoặc muối NiCO3.nNi(OH)2 Đây là 3 loại muối thường gặp trong quá trình tinh chế thu hồi Ni từ bã thải công nghiệp mạ crom, niken

2.3 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm

Thiết bị nghiên cứu điện phân bao gồm:

− Máy điện phân Lioa một chiều công suất 1080W, điện áp tối đa 36V, dòng tối đa 30A với hệ thống chuyển tải bằng dây dẫn kim loại đồng để giảm thiểu tổn áp trên dây dẫn và chịu được trong môi trường axit

− Bể điện phân làm bằng nhựa hoặc compozit chịu được nhiệt độ trên 1000C

và chịu được axit

− Điện cực anot trơ hệ Pb-Ag-Sb và điện cực mồi làm catot bằng titan

− Máy đo pH thế hệ mới của Hungari, thang đo 0-14, độ chính xác ± 0,01

Hình 2.1: Máy đo pH của Hungari

2.4 Phương pháp phân tích số liệu

Thành phần hoá học màng niken sẽ được phân tích bằng phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng X-ray (EDX: enery dispensive X-ray spectrm) trên máy S-4800 Đây là phương pháp phân tích cho phép xác định được thành phần của tạp chất từ đó có thể xác định được ảnh hưởng của tạp chất đối với sự nguyên vẹn của màng niken

Thành phần khối lượng của chất rắn và dịch lỏng được xác định bằng phép phân tích hoá vô cơ và quang phổ hấp thụ AAS.

Chương 3- CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Quá trình điện phân là quá trình trao đổi điện và chất của 2 điện cực có dòng điện chạy qua cùng nhúng vào một dung dịch điện ly (hay gọi là dung dịch điện phân) Nói một cách khác, khi nhúng hai điện cực vào một dung dịch điện phân và cho dòng điện một chiều chạy từ điện cực nọ đến điện cực kia thông qua dung dịch điện phân, ta có một hệ thống điện phân Sơ đồ điện thế và phân cực của hệ thống điện phân được trình bày trên hình 3.1

Trước khi cho một điện áp từ bên ngoài tác động vào hệ thống, điện thế điện cực của hai cực ở trạng thái cân bằng và bằng nhau Khi nối hai cực của

hệ thống điện phân với nguồn (có một chênh lệch điện áp nhất định) từ bên ngoài, các cực của hệ sẽ có giá trị điện thế khác nhau Điện cực có điện thế cao hơn gọi là anôt hoặc cực dương, điện cực có điện thế thấp hơn gọi là catôt hoặc là cực âm Điện áp bể là hiệu của điện thế điện cực anôt và catôt

Trong trường hợp điện phân thu hồi niken, có thể phân loại quá trình này

là quá trình điện tích với sơ đồ như sau [8]:

(+)(Anôt trơ) O2 | NiSO4, H2O | Ni (catôt)(-)

Hình 3.1: Sơ đồ biểu diễn điện thế điện cực và điện thế bể

Trong quá trình thủy luyện Ni, điện phân (còn gọi là quá trình điện tích)

Ni được tiến hành trong dung dịch NiSO4 với cực âm là Ni và cực dương là hợp kim Pb-Sb-Ag

Quá trình cực âm:

Quá trình cực dương:

H2O → H+ + OH-→ 1/2O2↑ + 2H+ + 2e (3.2)Phản ứng điện cực tổng:

Ni2+ + H2O → Ni + 1/2O2 + 2H+ (3.3)Phản ứng hóa hóa học tổng có thể viết:

NiSO4 + H2O → Ni + 1/2O2 + H2SO4 (3.4)Trong quá trình điện phân thu hồi kim loại, nguồn cấp ion là muối cacbonat bazơ hoặc hydroxyt niken được hòa tan bởi axit sunfuric dư được tạo nên bởi phản ứng 3.5:

2NiCO3nNi(OH)2+2(n+1)H2SO4 → 2(n+1)NiSO4+

Ni(OH)2 + H2SO4→ NiSO4 + 2H2O (3.6)Căn cứ vào lý thuyết Nernst, đối với trường hợp điện tích kim loại nêu trên, điện áp bể điện phân được tính theo công thức sau:

Ubể(NiSO4) = [ϕcb(O2)+∆ϕa(O2)]-[ϕcb(Ni)+∆ϕc(Ni)]+IR (3.7)Thay ϕcb(O2) theo 1.8 và ϕcb(Ni) theo 1.5 vào (3.7) và chỉnh lý ta được:

Ubể(NiSO4) = [ϕo(O2)-ϕo(Ni)] + 0.0295lgP1/2(O2)C(Ni2+) – 0,059pH + [∆ϕa(O2) - ∆ϕc(Ni)] + IR

Ubể(NiSO4)= 1,459 + 0,0295lgP1/2(O2)C(Ni2+) – 0,059pH + ∆ϕ +

Trong đó: ∆ϕ = [∆ϕa(O2) - ∆ϕk(Ni)] - Tổng phân cực của cả hai cực.Trong công thức 3.8 giá trị tổng phân cực ∆ϕ là đại lượng đặc trưng cho động học của quá trình điện phân Nó tính đến các loại tác nhân ảnh hưởng làm biến đổi thế điện cực và qua đó ảnh hưởng đến quá trình phóng điện để bảo đảm sự điện phân được diễn ra bình thường

Quá trình điện phân thu hồi kim loại là quá trình hóa lý xảy ra dưới tác động ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau nhưng có mối liện quan mật thiết

và đan xen với nhau Bản thân các yếu tố này lại chịu sự chi phối của một số yếu tố cơ bản như: Mật độ dòng điện chuyền qua các điện cực và dung dịch điện ly; nồng độ muối niken sulfat của dung dịch điện ly; nhiệt độ của dung dịch; độ kiềm pH của dung dịch; các tạp chất phát sinh trong quá trình điện phân Các yếu tố này quyết định những chỉ tiêu quan trọng nhất của quá trình điện phân là năng suất và chất lượng kim loại thu hồi Qua tham khảo các tài liệu cho thấy vấn đề điện phân thu hồi kim loại bằng nguồn cấp ion Ni2+ từ muối cacbonat bazơ niken hầu như không được đề cập đến Do đó, nhiệm vụ được đặt ra là cần nghiên cứu ảnh hưởng của chúng nhằm làm cơ sở để xây dựng quy trình phù hợp để hạn chế tối thiểu hiện tượng bong nứt của màng niken catot Để nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố này, quá trình điện phân được thực hiện trong phòng thí nghiệm với các thiết bị điện phân gồm có: Máy cấp dòng công suất 1080W, bảo đảm điện áp Umax ~ 36V, cường độ dòng Imax ~ 30A; thùng điện phân dung tích 5 lit; dung dịch điện phân là dịch niken sulfat thứ cấp thu hồi từ bã thải công nghiệp mạ niken với nồng độ khoảng 150g NiSO4.7H2O; anôt là ban đầu cực hợp kim chì-bạc-antimon với

thành phần hợp kim tương ứng 94÷97%Pb; 2÷5%Sb; 0,5÷1,5%Ag; nguyên liệu cấp ion Ni+2 thường xuyên là muối cacbonat bazo niken NiCO3.nNi(OH)2.

3.1 Ảnh hưởng của mật độ dòng tới khối lượng niken điện phân và chất lượng bề mặt tấm màng

Khối lượng kết tủa kim loại m kết tủa lên diện tích S tính được theo định luật Faraday:

c

Trong đó:

S - diện tích mạ, dm2

ic- Mật độ dòng điện catôt A/dm2

H - Hiệu suất dòng điện

C – Đương lượng điện hóa của ion kim loại; g/Ah

t - Thời gian điện phân

Trong các thông số trên, hiệu suất dòng điện H của dung dịch niken sulfat hầu như không đổi trong khoảng 0,9-1, đương lượng điện hóa của quá trình tủa niken: Ni2+ + 2e → Ni là giá trị không đổi C = 1,095 [8;17] Từ đó có thể thấy rằng khối lượng kim loại kết tủa trên catôt phụ thuộc tuyến tính vào mật độ dòng điện (hay cường độ dòng điện)

Để xác định xem quy luật tuyến tính trên có đúng trong trường hợp điện phân thu hồi niken kim loại ta tiến hành điện phân thực nghiệm như sau: catôt làm từ tấm titan được nhúng vào dung dịch điện phân với diện tích bề mặt phần nhúng là 1 dm2; tiến hành điện phân 3 mẫu với mật độ dòng điện lần lượt đạt 2,5-5-8 A/dm2; độ pH dung dịch ban đầu là 3,0 và được duy trì trong khoảng 2,6÷2,9 bằng cách cấp liệu NiCO3.nNi(OH)2 đều đặn cho dung dịch

để trung hòa bớt lượng axit phát sinh; sau mỗi khoảng thời gian điện phân cân

mẫu để xác định lượng niken kết tủa lên catôt; nhiệt độ điện phân duy trì trong khoảng 55÷60oC chủ yếu do tự nhiệt Kết quả đo đạc được đưa vào bảng 3.1 và đồ thị trên hình 3.2, 3.3 dưới đây.

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến khối lượng niken kết

tủa theo thời gian (g/dm 2 )

Time (h)

I = 2.5A/dm 2 I = 5A/dm 2 I = 8A/dm 2

∆M (g) = M-Mo

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa lượng niken

kết tủa M với mật độ dòng điện ở các

Hình 3.3: Mối liên hệ gữa lượng niken kết tủa M vớithời gian T và mật độ dòng điện phân i

0 5 10 15 20 25

Tuy nhiên điều cần phải quan tâm là mật độ dòng điện tới hạn bởi vì tại mật độ dòng tới hạn thì sẽ cho kết tinh dạng hạt và nếu mật độ dòng điện lớn hơn mật độ tới hạn thì lúc đó một số kim loại khác có thế điện cực âm hơn sẽ phóng điện [8] Khi đã tìm được mật độ dòng điện tới hạn thì ta hoàn toàn có thể xác định được dòng điện yêu cầu cho điện phân i < ith để đảm bảo cho màng niken được nhẵn và hạn chế tối đa lẫn kim loại tạp

Cũng theo [8] ta dễ dàng xác định mật độ dòng điện tới hạn bằng thực nghiệm Đó là với mỗi mẫu thí nghiệm ta tăng dần điện áp, đồng thời với điện

áp tăng là dòng điện tăng, tại một lúc nào đó điện áp tăng mà dòng không thay đổi thì dòng điện lúc đó chính là dòng tới hạn Kết quả thực nghiệm cho bởi bảng 3.2 và hình 3.4

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của điện áp đến dòng điện

Mật độ dòng điện (A/dm 2 ) 350 395 430 475 480 550 600

Hình 3.4: Đường dòng điện phụ thuộc vào điện áp

Từ đồ thị hình 3.4 ta có thể thấy rằng mật độ dòng điện tới hạn ith rất lớn

480 A/dm2 trong khoảng điện áp 4,5÷5V Như vậy có thể khẳng định rằng dải mật độ dòng điện từ 0-8 A/dm2 thì định luật pharaday vẫn đúng cho điện phân niken kim loại Nhưng khi tăng điện áp có thể làm tăng phân cực của các kim loại tạp chất khác làm cho kim loại có thế điện cực âm hơn cũng bị phóng điện với cùng một tỷ lệ nhất định Một trong những nguyên tố dễ phóng điện đồng thời với Ni là H bởi thế điện cực Ni và H rất gần nhau

Để minh chứng điều này chúng tôi tiến hành điện phân ở 3 mức mật độ dòng là 2,5A/dm2, 5 A/dm2 và 8A/dm2 Kết quả phân tích bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho bởi các hình 3.5, 3.6, 3.7