Nghiên cứu chế tạo màng niken catot trên điện cực nhôm

Nghiên cứu chế tạo màng niken catot trên điện cực nhôm

LỜI MỞ ĐẦU 3 TỔNG QUAN 4 1. Tình hình nghiên cứu điện phân tấm màng niken catot ngoài nước.4 2. Tình hình nghiên cứu trong nước .5 PHẦN MỘT: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 7 1.1. Phương pháp nghiên cứu .7 1.2. Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm 8 1.3. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm .8 1.4 Phương pháp đánh giá .9 PHẦN HAI: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI .10 2.1 Ảnh hưởng của yếu tố môi trường đến quá trình điện phân niken 11 2.1.1 Ảnh hưởng của mật độ dòng tới khối lượng niken điện phân .11 2.1.2 Ảnh hưởng của độ pH ban đầu và mật độ dòng đến lượng kết tủa niken kim loại 13 2.1.3 Ảnh hưởng của nguyên liệu cung cấp nguồn ion Ni2+ đến lượng niken kết tủa 16 2.2. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự nguyên vẹn và chất lượng tấm màng niken hình thành trên điện cực nhôm .18 2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến tình trạng bong nứt .18 2.2.2. Ảnh hưởng của độ sạch dung dịch qua các chu kỳ điện phân đến sự bong nứt 19 2.3. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng niken trên điện cực nhôm 25 2.3.1 Lựa chọn chế độ điện phân và chuẩn bị thiết bị 25 2.3.2. Tiến hành điện phân trên điện cực nhôm .25 2.3.2. Đánh giá kết quả thu được .26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 2 LỜI MỞ ĐẦU Chế tạo catot mẫu là một trong những khâu quan trọng trong quá trình điện phân niken bởi chất lượng tấm màng niken catot quyết định đến năng suất, chất lượng của tấm niken cũng như hiệu quả kinh tế mà nó đem lại. Trên thế giới công nghiệp chế tạo niken đã phát triển từ rất lâu. Nhưng ở Việt Nam vấn đề sản xuất niken mới phát triển ở mức độ đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất niken ở Bản Phúc, Sơn La. Chính vì vậy vấn đề chế tạo catot hầu như bỏ ngỏ. Qua khảo sát chúng tôi nhận thấy Công ty cổ phần Vật liệu và môi trường cũng có sản xuất tấm màng niken phục vụ điện phân, sản lượng của công ty không lớn chỉ đủ để phục vụ cho việc sản xuất của cơ sở này. Để góp phần phát triển công nghệ chế tạo niken tôi nghiên cứu chế tạo màng niken catot trên điện cực nhôm, đánh giá hiệu quả kinh tế của phương pháp này cũng như khả năng ứng dụng triển khai trong sản xuất quy mô công nghiệp. 3 TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu điện phân tấm màng niken catot ngoài nước Trên thế giới, vấn đề sản xuất niken từ quặng với trữ lượng lớn đã được nghiên cứu từ lâu. Tuy nhiên, việc sản xuất niken từ quặng trữ lượng lớn này hầu như người ta không sử dụng phương pháp điện phân tinh luyện, thay vào đó người ta oxy hóa kim loại, sau đó cacbonyl hóa niken rồi nhiệt phân khí này thành niken bột, cuối cùng là nấu chảy bột niken trong môi trường khí bảo vệ rồi đúc thỏi. Tuy nhiên phương pháp này nhiều độc hại, đòi hỏi yêu cầu khắt khe cao về công nghệ cho nên rất tốn kém, chi phí cho công nghệ sản xuất lớn cho nên ngày nay công nghệ này rất ít khi sử dụng. Ngày nay công nghệ chế tạo niken thường phối hợp cả hai phương pháp chế tạo đó là kết hợp thuỷ và hoả luyện kim. Khâu cuối cùng của phương pháp thuỷ luyện là điện phân tinh luyện kim loại. Bởi vậy, chế tạo màng niken để điện phân là cách nên dùng. Phương pháp điện phân niken phổ biến là chế tạo được tấm niken sau đó bán tấm niken này cho các cơ sở mạ. Tại các cơ sở mạ, tấm niken bị anot hóa đến độ mỏng nhất định thì lại tái chuyển các tấm anot này về cơ sở điện phân niken. Phương pháp này cho thấy hiệu quả kinh tế kém bởi chi phí vận chuyển đi lại nhiều và phải làm sạch tấm niken mồi. Trên thế giới người ta cũng đang dùng phương pháp chế tạo màng niken trên điện cực titan. Titan là kim loại có độ bóng, độ xít chặt cao nên niken bám trên đó rất dễ bóc. Việc chế tạo màng niken catot ứng dụng trong điện phân hầu như chỉ ứng dụng trong sản xuất niken điện phân tận thu từ bã thải hoặc bằng phương pháp thủy luyện tinh luyện niken từ quặng với trữ lượng thấp (quy mô công suất không lớn lắm). Vì lẽ đó mà trên thế giới có rất ít công trình nghiên cứu về lĩnh vực mới mẻ này. 4 2. Tình hình nghiên cứu trong nước Phát triển chậm so với xu thế chung của thế giới, lĩnh vực sản xuất niken là lĩnh vực hoàn toàn mới lạ ở Việt Nam bởi tính chất vô cùng phức tạp của công nghệ và tình hình cụ thể nước ta là nước có nền luyện kim lạc hậu. Lĩnh vực mạ điện đã thải ra một lượng lớn chất thải chứa niken hàm lượng thấp cần phải tận thu để thu hồi. Đây là biện pháp tích cực để thu hồi các kim loại quý và hạn chế ảnh hưởng đến môi trường nếu các bã thải mạ điện này đem thải trực tiếp ra ngoài môi trường. Nắm bắt tình hình thực tế này từ năm 2006 Viện Khoa học Vật liệu đã giao cho Phòng Công nghệ kim loại nghiên cứu tận thu kim loại niken từ bã thải công nghiệp mạ. Kết quả nghiên cứu của phòng Công nghệ kim loại đã được ứng dụng và triển khai sản xuất từ năm 2007 tại công ty Cổ phần Vật liệu và môi trường. Công nghệ sản xuất niken tại đây sử dụng phương pháp chế tạo tấm màng niken điện phân trên điện cực trơ nhôm, sau đó màng niken được bóc ra từ điện cực này làm catot mồi điện phân. Việc sản xuất này hoàn toàn mang tính giải quyết tình thế và quy mô mỏ chỉ đủ đáp ứng cho việc sản xuất tại công ty. Nước ta cũng được thiên nhiên ưu đãi có một số mỏ niken ở Thanh Hóa, Sơn La. Tuy nhiên trữ lượng mỏ không lớn lắm cho nên rất khó có thể áp dụng quy trình công nghệ cacbonyl hóa niken vô cùng hiện đại và tốn kém. Vì thế, công ty mỏ niken Bản Phúc - Sơn La mới dừng lại ở công tác khai mỏ, tuyển quặng. Nắm bắt tình hình thực tế này từ năm 2008 Phòng Công nghệ Kim loại (Viện Khoa học vật liệu) bắt tay vào nghiên cứu công nghệ sản xuất niken từ quặng bằng phương pháp kết hợp giữa hỏa luyện với thủy luyện. Trong đó, khâu thủy luyện điện phân niken đã có nhiều thành công đáng kể từ những kết quả nghiên cứu tận thu niken từ bã thải công nghiệp mạ. Quy trình thủy luyện điện phân niken đã cho thấy tính chất ưu việt của nó áp dụng ở quy mô sản xuất công nghiệp vừa và nhỏ phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam. Chính vì vậy mà khâu điều chế tấm màng niken càng phải nghiên cứu một cách kỹ lưỡng và cấp thiết hơn vì nó là một khâu quan 5 trọng trong quy trình công nghệ này. Đề tài của tôi tập trung vào nghiên cứu chế tạo màng niken catot trên điện cực nhôm. 6 PHẦN MỘT: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 1.1. Phương pháp nghiên cứu Quá trình điện phân tinh luyện niken nói chung và điện phân màng niken nói riêng đều có thể áp dụng theo nguyên lý mạ điện. Đó là cho tấm niken điện phân làm anot tan, còn sản phẩm niken tinh luyện được sẽ làm catot; ion niken sẽ tan ra ở cực dương chuyển về cực âm và bám ở đó bằng các phản ứng điện hóa. Tuy nhiên, theo quy trình thủy luyện thông thường nguồn cung cấp ion niken là các muối sunfat niken hoặc cacbonat niken dễ hòa tan. Chính vì vậy đề tài này tôi tập trung nghiên cứu với nguồn cung cấp ion niken là các muối NiCO 3 , NiCO 3 .nNi(OH) 2 , Ni(OH) 2 , đây là ba sản phẩm trung gian thường gặp trong quá trình tinh chế thu hồi niken từ bã thải công nghiệp mạ; các muối này có được là do hàng loạt các khâu lọc tách và kết tủa bởi các chất trung gian có độ tinh khiết cao bởi vậy chúng thường có độ tinh khiết cỡ 99%. Các muối này thường được hoà tan trong dung dịch axit sunfuric đến độ pH tương đương trong bể điện phân rồi được bổ sung vào bể. Dung dịch điện phân là muối niken sunfat. Dung dịch này hoàn toàn có thể tự chế tạo bằng cách hoà tan muối NiCO 3 , Ni(OH) 2 hoặc muối NiCO 3 .nNi(OH) 2 trong axit H 2 SO 4 . Trước khi điện phân chế tạo màng niken, tấm điện cực nhôm 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 H 2 SO 4 loãng ( hoặc HCl ) trong thời gian ngắn để loại bỏ hoàn toàn tạp chất dễ hoà tan 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. Quá trình điện phân thu niken nói chung và điện phân thu được màng niken nói riêng trước tiên phải tuân theo quy luật điện phân. Chính vì vậy ta phải khảo sát một số yếu tố thường gặp như: mật độ dòng điện trên catot, độ 7 pH, nhiệt độ ban đầu của dung dịch, nguồn cấp ion niken, . đến năng suất, sự nguyên vẹn của tấm niken. Cuối cùng là nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố chính đến sự nguyên vẹn và chất lượng tấm màng niken hình thành trên catot nhôm và đề ra biện pháp xử lý khắc phục. 1.2. Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm - Axit sunfuric H 2 SO 4 hàng công nghiệp của Việt nam nồng độ 95%. - Chất tăng cường: Dodecan sunfurnat kali KC 12 H 25 .SO 3 hàng công nghiệp của Việt Nam. - Các muối cung cấp ion trong quá trình điện phân màng niken catot trên điện cực nhôm: NiCO 3 , NiCO 3 .nNi(OH) 2 , Ni(OH) 2 . 1.3. 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 100 0 C và chịu được axit. Hình 1.1: Máy đo pH của Hungari − Điện cực anot trơ hệ Pb-Ag-Sb và điện cực mồi làm catot bằng nhôm. 8 − Máy đo pH thế hệ mới của Hungari, thang đo 0-14, độ chính xác ± 0,01. 1.4 Phương pháp đánh giá 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. 9 PHẦN HAI: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Trong trường hợp điện phân thu hồi niken, có thể phân loại quá trình này với sơ đồ như sau [8]: (+) (Anôt trơ) O 2 | NiSO 4 , H 2 O | Ni (catôt) (-) Hình 2.1: 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 NiSO 4 với cực âm là Ni và cực dương là hợp kim Pb-Sb-Ag. Quá trình cực âm: Ni 2+ + 2e → Ni (2.1) Quá trình cực dương: H 2 O → H + + OH - → 1/2O 2 ↑ + 2H + + 2e (2.2) Phản ứng điện cực tổng: Ni 2+ + H 2 O → Ni + 1/2O 2 + 2H + (2.3) Phản ứng hóa hóa học tổng có thể viết: NiSO 4 + H 2 O → Ni + 1/2O 2 + H 2 SO 4 (2.4) Trong quá trình điện phân thu hồi kim loại, tôi sử dụng nguồn cấp ion là muối cacbonat bazơ hoặc hydroxyt niken được hòa tan bởi axit sunfuric dư được tạo nên bởi phản ứng 2.5 và 2.6: U bể ϕ a ϕ k ϕ oa ϕ ok Anôt Catôt ∆ϕ a ∆ϕ k IR (+) (−) 10 [...]... điều kiện yêu cầu nền catot ban đầu phải sạch và bóng trong điện phân Vì vậy theo tôi nên tiếp tục nghiên cứu chế tạo màng niken catot trên điện cực có bề mặt cứng hơn nhôm và bóng khó bị trầy sước hơn nhôm để có thể so sánh và lựa chọn 28 phương án dùng kim loại có tính chất phù hợp để điện phân chế tạo màng niken catot TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Bộ môn Vô cơ điện hoá (1987), Điện phân thoát kim... có thể chế tạo màng niken catot trên nền điện cực nhôm Tuy nhiên, xét về mặt công nghệ tôi lại thấy nhôm có nhược điểm mà khó có thể ứng dụng làm catot chế tạo màng niken bởi vì: Nhôm là kim loại mềm, rất dễ uốn dẻo, bề mặt rất dễ bị trầy sước Chính những đặc điểm này mà sau mỗi lần bóc màng niken ra khỏi tấm nhôm, nó thường bị sước và biến dạng Nếu tiếp tục điện phân lần tiếp theo thì nhôm rất dễ... dụng cho lần điện phân tiếp theo Dưới đây là một số hình ảnh của sản phẩm: b) Tấm nhôm sau khi bóc màng a) màng kích thước 0,5 x 1 dm c) Màng niken thành phẩm kích thước 4 x 8 dm Hình 2.8: Một số hình ảnh về sản phẩm 26 27 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Đề tài đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng niken catot trên nền điện cực nhôm với độ dày cỡ 0,5mm đủ tiêu chuẩn để có thể điện phân niken - Xét... 2.3.1 Lựa chọn chế độ điện phân và chuẩn bị thiết bị Từ kết quả thực nghiệm điện phân chế tạo màng niken sunfat với nguyên liệu được chuẩn bị từ bã thải mạ điện, có thể rút ra chế độ điện phân hợp lý như sau: Dung dịch điện phân là dung dịch niken sunfat nồng độ 200 g/l, mật độ dòng điện ≈ 5 A/dm2, điện áp cấp vào 5 V, khoảng cách điện cực 20 cm, nhiệt độ điện phân cỡ 600C Thiết bị điện phân được chuẩn... muối bazo niken, nhờ vậy mà có thể giảm được tiêu hao điện năng, thời gian điện phân, nâng cao năng suất và cải thiện sự đồng đều bề mặt của tấm màng niken điện phân trên điện cực trơ nhôm 17 2.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự nguyên vẹn và chất lượng tấm màng niken hình thành trên điện cực nhôm 2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến tình trạng bong nứt Một điều quan trọng để nghiên cứu ảnh hưởng... chuẩn bị bao gồm: - Bể điện phân làm bằng nhựa hoặc compozit chịu được nhiệt độ và axit cao - Điện cực anot trơ thường bằng hợp kim hệ Pb-Ag-Sb, điện cực catot làm bằng nhôm - Nguồn cấp điện một chiều, hệ dây dẫn làm bằng đồng 2.3.2 Tiến hành điện phân trên điện cực nhôm - Điện cực trước khi điện phân phải sử lý làm sạch bề mặt để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất dạng hạt bám trên bề mặt bằng máy đánh... dịch điện phân Nhờ vậy, lượng tạp chất không tan trong dung dịch giảm đi đáng kể và hạn chế được một cách hiệu quả khả năng lẫn cơ học của chúng vào lớp niken kết tủa Và theo phân tích nêu trên cũng có nghĩa là hạn chế được tình trạng bong, nứt tấm niken điện phân khỏi catot nhôm do ảnh hưởng của tạp chất, đặc biệt là tạp chất lẫn cơ học 24 2.3 Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng niken trên điện cực nhôm. .. đến chế độ ổn định thì nhiệt độ bể điện phân ở mức 600C - Tiếp tục điện phân dung dịch ở chế độ ổn định khoảng 6h; trong quá trình điện phân thường xuyên kiểm tra độ pH và đảm bảo nồng độ ion Ni 2+ ổn định bằng cách bổ sung muối NiCO3.nNi(OH)2 25 - Khi đủ thời gian quy định, dừng điện phân; tháo dỡ điện cực catot và bóc lấy màng niken ra khỏi tấm nhôm 2.3.2 Đánh giá kết quả thu được Các tấm màng niken. .. cùng phóng điện với niken và cả các nguyên tố lẫn cơ học như C với hàm lượng 16,94% Các tạp chất lẫn cơ học phi kim lẫn vào và cũng có thể bám trên bề mặt nhôm nổi cộm lên và tạo sự sắc nhọn chống vào lớp màng niken không chỉ làm giảm tính đồng nhất về tổ chức mà còn tạo nên sự gồ ghề trên bề mặt lớp niken điện phân do kích thước của chúng thường lớn hơn so với các tạp chất cùng phóng điện với niken, như... axit sunfuric) - Dung dịch điện ly: Rót đầy dung dịch niken sunfat nồng độ khoảng 200 g/l vào thùng điện phân - Đấu nối catot nhôm với cực âm của nguồn, anot với cực dương của nguồn điện rồi tiến hành đóng điện - Ban đầu để điện áp đặt vào 5V, mật độ dòng ban đầu 2,5 A/dm 2 sau mỗi giờ ta lại tăng 0,5 A/dm 2 sau 5 h thì mật độ dòng đạt chế độ ổn định 5 A/dm2 Đây là chế độ điện phân khi nhiệt độ dung