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
M S.i .H.C.t= (3.9)
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/dm2)
Time (h)
I = 2.5A/dm2 I = 5A/dm2 I = 8A/dm2
∆M (g) = M-Mo pH ∆M (g) = M-Mo pH ∆M (g) = M-Mo pH 0,5 2,83 2,68 2,71 1 1,6 2,76 3,05 2,62 5 2,69 1,5 2,79 2,72 2,73 2 3 2,83 6,7 2,77 9,85 2,72 2,5 2,86 2,88 2,73 3 4,9 2,84 11,05 2,80 15,05 2,78 3,5 2,79 2,84 2,86 4 6,8 2,88 14,4 2,76 21,7 2,84
Căn cứ vào đồ thị biểu diễn các kết quả của các mẫu ta thấy khối lượng kết tủa hầu như phụ thuộc tuyến tính vào thời gian và mật độ dòng. Như vậy, định luật Pharaday hoàn toàn có thể áp dụng vào quá trình điện phân thu hồi niken thông qua dịch điện ly niken sunfat và muối cấp liệu cacbonat bazơ niken.
Hình 3.2: Mối liên hệ giữa lượng niken kết tủa M với mật độ dòng điện ở các
thời điểm xác định 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 Mật độ dòng điện M ,g t=1h t=2h t=3h t=4
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 0 1,5 3 4,5 T, h M , g D1 (2.5A/dm2) D2 (5A/dm2) D3 (8A/dm2)
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
Điện áp (V) 1 2 3 4,5 5 6 7
300 400 500 600 1 2 3 4 5 6 7 Điện áp (V) M ậ t đ ộ dòn g đ i ệ n ( A /d m 2)
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.
Hình 3.5: Mặt cắt tấm niken nguyên vẹn, mật độ dòng 2,5 A/dm2, thời gian điện phân 5 phút
Hình 3.6: Mặt cắt tấm niken mật độ dòng 5A/dm2, thời gian điện phân 5 phút
Hình 3.7: Mặt cắt tấm niken mật độ dòng 8A/dm2, thời gian điện phân 5 phút
Các hình 3.5, 3.6 đã thể hiện được bề mặt tương đối đồng đều về chất lượng, tuy nhiên hình 3.5 cho thấy bề mặt không được bóng đẹp như hình 3.6, điều này đã thể hiện rằng tuy chưa đạt mật độ dòng tới hạn nhưng khi mật độ dòng điện thấp thì xảy ra sự phân cực điện hoá tức là tốc độ phóng điện kém trong khi nồng độ ion ở sát bề mặt điện cực lại đủ lớn. Tại mật độ dòng điện 5A/dm2 điện phân cho bề mặt đủ nhẫn bóng không có hiện tượng lồi lõm.
Khi mật độ dòng điện 8A/dm2 bề mặt màng niken không được nhẵn bóng, chỗ lồi lõm, điều này được hiểu rằng tại mật độ dòng điện này thì ngoài Ni còn có H2 phóng điện, chính H2 phóng điện và lẫn vào kim loại có thể là nguyên nhân dẫn tới hiện tượng lồi lõm bởi có bọt H2 lẫn vào. Đồng thời phóng điện của H2 làm cho pH cục bộ tại sát bề mặt catot tăng lên dẫn đến hình thành một số hidroxit nhất định như của Cr và Fe. Kết quả là các điểm hidroxit và bọt H2 bám vào bề mặt màng niken gây nên hiện tượng lồi lõm của màng niken. Cuối cùng có thể khẳng định rằng điện phân ở chế độ điện
áp 5V, mật độ dòng 5A/dm cho hiệu quả tốt nhất về sự phẳng của màng niken.