CHƯƠNG ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH THỐT KIM LOẠI Cơng nghệ mạ điện Điện phân tinh luyện kim loại 2.1 CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN 2.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Mạ điện trình phủ lớp kim loại lên bề mặt đồ vật kim loại khác Mục đích việc mạ điện: • Phục hồi các chi tiết bị mài mòn • Chống mài mòn • Chống gỉ, sét • Phục hồi các mặt lắp ghép chặt của chi tiết • Làm cho sự tiếp xúc của các bề mặt chi tiết tốt hơn • Mạ trang sức • Tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt Các lĩnh vực ứng dụng mạ điện: Lĩnh vực xây dựng Lĩnh vực viễn thông Sản xuất dân dụng Ngành kỹ thuật cao Cơng nghiệp đóng tàu Cơng trình thủy lợi Lĩnh vực khác Các giai đoạn quy trình mạ điện: • Gia cơng bề mặt trước mạ • Q trình mạ • Gia công bề mặt sau mạ Yêu cầu lớp mạ: • Bám vào kim loại nền, khơng bong • Lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn, độ xốp nhỏ • Lớp mạ bóng, dẻo, độ cứng cao • Lớp mạ có độ dày định http ://www.3ce.vn/vi/ho-tro/co-khi-may-moc/1198-cong-nghe-ma-dien-phan-trong-san-xuat-co-khi-v15-1198.html 2.1.2 GIA CÔNG BỀ MẶT Oxit kim loại Chất bẩn Dầu mỡ Khuyết tật Chất lượng lớp mạ Quy trình gia cơng bề mặt kim loại = Gia cơng học + Gia cơng hóa học điện hóa Gia cơng học Bề mặt kim loại Nhóm hạt Hạt mài Độ hạt 200 160 125 100 80 63 50 40 32 25 20 16 Mài Đánh bóng (Đá mài, phớt mài) Cỡ hạt, m 2500-2000 2000-1600 1600-1250 1250-1000 1000-800 800-630 630-500 500-400 400-315 315-250 250-200 200-160 Bề mặt kim loại nhẵn bóng Nhóm hạt Độ hạt Cỡ hạt, m Bột mài 12 10 160-125 125-100 100-80 80-63 63-50 50-40 Bột mịn M40 M28 M20 M14 M10 M7 M5 40-28 28-20 20-14 14-10 10-7 7-5 5-3 Gia cơng hóa học điện hóa Tẩy dầu mỡ hóa học Dầu mỡ có nguồn gốc động vật (este phức tạp) Xút, photphat, chất tẩy rửa tổng hợp, chất hữu có phân tử lượng lớn (gelatin, dextrin…), Na2CO3 (C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH = 3C17H35COONa + C3H5(OH)3 Stearin Dầu mỡ có nguồn gốc khống vật (hỗn hợp hydrocarbon) Dung môi hay chất tẩy đặc biệt (chất hoạt động bề mặt – chất nhũ hóa, biến dầu mỡ bám bề mặt thành nhũ tương) Không dùng dung môi dễ cháy xăng, benzen, toluen… Dung môi thường dùng tricloetylen tetracloetylen Gia cơng hóa học điện hóa Tẩy dầu mỡ điện hóa • Mục đích: làm lần cuối để lấy màng dầu mỡ sót lại • Ưu điểm: cho bề mặt sạch, thời gian tẩy ngắn • Cơ chế tách dầu mỡ điện hóa: phân tử dầu mỡ bị đẩy khỏi bề mặt kim loại phân tử nước bị phân hủy thành Cathode chất có mạch carbon thấp dễ bay Anode hay hòa tan • Đối với kim loại có chế độ tẩy khác Dd tẩy rửa: thành phần giống dung dịch tẩy mỡ hóa học có nồng độ lỗng Phương pháp sóng siêu âm  < 20 kHz Dung dịch tẩy rửa Dung môi Dầu mỡ, gỉ, oxit, cặn bẩn… • Trong công nghiệp sản xuất đồng hồ, linh kiện điện tử, bán dẫn, công nghệ cao… hay dùng sóng siêu âm vào việc tẩy rửa • Chất lỏng khơng có tác dụng hóa học với chất bẩn tẩy siêu âm có tác dụng vật lý bào bề mặt, chất lỏng hòa tan hay xà phòng hóa chất bẩn tẩy siêu âm có thêm tác dụng hóa lý Xác định độ sau tẩy dầu mỡ • Kính hiển vi • Phân tích trọng lượng • Phương phát huỳnh quang • Phương pháp màng nước vật tẩy (phương pháp đơn giản tiện lợi nhất): nước thấm ướt toàn bề mặt tẩy dầu mỡ; chỗ dầu mỡ, nước không thấm ướt mặt kim loại mà co lại thành giọt Hạn chế cách dung dịch tẩy có chất hoạt động bề mặt chúng hấp phụ lên kim loại lẫn màng dầu mỡ làm cho nước thấm ướt nơi, kể màng dầu mỡ 10 Mạ đồng • Dd sulfat: CuSO4.5H2O • Dd cyanua: CuCN + NaCN • Dd diphosphate: CuSO4.5H2O + K4P2O7 16 CHẤT PHỤ GIA Chất điện li trơ • Làm tăng độ dẫn điện • Na2SO4 (trong mạ Zn, Ni), H2SO4 (trong mạ Cu) Chất đệm • Ổn định pH • Al2(SO4)3, CH3COOH, axit boric H3BO3 Chất hoạt động bề mặt • Làm lớp mạ mịn bóng • Đề phòng việc lưu giữ bọt khí H2 • Được sử dụng với nồng độ bé 17 Thành phần dung dịch mạ kẽm amoniclorua Mạ vật bé thùng quay, chuông quay Mạ tĩnh mạ thiết bị tự động Mạ vật lò xo, nhíp Cho lớp mạ bóng 18 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ MẠ Mật độ dòng điện • Mỗi dung dịch mạ có khoảng mật độ dòng định Nhiệt độ • Thường tăng nhiệt độ làm tăng độ tan, độ dẫn điện giảm thấm hydrogen Chế độ đối lưu dung dịch • Làm san nồng độ ion bề mặt điện cực dung dịch 19 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ KHÁC • Trạng thái bề mặt • Phương pháp mạ • Q trình hydrogen Sư hydrogen gây nên:  Giảm hiệu suất dòng điện  Kéo dài thời gian mạ  Giòn hydrogen  Rộp bọt khí  Rổ, châm kim Biện pháp khắc phục:  Vật liệu cathode  Trạng thái bề mặt  Dung dịch mạ 20 2.1.5 GIA CƠNG SAU KHI MẠ • Tiến hành thụ động hóa bề mặt lớp mạ mạ kẽm, thiếc… • Gia cơng nhiệt để khuếch tán, biến tính, khử ứng suất lớp mạ mạ crom • Phủ sơn bóng để chống oxy hóa bề mặt lớp mạ vàng, bạc giả vàng 21 Vấn đề rửa nước rửa Cần nhiều nước (2m3 nước cho 1m2 bề mặt gia công) để rửa để: • Tránh lẫn hóa chất từ bể sang bể khác (theo vật gia cơng) • Làm bề mặt • Loại bỏ hết hóa chất khỏi sản phẩm bước cuối Để tăng hiệu việc rửa đồng thời tiết kiệm nước đến mức tối đa người ta nghĩ nhiều cách rửa khác nhau, nhờ lượng nước tiêu tốn 0.2-0.4m3/m2 • Rửa nhúng tĩnh • Rửa nhúng có nước chảy tràn liên tục • Rửa ngược chiều • Rửa sục khí • Rửa phun • Rửa liên hợp • Rửa siêu âm 22 CÁC CƠNG THỨC TÍNH TỐN TRONG MẠ ĐIỆN Khối lượng kim loại bám lên vật mạ (g): Mật độ dòng cathode: Eq – đương lượng điện hóa, g/(A.h) I - cường độ dòng điện, A t - thời gian mạ, h Đương lượng điện hóa (g/A.h): lượng chất lý thuyết thoát điện cực cho đơn vị điện lượng qua F số Faraday, F = 26.8 Ah/mol Hiệu suất dòng điện: Q – điện lượng tiêu hao cho phản ứng Qo – tổng điện lượng đưa vào 23 Bài tập: Khi điện phân với anode khơng tan dung dịch CuSO4 có nồng độ 100 g/l, thể tích ban đầu 100 l Sau điện phân với dòng điện 100 A, dung dịch lại 98 l Xác định nồng độ dung dịch CuSO4 sau điện phân, hiệu suất dòng điện 95% 24 2.2 ĐIỆN PHÂN TINH LUYỆN KIM LOẠI 2.2.1 MỞ ĐẦU Hơn 70 kim loại màu quý sản xuất Có thể nói khơng có lĩnh vực không sử dụng kim loại màu Cu Nguyên tắc chung để điều chế kim loại dùng chất khử, khử ion kim loại thành kim loại đơn chất Q trình gọi hồn ngun kim loại 25 Phương pháp nhiệt luyện: dùng chất khử C, CO, H2, Al… khử oxit kim loại Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 HgS + O2 = Hg + SO2 Phương pháp thủy luyện: dùng kim loại mạnh đẩy kim loại cần điều chế khỏi dung dịch Ag2S + 4NaCN = 2Na[Ag(CN)2] + Na2S Zn + 2Na[Ag(CN)2] = Na2[Zn(CN)4] + 2Ag Phương pháp điện phân: +Điện phân hợp chất nóng chảy (K, Na, Ca, Mg, Al) +Điện phân dung dịch (Kim loại trung bình yếu) 26 CÁC BƯỚC ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH LUYỆN KIM LOẠI Quặng sulfur đồng, kẽm, quặng oxit 2CuS + 3O2 = 2CuO + 2SO2 CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O Hòa tan quặng nguyên liệu Làm dung dịch Điện phân dung dịch Làm học (lắng, lọc) Làm hóa học (kết tủa KL tạp chất dạng không tan) Điều chỉnh nồng độ dung dịch, pH thích hợp, phụ gia Cathode: thường chọn KL khác để tách sản phẩm dễ dàng Cu2+ +2e = Cu 2H+ + 2e = H2 Anode: chọn điện cực khơng hòa tan 2H2O – 4e = O2 + 4H+ >> cần thay dung dịch tuần hoàn dung dịch 27 VÍ DỤ: LUYỆN ĐỒNG Thành phần dung dịch: CuSO4 0.51 mol/l H2SO4 mol/l Phụ gia gelatin thioure Cathode Al, Ti Anode Pb hay hợp kim Pb-Ag Mật độ dòng cathode: 150 A/m2 Điện bình điện phân: -1.92.5 V Độ tinh khiết: 99.5% Tiêu hao lượng: 19002500 kW/hT 28 2.2.2 QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN TINH LUYỆN KIM LOẠI TINH LUYỆN ĐỒNG Cu độ tinh khiết 99.5% Tạp chất Ag, Au, Ni, As… Tinh luyện Cu 99.9299.96% Thu hồi Ag, Au Cathode (tấm đồng): Cu2+ + 2e = Cu Anode (các dạng đồng): Cu – 2e = Cu2+ Dung dịch: CuSO4 100-140 g/l, H2SO4 180-250 g/l Điện thế: 0.15-0.30V Nhiệt độ: 60oC Nguyên lý trình tinh luyện dựa vào khác điện cực kim loại 29 Anode = đồng (từ đồng phế thải + đồng hoàn nguyên) Cu, Ag, Au, Ni, As, Bi … (Ag+/Ag) = 0.799V (Au /Au) = 1.691V + Khơng hòa tan  bùn anode (Cu2+/Cu) = 0.337V (BiO+/Bi) = 0.320V Cathode Anode (Ni2+/Ni) = -0.250V 0.2 – g/l  Bi As kết tinh 20 g/l  Ni kết tinh 30 ... không tan dung dịch CuSO4 có nồng độ 100 g/l, thể tích ban đầu 100 l Sau điện phân với dòng điện 100 A, dung dịch lại 98 l Xác định nồng độ dung dịch CuSO4 sau điện phân, hiệu suất dòng điện 95%... +Điện phân hợp chất nóng chảy (K, Na, Ca, Mg, Al) +Điện phân dung dịch (Kim loại trung bình yếu) 26 CÁC BƯỚC ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH LUYỆN KIM LOẠI Quặng sulfur đồng, kẽm, quặng oxit 2CuS + 3O2 =... 2.1.3 QUÁ TRÌNH MẠ Cơ chế mạ điện • Vật cần mạ dùng làm cực âm (cathode) • Kim loại dùng để mạ đóng vai trò cực dương (anode) • Dung dịch điện phân dung dịch muối kim loại dùng để mạ Vật cần mạ