1. Trang chủ >
  2. Luận Văn - Báo Cáo >
  3. Công nghệ - Môi trường >
Tải bản đầy đủ - 31 (trang)
Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến tình trạng bong nứt

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

Tải bản đầy đủ - 31trang

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 của nhiệt độ đó là các thông số nhiệt tại bề mặt trao đổi I, R, điều này đã thể hiện rõ ở công thức
công suất trao đổi nhiệt Q = I
2
R, trong đó R là tổng trở dung dịch, catot, anot và điện trở tiếp xúc giữa catot, anot với dung dịch điện ly. Ta có thể dễ dàng
xác định bằng cách thay đổi điện áp và cường độ dòng điện, từ đó xác định được tổng trở của bình cỡ 1,12 Ω. Trong quá trình điện phân ta thường áp
dòng lớn trên 5 Adm
2
, do đó ảnh hưởng của điện trở sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với ảnh hưởng của dòng điện đến nhiệt độ trong quá trình điện phân.
Bảng 2.4: Sự bong nứt phụ thuộc vào cách khống chế mật độ dòng
Dòng điện ban đầu Adm
2
Độ tăng dần mật độ dòng Adm
2
h Hiện tượng
5 Bong nứt
4 1
Bong nứt 0,5
Bong nứt 3
1 Bong nứt
0,5 Bong nứt
2,5 1
Bong nứt 0,5
Không bong nứt 2
1 Bong nứt
0,5 Khơng bong nứt
Nhìn vào bảng 2.4 có thể thấy rằng nếu ban đầu áp mật độ dòng ở giá trị 2,5 Adm
2
, sau mỗi giờ lại tăng mật độ dòng một khoảng là ∆
= 0,5 Adm
2
thì sẽ đạt hiệu quả tốt nhất. Khống chế mật độ dòng ban đầu 2,5 Adm
2
đã hạn chế được 4 lần công suất toả nhiệt so với việc khống chế mật độ dòng ban đầu
5 Adm
2
, đây là mật độ dòng điện ban đầu đủ lớn để hạn chế tối đa sự bong nứt lúc bắt đầu điện phân, còn tăng mật độ dòng một khoảng
∆ = 0,5 Adm
2
nhằm hạn chế tối đa sự bong nứt trong quá trình điều khiển tăng dần mật độ
18
dòng đạt thơng số tối ưu 5 Adm
2
. Kết quả đạt được như mong muốn, bề mặt không những bị bong nứt mà còn rất nhẵn mịn. Về cơ bản điều này có thể
được giải thích như sau: −
Ban đầu khi mật độ dòng điện thấp thì cơng suất toả nhiệt sinh ra do dòng điện tại bề mặt trao đổi là Q = I
2
R thấp do I thấp. Bởi vậy, nó dễ dàng bị dung dịch trung hồ nhanh chóng để tạo cân bằng nhiệt giữa bề mặt catot
với kim loại nhôm catot và nhiệt độ dung dịch. Do đó có thể tránh được hiện tượng sốc nhiệt.
− Khi tiếp tục nâng mật độ dòng thì lúc này nhiệt độ dung dịch cũng tăng
tương đối với độ tăng nhỏ tương ứng với độ tăng của mật độ dòng. Sự sốc nhiệt được khử bỏ đồng thời sự đối lưu tuần hoàn tự nhiên được thuận lợi,
tránh được hiện tượng chênh lệch nồng độ ion trong dung dịch theo các lớp.
Tóm lại: Nhiệt độ dung dịch là một thơng số vô cùng quan trọng quyết định đến chất lượng bề mặt tấm màng. Sự chênh lệch nhiệt độ quá mức sẽ dẫn
đến hiện tượng sốc nhiệt gây nên sự bong nứt. Một cách đơn giản để điều chỉnh nhiệt độ là thơng qua điều chỉnh mật độ dòng. Bởi vậy thông số tối ưu
để chống lại sự bong nứt đó là: Các thơng số khác vẫn giữ ngun, ban đầu điện phân mật độ dòng là 2,5 Adm
2
, sau mỗi giờ lại tăng thêm 0,5 Adm
2
và tăng liên tục trong 5h để đạt được mật độ 5 Adm
2
và giữ nguyên mật độ dòng này cho đến khi được tấm màng niken có độ dày mong muốn.
2.2.2. Ảnh hưởng của độ sạch dung dịch qua các chu kỳ điện phân đến sự bong nứt
Sau một số chu kỳ điện phân hàm lượng tạp chất ngày càng tăng do hàng loạt các phản ứng điện hoá phức tạp, các tạp chất có thể phân ra làm hai loại
là tạp chất kim loại và tạp chất phi kim loại. Trong quá trình điện phân tạp chất kim loại chuyển vào catot do hiện tượng cùng phóng điện còn tạp chất
phi kim loại chuyển vào catot chủ yếu ở dạng lẫn cơ học. Tạp chất đem vào chủ yếu là do nó có sẵn trong dung dịch axit sunfuric và muối
19
NiCO
3
.nNiOH
2
bổ sung trong quá trình điện phân màng niken catot. Nồng độ tạp chất ngày càng tăng sau nhiều chu kỳ điện phân.
Bảng 2.5: Kết quả điện phân niken qua các chu kỳ trong dung dịch niken sunphat và dung dịch hỗn hợp [ 3,9,11,12]
Chu kỳ điện phân 1
2 và 3 4
5 Dung dịch
Niken sunfat Niken sunfat Niken
sunfat Niken sunfat +
SLS-1 Thời gian [h]
6 1 – 2
0,5 – 1 6
Độ dày lớp niken 0,25
0,05 - 0,10 0,02 - 0,05
0,25
Đặc điểm hình thái của lớp niken
Nguyên vẹn, phẳng, không
bong nứt Bị bong nứt Bị bong nứt
Nguyên vẹn, phẳng, không
bong nứt Nhằm hạn chế ảnh hưởng không lợi của tạp chất khi nồng độ của chúng
tăng lên trong quá trình điện phân, sau khoảng 4 chu kỳ điện phân dung dịch niken sunfat được bổ sung thêm hỗn hợp SLS-1 gồm axit sunfuric và
dodecansunfonat kali KC
12
H
25
SO
3
theo một tỷ lệ cho trước. Giới hạn của các chu kỳ điện phân 2, 3, 4 được xác định là thời điểm
xuất hiện sự bong, nứt lớp niken kết tủa trên catôt nhôm. Kết quả điện phân qua 4 chu kỳ đầu được trình bày trong bảng 2.5. Hình thái cùng sự phân bố
các pha của các tấm niken điện phân được khảo sát qua ảnh SEM mặt cắt của các mẫu lấy từ những tấm niken nguyên vẹn sau chu kỳ điện phân 1, 5 và
mảnh bong, nứt cuối chu kỳ 2, 3, 4 bằng kính hiển vi điện tử quét Hitachi S-4800 của Nhật Bản. Kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 2.7.
20
Hình 2.7: Ảnh SEM của các tấm niken nguyên vẹn và sát nơi xảy ra bong nứt
Hình 2.7a cho thấy tấm niken thu được từ chu kỳ điện phân đầu có hình dạng nguyên vẹn, phẳng và tổ chức trên mặt cắt tương đối đồng nhất. Trong
khi đó, ở các chu kỳ tiếp theo 2, 3, 4, sau thời gian điện phân như trong bảng 2.5 đã xảy ra sự bong, nứt tấm niken điện phân hình 2.7b. Mặt cắt tại gần
khu vực bong nứt có tổ chức khơng đồng nhất và dễ nhận thấy các tụ điểm có hình dạng khác nhau với kích thước từ 3-7
µ m phân bố trên nền niken hình
2.7c. Bằng phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng X-ray EDX:
Energy Dispensive X-ray Spectrum trên máy S-4800 đã xác định được thành a Mặt cắt tấm niken nguyên
vẹn từ chu kỳ điện phân 1 b Sự bong, nứt tấm niken
sau chu kỳ điện phân 2, 3, 4
c Mặt cắt sát khu vực bong, nứt
d Mặt cắt tấm niken nguyên vẹn từ chu kỳ điện phân 5
21
phần hóa học tại điểm spectrum 1 hình 2.7c tiếp giáp khu vực bong nứt như trong bảng 2.6 dưới đây:
Bảng 2.6: Thành phần hoá học tại điểm bong nứt
Nguyên tố C
O S
Fe Ni
Thành phần 16,94
0,91 0,28
0,21 81,66
Kết quả phân tích cho thấy, lượng tạp chất tại các tụ điểm này lớn chiếm 18,44 khối lượng và có thành phần phức tạp bao gồm cả tạp chất
kim loại và phi kim loại. Có thể coi đây là các tụ điểm tạp chất bao gồm các nguyên tố 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 nhơm nổi cộm lên và tạo sự sắc nhọn chống vào lớp
màng niken khơng 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 vậy sẽ làm tăng cục bộ bề mặt riêng kết tủa điện hóa. Đây là ngun nhân chính làm giảm lực liên
kết của toàn bộ lớp niken điện phân. Còn tạp chất Fe kim loại lẫn vào thường là do hiện tượng đồng thời phóng điện với niken làm cho thành phần hoá học
tại điểm lẫn tạp chất kim loại khác xa so với những vị trí bình thường khác. Sự thay đổi về thành phần hóa học gây nên hậu quả là thay đổi cả tính chất cơ
lý của tấm màng catot tại điểm lẫn tạp chất cụ thể là thay đổi hẳn về ứng suất kéo nén, đó là nguyên nhân sâu xa nhất của hiện tượng bong nứt.
Như vậy có một thực tế phải đối mặt là nếu khơng tìm cách loại bỏ hoặc ngăn cản sự xâm nhập của tạp chất vào nền niken thì khơng thể tiến hành tạo
tấm niken làm catơt mẫu được. Để giải quyết vấn đề này chúng tôi đã nghiên cứu, phân tích và nhận thấy như sau:
− Trên bề mặt catơt có các ion khác nhau cùng đồng thời phóng điện, trong
đó có ion H
+
cũng có thể tham gia phóng điện và giải phóng ra hydro tự do. Khí hydro thốt ra sát bề mặt catơt bay lên phía trên. Nếu tạo ra cho nó
một nguồn động lực nào đó để có thể tóm giữ các tạp chất và câu lưu lên
22
phía trên mặt dung dịch thì rõ ràng lớp dung dịch sát bề mặt catôt sẽ được làm sạch thường xuyên khỏi tạp chất, dù ở trong lòng dung dịch chúng vẫn
phát sinh liên tục. −
Điều kiện điện hố nhằm nâng cao động lực của bọt khí hydro có thể được tạo ra theo 2 cách kết hợp như sau:
+ Nâng cao thế điện cực của hydro nhằm tạo ra lượng hydro thoát ra đủ
để quét sạch tạp chất khỏi bề mặt catôt bằng cách: Giảm độ pH, tăng mật độ dòng.
+ Nâng cao sự liên kết của bọt khí hydro với tạp chất để chúng dễ dàng
dính bám vào nhau và được câu lưu lên trên mặt dung dịch bằng cách sử dụng các chất hoạt tính bề mặt để giảm năng lượng bề mặt của tạp
chất dạng hạt lẫn trong dung dịch niken sunfat. Qua thử nghiệm các giải pháp hoá chất khác nhau chúng tôi đã chọn ra
được hỗn hợp gồm 2 thành phần đáp ứng được các ý tưởng trên là axit sunfuric H
2
SO
4
và dodecan sunfurnat kali KC
12
H
25
.SO
3
, gọi tắt hỗn hợp này là SLS-1. Hỗn hợp này khi bổ sung vào dung dịch trong quá trình điện phân
đã hoạt động theo đúng ý đồ tuân theo các nguyên lý cơ bản sau: Trong thành phần của SLS-1 có axit sunphuric. Khi dung dịch điện phân có lượng dư axit
thì độ pH sẽ giảm. Theo định luật Nernst [8] thì cùng với sự giảm độ pH là sự tăng thế điện cực của hydro nhờ đó khí này có điều kiện phóng điện hơn để
thốt ra khỏi khu vực catot. Đồng thời ở độ pH thấp 2÷3 sự bổ sung axit H
2
SO
4
đã hoà tan các tạp chất dễ tan trong axit tốt hơn hoặc làm giảm kích thước của chúng, tăng diện tích tiếp xúc mặt ngồi khiến bọt khí dễ dàng câu
lưu lên phía trên mặt nước. Thành phần thứ hai KC
12
H
25
SO
3
chính là chất hoạt hố bề mặt giúp tạo nên sự liên kết dễ dàng giữa bọt khí hydro và các tạp
chất, khiến q trình thải loại tạp chất diễn ra được dễ dàng. Cơ chế tạo sự liên kết hoạt hoá bề mặt của KC
12
H
25
SO
3
dựa trên sự phân cực tạo ra một phần dễ liên kết với tạp chất, sau đó nó nổi lên bề mặt chất lỏng chính là nhờ
23
sự thốt H
2
trên bề mặt điện cực và sự thốt CO
2
trong phản ứng hồ tan cacbonatbazo niken.
Hợp chất SLS-1 được bổ sung vào chu kỳ điện phân thứ 5 kế tiếp và kết quả là đã thu được tấm niken nguyên vẹn có độ dày 0,25mm đủ tiêu chuẩn để
chế tạo catốt mẫu. Hình 2.7d là ảnh mặt cắt tấm niken nguyên vẹn thu được từ chu kỳ
điện phân thứ 5 với việc sử dụng dung dịch hỗn hợp. Như ta thấy, trong bảng 2.5 ở chu kỳ 4 chỉ sau 0,5 đến 1 giờ điện phân đã xảy ra sự bong, nứt
lớp niken với chiều dày 0,02-0,05mm. Điều này chứng tỏ, hàm lượng tạp chất trong dung dịch đã tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, với việc bổ sung SLS-
1 vào dung dịch niken sunphat, quá trình điện phân ở chu kỳ 5 tiếp tục diễn ra bình thường và cho ta sản phẩm với hình thái, cấu trúc tương đương sản
phẩm niken thu được ở chu kỳ 1. Qua đây khẳng định ảnh hưởng có lợi của hỗn hợp SLS-1. Biểu hiện tác dụng của hỗn hợp này dễ dàng nhận thấy
trong quá trình điện phân ở chu kỳ 5, cụ thể như sau: Lượng khí hydro sinh ra lớn và thoát lên bề mặt dung dịch điện phân dưới dạng các bóng khí
đồng thời trên bề mặt này hình thành một lớp váng nhầy mà theo kết quả phân tích sơ bộ, nó chủ yếu chứa các tạp chất không tan. Lớp váng được
liên tục loại khỏi dung dịch điện phân theo phương thức cho tràn tự nhiên qua thành bể. Sự hình thành lớp váng dĩ nhiên chịu ảnh hưởng cúa SLS-1.
Cơ chế tác dụng của dung dịch hỗn hợp này có thể đã làm thay đổi tính chất bề mặt của các tạp chất khơng tan, tạo điều kiện hình thành liên kết
giữa chúng với các bóng khi hydro để sau đó nổi lên bề mặt dung 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 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 gl, mật độ dòng điện

5 Adm
2
, điện áp cấp vào 5 V, khoảng cách điện cực 20 cm, nhiệt độ điện phân cỡ 60
C. Thiết bị điện phân được 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


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

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

Tải bản đầy đủ ngay(31 tr)

×