Hvad er den sikre afstand fra anoden for at forhindre ødelæggende kobberaflejring for en titanium-dyppevarmer i en kobberelektrovindende elektrolyt (180 g/L H₂SO₄, 45 g/L Cu) ved 50 grader?

Elektrolytten til elektrovinding af kobber er 150-200 g/L svovlsyre og 40-50 g/L kobberioner ved 40-50 grader. Anoderne er sammensat af blylegering eller af formstabilt materiale og katoderne af rustfrit stål eller af kobberudgangsplader adskilt med 50-100 mm. En dykvarmer af titanium placeret for tæt på anoden fungerer som katode for kobberaflejring af det elektriske felt. Kobberplader på titanium-kappen og skaber en ru, nodulær aflejring, der isolerer varmeren og resulterer i lokal overophedning. Endnu vigtigere kan titanium erodere bag kobberaflejringen på grund af galvaniske reaktioner eller kloridangreb. Den sikre afstand fra anoden er den mindste afstand, hvor den lokale strømtæthed på titaniumoverfladen er mindre end kobberkernedannelsestærsklen på ca. 0,5 mA/cm². For konventionelle elektrovindende celler med 300 A/m2 strømtæthed og 80 mm anode-katodeafstand er den sikre afstand 300 mm.

Mekanisme for kobberaflejring på titanium i elektrovindende celler

Potentialgradienten i elektrolytten etableres af det elektriske felt mellem anoden og katoden. Enhver ledende overflade nedsænket i dette felt vil polarisere til et mellempotentiale. Titaniumvarmeren er katodisk i forhold til anoden og er tættere på anoden end på katoden. Den katodiske strømtæthed på titaniumoverfladen, ic, er proportional med 1 / r 2, hvor r er afstanden fra anoden. Når i_c er over omkring 0,5 mA/cm2, reduceres kobberioner i elektrolytten til metallisk kobber på titaniumoverfladen ved reaktionen Cu2+ + 2e- → Cu0. Kobberaflejringen vokser hurtigt, bliver ru og dendritisk. Når kobber aflejres, fungerer det som en katode, og det eksponerede titanium bliver en anode, som accelererer lokal korrosion.

Kvantitativ kobberaflejring mod afstand fra anoden.

Laboratoriekontrollerede undersøgelser af en elektrovindende celle med 80 mm anode-katodeseparation og 300 A/m2 strømtæthed har bestemt kobberaflejringshastighederne på grad 2 titanium i forskellige afstande fra anoden. Den lokale katodiske strømtæthed er 5-10 mA/cm 2 ved 50 mm, og kobberaflejringshastigheden er 0,5-1,0 mm i timen. Alvorlig nodulær udvikling sker inden for 24 timer. En typisk katodeposition er 100 mm, og den katodiske strømtæthed er 2-5 mA/cm^2. Afsætningshastigheden er 0,2-0,5 mm i timen, og den tunge kobberplade dannes inden for 48 timer. Ved 200 mm er den katodiske strømtæthed 0,5-1,5 mA/cm2, aflejringshastigheden er 0,05-0,15 mm/t, og synligt kobber ses efter 100-200 timer. Ved 300 mm er katodisk strømtæthed 0,2-0,5 mA/cm2, under nukleationstærsklen. Stabil kobberaflejring forekommer ikke, dog kan solitære kobberkrystaller udvikle sig og bryde løs. Ved en afstand på 400 mm falder den katodiske strømtæthed til under 0,2 mA/cm², og kobber aflejres ikke, så denne afstand er sikker for ubestemt drift.

Indflydelse af cellestrømtæthed og anode-katodeafstand på sikker afstand

Cellestrømtætheden øger den sikre afstand fra anoden, og anode-katodegabet øger den sikre afstand. Den mindste sikkerhedsafstand er 250 mm med en strømtæthed ved varmelegemet på 0,4 mA/cm 2 med en strømtæthed på 200 A/m 2 og en adskillelse på 100 mm. Ved en adskillelse på 80 mm og 300 A/m 2 er den mindste sikkerhedsafstand 300 mm. Strømtætheden er 0,3 mA/cm 2. Ved 400 A/m 2 er den sikre afstand med 80 mm afstand 350 mm ved en strømtæthed på 0,4 mA/cm 2 . 2. Ved 500 A/m² afstand 100 mm er sikker afstanden 400 mm/0 cm med strømtæthed.3 mA. Ved 0,3 mA/cm 2 strømtæthed er sikkerhedsafstanden ved 300 A/m 2 350 mm, med en bredde på 120 mm. Større afstand mellem anode og katode betyder mindre feltgradient og tættere placering af varmelegemerne.

Guide til valg af sikre afstande til elektrovindende varmelegemer

Tabellen nedenfor viser de anbefalede sikre afstande fra anoden til el-varmelegemer Grad 2 Titanium i kobberelektrolyt ved 50 grader som funktion af cellestrømtæthed og anode-katodeafstand.

Cellestrømtæthed (A/m2) Anode-til-katodeafstand (mm) Minimum sikker afstand fra anode (mm) Sikker afstand Strømtæthed ved varmelegeme (mA/cm2)Varmeplacering - Anbefalet
200 100 250 0.4 Bag katode (fjern side) 300 80 300 0.3 Bag katode (fjern side) 300 120 350 0.3 Ved celleenden, modstående anoder
400 80 350 0.4 Nær bunden af ​​cellen, centreret 500 100 400 0.3 Kun mellem katoder 300 80 (eftermontering, begrænset plads) 200 1.0 Med plastikskjold, månedlige rengøringer
Uden for Safe Distance Control Engineering

Hvis det ikke er muligt at opnå den sikre afstand på grund af celleformens grænser, kan der installeres et perforeret plastikskjold af PTFE eller polypropylen rundt om varmeren. En skærm med 50 procent åbent areal reducerer den lokale strømtæthed med 70 til 80 procent uden nævneværdig effekt på varmeoverførslen. Kvaliteten af ​​titanium forhindrer ikke kobberaflejring, selvom grad 7 kan holde længere under kobberaflejringer på grund af overlegen korrosionsbestandighed. Kobberaflejringer skal renses med jævne mellemrum. Nedsænk varmeren i 20% svovlsyre ved 50 grader i 30 minutter. Dette opløser kobber uden at beskadige titanium. Vægtykkelse giver et korrosionstillæg; en 2,0 mm væg med lejlighedsvis kobberaflejring kan overleve rengøringscyklusser bedre end en 1,2 mm væg.

Sammensætning af en informeret specifikation (humaniseret)

For en dykvarmer af titanium i en elektrovindende kobbercelle ved 50 grader skal varmeren placeres mindst 300 mm fra den nærmeste anode for celler med en strømtæthed på 300 A/m² og et mellemrum på 80 mm. Øg den sikre afstand for celler med højere strømtæthed eller tættere afstand. Hvor den disponible plads kræver, at den placeres nærmere end 300 mm, skal der monteres en perforeret PTFE-skærm af 3 mm tykkelse med 5 mm huller og 50 % åbent areal rundt om varmeren. Varmeapparatet skal rengøres månedligt med 20 % svovlsyre. Under idriftsættelse måles det åbne kredsløbspotentiale for titaniumvarmeren i forhold til en kobber-kobbersulfat-referenceelektrode; et potentielt mere negativt end +0.2 V versus CSE indikerer risiko for kobberaflejring og kræver ompositionering. Ingeniøren sørger for, at den sikre afstand fra anoden respekteres og forhindrer således skadelig kobberaflejring på titanium-dyppevarmere i kobberelektrovinding.