ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ МЕДИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ В РАСТВОРЕ ЭЛЕКТРОЛИТА KCL

Лежнина Марина Игоревна

cтудент 1 курса магистратуры, кафедра общей химической технологии, институт природных ресурсов, НИ ТПУ, г. Томск

E-mail: kalipoki@sibmail.com

Горлушко Дмитрий Александрович

научный руководитель, канд. хим. наук, доцент НИТПУ, г. Томск

Прогресс в технологии производства различных химических продуктов во многом определяет развитие научно-технического прогресса в целом, а также улучшения качества продукции во многих отраслях современной промышленности. К таким отраслям промышленности и производство ряда оксидов металлов, без использования которых невозможно представить нашу современную жизнь. Металлы и их оксиды применяются практически во всех отраслях промышленности, начиная химической и заканчивая электротехнической. Их применение охватывает такие сферы, как: изготовление катализаторов и их носителей, различных сорбентов, производство лаков и красок, стекла и керамики, огнеупорных материалов, наполнителей полимеров, а также активных масс щелочных аккумуляторов и сухих гальванических элементов, диэлектриков [1].

Необычные свойства наноматериалов обусловлены как особенностями отдельных частиц (кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами. Структура и дисперсность наноматериалов зависит от способа их получения.

В настоящее время наиболее актуальным вопросом является получение оксидов металлов с усовершенствованными свойствами: высокой чистотой продукта, развитой удельной поверхностью материала. На данный момент существуют несколько путей получения металлов и их оксидов, среди которых наиболее перспективным является метод электрохимического синтеза на переменном токе.

Электрохимический синтез оксидов металлов с использованием переменного тока предоставляет возможность получить оксиды металлов с условным диаметром первичных частиц в диапазоне от 10^-9 до 10^{- 6}м. Продукты, полученные данным способом, достаточно серьезно отличаются от продуктов, полученных любыми другими методами. Оксиды, полученные электрохимическим синтезом, обладают рядом преимуществ, таких как: высокоразвитая поверхность и дисперсность материала, наличие большого количества мезопор, а также минимальное содержание примесей в продуктах синтеза [1; 2].

Главное и одно из наиболее важных преимуществ способа ― возможность получения сверхчистых металлов, их оксидов и гидроксидов. Также практическую ценность способа повышает тот факт, что регулирование электрических параметров электрохимического синтеза предоставляет возможность создавать порошки с заданной дисперсностью. Более того, известно, что максимальное влияние на скорость процесса электролиза оказывают такие факторы как: состав и концентрация электролита. Установлено, что фактором, максимально увеличивающим интенсивность синтеза, является температура электролиза и плотность переменного тока [2―4]. Также зафиксировано, что удельная площадь поверхности оксидов металлов растет с увеличением плотности переменного тока в большинстве случаев.

Одной из наиболее важных тенденций развития уже существующих промышленных методов получения неорганических веществ с использованием электролиза является увеличение интенсивности электрохимических процессов за счет повышения плотности тока, несмотря на увеличение расхода электроэнергии. Экономическая эффективность в данном случае достигается за счет увеличения производительности электролизеров, сокращения капитальных затрат и значительного улучшения качества продукции в целом [4].

При использовании постоянного тока основным затруднением для повышения плотности тока является возникновение пассивного состояния анодов и, как следствие, торможение процесса и получение некачественных продуктов. Применительно к оксидам металлов это выражается в уменьшении их активной поверхности, сокращении пористости. Наиболее действенные методы, позволяющие снять пассивацию, предполагают применение нестационарных режимов проведения электролиза. Одним из таких приемов является использование переменного тока, который позволяет дополнительно упростить аппаратурное обеспечение процесса и снизить энергетические затраты на его проведение. Таким образом, значительный интерес для решения важнейшей задачи обеспечения страны нанопорошками представляют электрохимические процессы с разрушением металлических электродов под действием переменного тока с образованием гидратированных и негидратированных оксидов, которые можно выделить в качестве самостоятельной фазы [4].

Изучение электрохимического окисления металлов с использованием переменного тока приобретает актуальность не только для синтеза чистых оксидов металлов, но и в связи с получением экспериментальных данных по коррозионной стойкости металлов под действием токов промышленной частоты. Закономерности процессов, протекающих с использованием переменного тока, сложны и требуют дальнейшего изучения [3].

Электрохимический синтез имеет ряд преимуществ перед известными технологиями. Во-первых, он позволяет получить нанопорошки высокой чистоты. Эффект очистки непосредственно связан с механизмом образования фазовых оксидов металлов и свойственен электрохимическим процессам, протекающим под действием переменного тока Рафинирование происходит за счет высвобождения ионов примесей из решетки металла или оксида при циклическом действии поляризующего напряжения, что невозможно осуществить в процессах получения нанодисперсных оксидов металлов другими методами. Во-вторых, обеспечивает экологически чистое и практически безотходное производство [5].

В данной работе проводились исследования скорости разрушения меди при электролизе переменным током промышленной частоты в растворе KCl, было рассмотрено влияние состава и концентрации электролита на скорость электрохимического окисления металлической меди под действием переменного тока промышленной частоты. Эксперименты проводились при постоянной температуре (90^оС) и плотности тока 1 и 2 А/см², концентрация раствора электролита изменялась от 3 до 25 %. Скорость разрушения меди определялась по убыли массы электродов весовым методом [5]. По результатам экспериментов были получены следующие значения, представленные в табл. 1.

Таблица 1.

Влияние природы и концентрации электролита на скорость разрушения меди при плотности тока 1 А/см² и температуре 90⁰С

По данным таблицы 1 была построена зависимость скорости разрушения меди от концентрации электролита при постоянной температуре и плотности тока представленная на рис. 1

Рисунок 1. Зависимость скорости разрушения меди от концентрации электролита при постоянной температуре (90⁰С) и плотности тока (1 и 2 А/см²)

Из рис. 1 видно, что с ростом концентрации KCl в интервале 3―25 % масс. скорость окисления меди уменьшается. Максимальная скорость окисления наблюдается в 3 %-ном растворе KCl, и составляет 0,0226 и 0,067 г/см² ч соответственно. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что при увеличении плотности тока скорость разрушения электрода также растет. Также скорость разрушения электрода зависит от химической природы образующихся на поверхности электрода оксидов и растет с увеличением плотности тока при исследуемом температурном режиме [4].Таким образом, чтобы увеличить выход продукта, необходимо увеличить плотность тока до оптимального уровня.

Список литературы

1.Коновалов Д.В., Коробочкин В.В., Ханова Е.А. Электрохимический синтез оксида цинка на переменном токе // Известия ТПУ. ― Томск, 2003. ― Т. 306. ― № 5. ― С. 67―71.

2.Коробочкин В.В., Косинцев В.И., Быстрицкий Л.Д., Ковалевский Е.П. Получение геля гидроксида алюминия электролизом на переменном токе // Неорганические материалы. ― 2002. ― Т. 38. ― № 9. ― С. 1087―1090.

3.Коробочкин В.В., Усольцева Н.В., Горлушко Д.А., Балмашнов М.А. Закономерности синтеза нанодисперсных оксидов меди электролизом на переменном токе в растворе щелочи //Известия ТПУ. ― 2010 ― Т. 317. ― № 3. ― С. 13―16.

4.Коробочкин В.В. Процессы получения нанодисперсных оксидов с использованием электрохимического окисления металлов при действии переменного тока. Томский политехнический университет. Томск 2004. ― 273 л.

5.Никифорова Е.Ю., Килимник А.Б. Закономерности электрохимического поведения металлов при наложении переменного тока // Вестник ТГТУ, 2009. ― 614 л.