Осаждение никеля на катоде при рафинировании

Катоды — тонкие листы чистого электролитного никеля получают в отдельных ваннах с анодами из чистого никеля. Металл осаждают на катодных матрицах — пластинах из нержавеющей стали или титана. Осадок толщиной около 0,6 мм сдирают, обрезают, приклепывают ушки и подвешивают внутри диафрагм.

В диафрагмах уровень раствора поддерживают на 50 мм выше, чем в ванне, раствор может просачиваться в анодное пространство со скоростью, равной отводу анолита, этим предупреждается противоточное движение примесей к катоду.

Катодное осаждение из кислых растворов металлов с отрицательными нормальными потенциалами, на первый взгляд, кажется невозможным, поскольку Е⁰_2Н+/Н2 =±0,00 В (см. табл.)

и на катоде должен первично выделяться водород. В действительности, электролизом осаждают не только никель, кобальт, кадмий и железо, но даже цинк и марганец. Этому помогает малая скорость восстановления ионов при образовании газов, которое представляет собой ряд последовательных стадий. Перечислим упрощенно главные из них: адсорбция ионов водорода на поверхности катода, разряд их с образованием атомарного водорода, соединение двух атомов в молекулу Н₂, десорбция и накопление газа в пузырьке. Одна из стадий — самая медленная определяет скорость всей цепи превращений, на катодах из разных материалов она различна. Разряд ионов металлов также многостадиен, но в большинстве случаев протекает сравнительно быстро; хотя есть и исключения, например железо, кобальт и никель. Из предыдущего надо заключить, что возможность разряда ионов с образованием газа определяется не только величиной равновесного потенциала, но и перенапряжением. Последнее представляет собой отрицательную величину превышения равновесного потенциала катода или поляризацию его, необходимую для выделения пузырьков газа, в частности для водорода:

E_2H+/H2 = 0 + (0,06 : 2)• lga²_H⁺ + η

где η — перенапряжение водорода, В.

Перенапряжение становится менее отрицательным (уменьшается) с повышением температуры и сдвигается в отрицательном направлении— возрастает с плотностью тока.

Таблица. Потенциалы восстановления водорода и некоторых металлов из растворов с активностями 1 и 0,01 моль/л при температуре 20° С и плотности тока 100 А/м² (ориентировочно)

Металл	Потенциалы восстановления Н+, В		Потенциалы восстановления металла, В
	а=1 моль/л.	а=0,01 моль/л	a=1 моль/л	a=0,01 моль/л
Аl	-0,83	—0,95	— 1,66	—1,70
Сu	—0,56 -1,17 —0,71	—0,68 —1,29 —0,83	0,34 0,79 0,80	0,28 0,73 0,74
Pb Ni Co Cd Fe Zn	—1,34 —0,64 —0,34 —1,16 —0,44 —1,00	—1,46 —0,72 —0,46 —1,28 —0,56 -1,12	—0,13 —0,23 —0,34 —0,40 —0,44 —0,76	—0,19 —0,31 —0,45 —0,46 —0,50 —0,82

Потенциалы катодного восстановления ряда металлов и водорода из растворов с условно принятыми активностями 1 и 0,01 моль/л сравниваются в табл..

Потенциал восстановления алюминия значительно отрицательнее потенциала, необходимого для выделения водорода. Различие весьма велико и его нельзя устранять повышением концентрации Аl³⁺ или снижением кислотности электролита. Недостаточны для этого и возможные пределы охлаждения раствора или увеличения плотности тока. При всех условиях электролиза на катоде вместо алюминия выделяется только водород. То же наблюдается, если подвергать электролизу растворы щелочных либо щелочноземельных металлов, окислительно-восстановительные потенциалы которых еще отрицательнее.

В противоположность этому у меди, ртути и серебра электродные потенциалы значительно положительнее перенапряжения водорода, восстановление их электролизом осуществляется легко, даже из очень разбавленных кислых растворов.

У никеля, кобальта, кадмия, цинка и многих других элементов потенциалы катодного восстановления немного больше или меньше необходимых для выделения водорода, соотношение величин изменяется с концентрациями.

Для осаждения на катоде электроотрицательного металла с высоким выходом по току активность ионов его в электролите должна быть высокой, а кислотность раствора низкой. Тому же способствую охлаждение и большие плотности тока. Предел понижения кислотности часто связан с нежелательной возможностью гидролиза. По аналогии с уравнением для реакции:

Ni²⁺ + 2Н₂O = Ni (ОН), + 2Н⁺;

Оседая на поверхности катода, гидроокись или основные соли никеля могут вызвать неравномерность отложения и слоистость металла. Вместе с тем, возможно местное повышение рН католита из-за попутного разряда Н⁺. Чтобы предупредить это, добавляют борную кислоту, которой прежде приписывали буферное действие, а по последним данным, она связывает Ni(OH)₂ в мицеллы состава Ni (ОН)₂•2Н₃ВО₃. В дополнение к этому католит подают с рН≈З.

Имеются наблюдения и о благоприятном действии борной кислоты на структуру катодного осадка, она способствует мелкозернистости и «бархатистости» поверхности.

 

 

Статья на тему Осаждение никеля на катоде при рафинировании