Спосіб електрохімічного синтезу порошку цинку високої частоти

Реферат: Спосіб отримання дрібнодисперсного цинкового порошку високої чистоти включає електрохімічне відновлення сполук цинку. Синтез здійснюють поляризацією цинкових електродів асиметричним змінним струмом шляхом накладення синусоїдального змінного 2 2 струму на постійний при густині струму: змінного 200-800 мА/см і постійного 150-400 мА/см в розчині електроліту, що містить 0,1-2,0 моль/л хлориду амонію. UA 86782 U (54) СПОСІБ ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО СИНТЕЗУ ПОРОШКУ ЦИНКУ ВИСОКОЇ ЧАСТОТИ UA 86782 U UA 86782 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до металургії кольорових металів, зокрема, до електрохімічного синтезу високочистого дрібнодисперсного порошку цинку. Синтез проводять поляризацією цинкових електродів шляхом накладення синусоїдального змінного струму на постійний. Унікальні фізико-хімічні властивості металевого цинку і його інтерметалічних сполук дозволяють використовувати цей метал для створення на його основі світловипромінюючих пристроїв - лазерів і світлодіодів, а наявність напівпровідникових властивостей при легуванні рідкісними металами розширює області застосування в електронній промисловості. Цинк і його інтерметалічні сполуки широко використовують для створення оптичної електроніки, напівпровідникових пристроїв. Серед способів отримання порошкоподібного цинку належне місце займає електрохімічний спосіб отримання рихлих катодних осадів [1]. Недоліками даного способу є отримання об'ємної губки, яка погано промивається, утворює конгломерат і при висушуванні злипається. Інший відомий спосіб [2] одержання порошку цинку полягає у використанні в якості відновника полігалоїдних сполук (пентахлорпірідіну). Електроліз проводять постійним струмом 2 густиною 165 мА/см в комірці, розділеній пористою діафрагмою. В якості електроліту використовують водні розчини ZnX2 (X - Сl , Br , F , I ). Матеріали катоду - Аl, Ni, Pt, або нержавіюча сталь; аноди - графіт, ОРТА (титановий анод оброблений окисом рутенію при високій температурі). Недоліками даного способу є утворення агломератів губчастого цинку, який накопичується на дні катодного відділення електролізеру. При вилученні з ванни губчатий цинк злипається, внаслідок чого погано піддається промиванню. Дана обставина ускладнює отримання дисперсного цинку. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, є спосіб отримання дрібнодисперсного порошку цинку в лужному середовищі [3]. Спосіб отримання дрібнодисперсного порошку цинку здійснюють електролізом в лужному розчині NaOH з перемішуванням електроліту. В якості катоду використовують нержавіючу сталь, хром, мідь, або сплави, що містять магній. Поверхня катоду попередньо покривається плівкою силікону або лаку. Напруга на електродах 0,5-3,5 В, катодна щільність струму 750-900 2 мА/см . До недоліків технічного рішення, що використовується, як прототип, слід віднести високі втрати питомої енергії, багатостадійність і складність процесу, низький вихід цільового продукту, застосування додаткових операцій - покриття цинкового катода плівкою силікону або лаку, що забруднює кінцевий продукт - дисперсний порошок цинку. Загальними ознаками з прототипом є те, що цинковий порошок отримують електролізом при відновленні його сполук з водних розчинів. Задачею технічного рішення, що пропонується, є усунення недоліків відомих технічних рішень, забезпечення умов синтезу високодисперсного цинкового порошку при низьких питомих витратах реагентів та електроенергії. Поставлена задача досягається тим, що згідно із запропонованим технічним рішенням, синтез порошку цинку здійснюється електрохімічним способом при поляризації цинкових електродів (аноду і катоду) асиметричним змінним струмом шляхом накладення синусоїдального змінного струму на постійний у водних розчинах хлориду амонію (0,1-2,0) моль/л при кімнатній температурі. Швидкість процесу утворення цинкового порошку пропорційна густині струму. На цинкові пластини, поміщені в розчин хлористого амонію, подають струм, при густині 2 2 струму: змінного - 200-800 мА/см , постійного - 150-400 мА/см . Застосування електроліту, що містить хлорид амонію, сприяє утворенню на поверхні електродів адсорбційного шару позитивно заряджених іонів амонію, що знижують енергію активації іонів водню. Протікання реакції (1) можливо завдяки зниженню енергії зв'язку між азотом і воднем під час адсорбції іонів амонію + [NH4 ]адс + е→½Н2 + NH3 (1) У катодний напівперіод при накладенні асиметричного струму на цинковому електроді + можуть протікати елементарні стадії електродного процесу, зутворенням іонів Zn за реакцією 2+ + Zn + e → Zn (2) + Подальше відновлення іонів Zn протікає, як за електрохімічною реакцією + Zn + e → Zn° (3) + на катоді, так і за хімічною реакцією диспропорціонування іонів Zn в об'ємі прикатодного шару + 2+ 2Zn ↔ Zn° + Zn (4) 1 UA 86782 U + 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У анодний напівперіод іони Zn утворюються на першій стадії анодного процесу за реакцією + Zn° ↔ Zn + e (5) + з подальшим окисненням іонів Zn , за незворотною реакцією + 2+ Zn ↔ Zn + e (6) + Інтермедіати Zn , отримані при протіканні окисно-відновного процесу, можуть диспропорціонувати з утворенням стабільних проміжних частинок за реакцією + 2+ 2Zn ↔ Zn 2 (7) 2+ Похідні цинку (II) виявляють окисні властивості з утворенням димеру Zn за реакцією 2+ 2+ 2Zn + 2e=Zn 2 (8) 2+ Димери Zn 2 схильні до диспропорціонування з виділенням цинку та відповідних сполук цинку (II) 2+ 2+ Zn 2 = Zn° + Zn (9) Асиметричний змінний струм, отриманий накладенням звичайного синусоїдального струму на постійний, має суттєвий вплив на поляризацію електродів і вихід вихідної речовини за струмом, а також на структуру цинкових порошків. Асиметричний змінний струм покращує структуру цинкових порошків, зменшує їх пористість, запобігає утворенню губчатого цинкового осаду. Чергування росту кристалів і пасивації призводить до того, що частки металу, які накопичуються на дні катодної камери, являють собою скупчення окремих конгломератів кристалів, слабо пов'язаних один з одним і з поверхнею електродів. Технологія синтезу перспективна і маловитратна, не вимагає, перемішування електроліту в електродних просторах, електроди не потрібно попередньо обробляти силіконом або лаком. Електродні процеси достатньо вивчені і протікають в низькотемпературному режимі, що дозволяє легко адаптувати спосіб для масштабного промислового виробництва. Запропонований спосіб дозволяє усунути недоліки відомого способу і отримати дрібнодисперсний металевий порошок цинку високої чистоти з високою продуктивністю і значно меншими енерговитратами. Приклади, що ілюструють заявлений спосіб, наведені нижче. Приклад 1. Електрохімічний синтез дрібнодисперсного порошку цинку високої чистоти проводили в електролізері фільтрпресного типу, електродні камери якого заповнювали розчином хлориду амонію 0,1 моль/л. (кваліфікації ос.ч.) В якості електродів використовували високочистий цинк Марки ц -00 з вмістом основного металу, в % -99,999. Синтез порошку цинку здійснювали поляризацією цинкових електродів асиметричним змінним струмом, який отримували шляхом накладення синусоїдального струму на постійний. Поляризацію електродів здійснювали 2 2 наступний чином: густина змінного струму - 800 мА/см , постійного - 150 мА/см . Анодний вихід цинку за струмом становив 103.6 %, катодний 93,6 %. При електролізі даною густиною струму відбувається зміщення потенціалу від рівноважного, внаслідок чого створюються передумови для протікання електродних реакцій, які сприяють утворенню дрібнодисперсного порошку цинку. Отриманий порошок промивали і висушували при 110 °C в атмосфері аргону. Розміри частинок 2 отриманого оксиду цинку складали 10 нм, питома поверхня 12 м /г. Приклад 2. Електрохімічний синтез дрібнодисперсного металевого порошку цинку високої чистоти проводили в електролізері фільтрпресного типу, електродні камери якого заповнювали розчином хлориду амонію 1,5 моль/л. (кваліфікації ос.ч.) В якості електродів використовували високочистий цинк Марки ц -00 з вмістом основного металу, в % -99,999. Синтез порошку цинку здійснювали поляризацією цинкових електродів асиметричним змінним струмом, який отримували шляхом накладення синусоїдального струму на постійний. Поляризацію електродів 2 2 здійснювали наступним чином: густина змінного струму - 600 мА/см , постійного - 300 мА/см . Анодний вихід цинку за струмом становив 109.2 %, катодний 99,5 %. При електролізі даною густиною струму відбувається зміщення потенціалу від рівноважного, внаслідок чого створюються передумови для протікання електродних реакцій, які сприяють утворенню дрібнодисперсного порошку цинку. Отриманий порошок промивали і висушували при 120 °C в атмосфері аргону. Розміри частинок отриманого оксиду цинку складали 15 нм, питома поверхня 2 15 м /г. Приклад 3. Електрохімічний синтез дрібнодисперсного порошку цинку високої чистоти проводили в електролізері фільтрпресного типу, електродні камери якого заповнювали розчином хлориду амонію 2,0 моль/л. (кваліфікації ос.ч.). В якості електродів використовували високочистий цинк Марки ц -00 з вмістом основного металу, в % -99,999. Синтез порошку цинку здійснювали поляризацією цинковихелектродів асиметричним змінним струмом, який отримували шляхом накладення синусоїдального струму на постійний. Поляризацію електродів здійснювали 2 UA 86782 U 2 5 10 15 2 наступним чином: густина змінного струму - 400 мА/см , постійного - 200 мА/см . Анодний вихід цинку за струмом складав 101,1 %, катодний 92 %. При електролізі даною густиною струму відбувається зміщення потенціалу від рівноважного, внаслідок чого створюються передумови для протікання електродних реакцій, які сприяють утворенню дрібнодисперсного металевого порошку цинку. Отриманий порошок промивали і висушували при 130 °C в атмосфері аргону. 2 Розміри частинок отриманого оксиду цинку складали 20 нм, питома поверхня 15 м /г. Отриманий, за пропонованим способом, металевий порошок цинку має надзвичайно високу ступінь чистоти. Сумарний вміст домішок у процесі отримання зменшується в 10-30 разів при аналізі на 15 металів-домішок. У випадку бору, сурми, індію, галію, олова, нікелю, вісмуту, міді, -6 -5 срібла їх вміст не перевищує 2-710 %; талію, кобальту, миш'яку, свинцю - 1-310 %; кадмію -4 710 % при загальному змісті основного металу цинку 99,9999 %. Джерела інформації: 1. Кудра O.K., Гитман Е.Г. Электролитическое получение металлических порошков. Изд-во АН Украинской ССР г. Киев 1952 г. с. 143. 2. Патент США 4724051 МПК С25D 3/58 Получение цинкового порошка и его применение для восстановления пентахлорпиридина Sobieralski Theodore J. Опубл. 09.02.1988 г. 3. Патент США 4676877 МПК С25D 1/00 Способ получение мелкозернистых цинковых порошков электролизом в щелочной среде. Castillo Jean-Michel, Jonkowski Christian, Farley Serge. Опубл. 30.06.1987 г. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Спосіб отримання дрібнодисперсного цинкового порошку високої чистоти, що включає електрохімічне відновлення сполук цинку, який відрізняється тим, що синтез здійснюють поляризацією цинкових електродів асиметричним змінним струмом шляхом накладення 2 синусоїдального змінного струму на постійний при густині струму: змінного 200-800 мА/см і 2 постійного 150-400 мА/см в розчині електроліту, що містить 0,1-2,0 моль/л хлориду амонію. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3