بررسي پارامتر بازدهي جريان  در فرآيند آبکاري الکتريکي

چکيده

عوامل الکتروشيميايي متعددي فرآيند آبکاري الکتريکی فلزات و کيفيت نهايی پوشش حاصله را تحت تاثير قرار مي دهند. با وجودی که از مرحله ي به اجرا درآمدن آبکاري الکتريکي در ابعاد صنعتي زمان زيادي مي گذرد، لیکن هنوز مشکلاتي در زمينه ي بهينه سازي بازدهي جريان، افزايش راندمان توليد و کاهش مصرف انرژي وجود دارد. از اين رو بررسی چگونگی اثر متغير های عملکردی بر بازدهی جريان در فرايند آبکاری ضروری به نظر می رسد.

در اين تحقيق ، به طور نمونه آبکاری الکتريکی فلز روی مورد بررسی قرار گرفته و اثر اعمال دانسيته جريان هاي 30 ، 35 ، 40 و mAcm^-2  45 ، بکارگيري آند و کاتدهاي متفاوت و ترکيب الکتروليت هاي متفاوت اسيدي و قليايي ، حضور افزودني آلي در حمام الکتروليت و همچنين استفاده از الکترود ديسکي چرخنده بر روند تغييرات بازدهي جريان و کيفيت نهايي روي حاصله در حالت عملکردی کرنوپتانسیومتری مورد بررسي قرار گرفته است.

نتايج افزايش در کارایي جريان را با افزايش دانسيته جريان، افزودن مولکول آلي صمغ عربي به حمام آبکاری و بکارگيري الکترود چرخنده  نشان  داده است. از ميان آند و کاتد های متفاوت مورد بررسی ، آند آلياژي سرب- نقره و کاتد آلومينيومي بيشترين کارايی جريان را به خود اختصاص داده و در ارتباط با الکتروليت هاي مورد استفاده الکتروليت سنتز شده ي تقريبا خالص در مقايسه با الکتروليت های صنعتی حاوی مقادير کنترل شده ی نا خالصی ها و همچنين الکتروليت های قليايي نسبت به الکتروليت های اسيدی ، بازدهی جريان های  بزرگتری خواهند داشت.

واژه های کليدي : آبکاري الکتريکی روي ، بازدهي جريان

مقدمه

پوشش دهي به فلزات ، عنواني است مشتمل بر تعدادي فرآيند که با هدف بهبود خواص سطح يک فلز صورت می گيرد. اين روش يکي از فرآيندهاي استحصال فلز نيز محسوب شده که به طور گسترده توسط محققان بسياري مورد بررسي قرار گرفته است  . پوشش دهي الکتروشيمايي نسبت به ساير روش هاي پوشش دهي نظير رسوب فيزيکي بخار (PVD[1]) ، رسوب شيميايي بخار (CVD[2]) ، رسوب دهي پرتو ليزري (LBD[3]) ، کاشت يوني[4] ، پوشش دهي شعله ای پر شتاب (HVOF[5]) و پاشش پلاسمايي ([6]PS) و ... مزايايي را دارا  مي باشد از جمله  سهولت راه اندازي تکنولوژيکي و کم هزينه تر بودن فرآيند در ابعاد صنعتي ، امکان کنترل آسان فرآيند ، سرعت بالای توليد ، امکان ترسيب محدوده ی وسيعي از فلزات خالص ، آلياژها و کامپوزيت ها با اندازه دانه نانو[1,2].

کيفيت پوششهاي بدست آمده از آبکاري به عوامل بسياری از جمله ترکيب محلول الکتروليت و خواص آن ، الکترودها ، pH ، دما ، شدت جريان ، شرايط انتقال مواد (بهم زدن محلول ) و مواد افزودني مانند براق کننده ها و ريز کننده ها وابسته است[3] .نکته حائز اهميت ، در نظر داشتن چگونگی اثر عوامل نامبرده بر بازدهی جريان در فرآيند استحصال پوشش با ويژگی های مطلوب می باشد.

بازدهي جريان بر اساس قانون اول فارادی با نسبت جرم فلز توليد شده واقعي كه در عمل كمتر از مقدار تئوري پيش بيني شده مي باشد، به بيشينة جرم ماده اي كه مي تواند در يك زمان مشخص با يك جريان مشخص دِشارژ شود بیان مي شود . بدين معنا که اگر تمامی جريان اعمال شده تنها صرف احيای يون های فلز مورد نظر و ترسيب آن بر روی سطح کاتد شود ، بازدهی جريان 100% حاصل می گردد.

×100%                                     =                               بازده جريان

قانون اول فارادي بيان مي كند ، جرم (m) هر ماده دشارژ شده (رسوب يا انحلال يافته) در يك الكترود، متناسب است با مقدار الكتريسيته عبوري كه با كلمب اندازه گيري مي شود .

m جرم فلز دشارژ شده بر حسب گرم، G جرم اتمي، I جريان عبوري برحسب آمپر،  زمان بر حسب ثانيه ، n تعداد الكترون هاي ظرفيت و F ثابت فارادي (96500 C) مي باشد.

ليکن در عمل همواره عواملی نظير اتلاف جريان توسط نشت الكتريكي همزمان با واكنش هاي الكترودي ناخواسته مضراز جمله تصاعد هيدروژن يا واكنش اكسيداسيون- احياي يون هاي آهن دو و سه ظرفيتي ، اتلاف فلز از طريق تركيب محصولات الكترود توسط واكنش با محيط ، يا دستخوش تغيير شدن فيزيكي يا شيميايي واكنشهاي الكترودی نظیر انحلال مجدد رسوب كاتدي  بخشی از انرژی مفيد فرآيند را مصرف کرده و هيچ گاه بازدهی جريان 100%  حاصل نمي گردد  [4].

 در واقع بازدهی جريان معياری است که ميزان افت جريان و اتلاف انرژی در سيستم را لحاظ نموده و ميزان واقعی کارکرد سلول الکترو شيميائی را گزارش می نمايد. از آنجا که از نقطه نظر صنعتی ، اقتصادی بودن فرآيند و جلوگيری از اتلاف انرژی از مهمترين نکاتی است که مورد توجه قرار می گيرد و بازدهی جريان های پايين اثر جدی بر افزايش هزينه ها و مصرف انرژی خواهد داشت ، کليه عوامل بايد به گونه ای تعيين شده که کارايی جريان کل فرآيند حداکثر و مصرف انرژی و هزينه ی سرمايه گذاری به حداقل ممکن برسد.

رسندیز و همکارانش در پژوهشی در سال  2007، بازدهی جريان فرآيند استحصال الکتريکی روی در حضور سه افزودنیCTABr[7]  ، AG[8] ، SLS[9] را مورد بررسی قرار داده و به بازدهی جريان های  95-99% دست يافته اند [5]. همچنين  ایوانف در 2004 و تریپاسی و همکارانش در 1999 بازدهی جريان فرآيند ترسيب الکتريکی روی در حضور افزودنی های آلی EAA[10] ، TEBA[11] ، CTABr ، [12]TBABr و خصوصيات پوشش های روی به دست آمده در محلول اسيدی سولفات روی را مورد بررسی و تحقيق قرار داده اند[6,7] . در پژوهش ديگری از نويسندگان حاضر نيز اثر اعمال دانسيته جريان های متفاوت و حضور افزودنی ساخارين بر کيفيت و براقيت پوشش نيکل در آبکاری الکتريکی آن از حمام وات مورد بررسی قرار گرفته است [8] .

در اين تحقيق نيز اثر تعدادی از عوامل الکترو شيميايی موثر بر کارايی جريان و کيفيت نهايی پوشش ، از جمله بازدهی جريان ، ترکيب الکتروليت و الکترود ها ، حضور افزودنی آلی در حمام آبکاری و بکارگيری الکترود ديسکی چرخنده مورد مطالعه قرار گرفته است.

مواد و روش تحقيق

جهت محاسبه کارايی جريان در هر آزمايش ، مقدار جرم فلز راسب شده بر روی سطح کاتد با اندازه گيری وزن کاتد قبل و بعد از پوشش دهی تعيين می گردد. کاتد های آلومينيوم و فولادی مورد استفاده با دو نوع صفحه ای و دیسکی چرخنده ، ابتدا پوليش شده ، سپس با آب مقطر آب کشی و خشک شده اند. در شکل (1) شمايی از يک الکترود ديسکی چرخنده در سلول الکترو شيميايی نشان داده شده است.

شکل (1):  شمايی از يک الکترود ديسکی چرخنده در سلول الکترو شيميايی[5]

 آند های بکارگرفته شده نیز از دو نوع سرب و آلياژ سرب -  نقره می باشد و الکتروليت های مورد مطاله شامل سه دسته الکتروليت صنعتی با مقادير کنترل شده ناخالصی ها ، الکتروليت سنتز شده ی اسيدی و قليايی با ترکيب  نشان داده شده در جدول (1) می با شند. مولکول آلی مورد استفاده صمغ عربی به ميزان 5 ميلي گرم در ليتر به حمام الکتروليت افزوده شده است. دانسيته جريان نيز با در نظر گرفتن مساحت سطح کاتد 30 ، 35 ، 40 و mAcm^-2  45  با بکارگيری تکنيک کرنو پتانسيو متری اعمال شده است.

جدول (1) : مشخصات الکترولیت های مورد بررسی

در نهايت وزن تئوری مربوط به هر یک از شرایط آزمایش با احتساب جریان اعمالی و زمان پوشش دهی محاسبه شده و مقدار بازدهی جریان تعیین میگردد.

نتایج و بحث

شکل (2) ، افزایش کارایی جریان با دانسیته جریان تا  mAcm^-2 45 را نشان می دهد ، پس از آن با افزایش بیشتر دانسیته جریان رسوبات دندریتی از لبه های سطح شروع به رشد نموده و فرآیند پوشش دهی با اختلال مواجه خواهد شد.

شکل (2) : بازدهی جریان بر حسب چگالی جریان        .

شایان ذکر است که در دانسیته جریان های کوچکتر از  mAcm^-230 ، پتانسیل اعمالی آنقدر بزرگ نیست که در آن محدوده واکنش احیا و ترسیب فلز روی اتفاق افتد. از این رو پس از انجام تعداد زیادی آزمایش مشخص شده که چگالی جریان در محدوده ی انتخابی فوق در فرآیند پوشش دهی فلز روی مناسب ترین بازه همراه با حصول کارایی جریان های بالای %90  و پوشش های روی با ظاهر یکنواخت و خلوص بالای 98% می باشد که از نظر صنعتی  بسیار حائز اهمیت می باشد.

جدول (2) ، مقادیر بازدهی جریان در سلول های الکتروشیمیایی با کاتد های آلومینیومی و فولادی و آندهای سرب و آلیاژی سرب -  نقره را نشان می دهد.

جدول (2) : بازدهی جریان الکترودهای مورد بررسی

همان طور که مشاهده می شود ، زیر لایه  آلومینیومی به میزان قابل توجهی بازدهی جریان بزرگتری را ایجاد نموده است که علت این امر وجود بزرگترین اور پتانسیل تصاعد هیدروژن بر زیر لایه ی آلومینیومی عنوان می گردد. در نتیجه بر روی زیر لایه آلومینیومی در مقایسه با کاتد فولادی ، زمان بیشتری طول خواهد کشید تا واکنش رقیب تصاعد هیدروژن در امر احیا و ترسیب فلز هدف مورد نظر تداخل ایجاد نموده و کارایی جریان افت کمتری خواهد داشت. به علاوه آلومینیوم به علت آنکه هیچگونه آلیاژی با روی تشکیل نمی دهد ، زیر لایه مناسبی در فرآیند پوشش دهی روی به شمار می آید.

آند آلیاژی سرب – 1% نقره نیز کارایی جریان بزرگتری نسبت به آند سربی دارا می باشد که علت احتمالی آن تا حدودی جلوگیری از ورود سرب به داخل الکترولیت توسط عنصر آلیاژی نقره می باشد و الکترودی غیرقابل حل در الکترولیت محسوب می شود. در آند سربی ، سرب موجود به شکل نمک های سولفاتی وارد الکترولیت شده و واکنش احیای سرب نیز واکنش مزاحمی در فرآیند پوشش دهی فلز هدف روی به شمار می آید. پوشش های به دست آمده در حضور آند آلیاژی از خلوص نسبی بالاتری برخوردارند .

جدول (3) میزان بازدهی جریان های محاسبه شده برای انواع الکترولیت مورد مطالعه را نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود الکترولیت صنعتی به لحاظ حضور ناخالصی ها حتی در مقادیر کوچک ، سبب اتلاف بخشی از جریان اعمالی توسط واکنش های محتمل رقیب شده و بازدهی جریان های پایین تری ایجاد خواهد نمود. اثر هر ناخالصي بر بازدهی جریان به طرز جالبي به عدد اتمي عنصر در جدول تناوبي مرتبط است . با افزايش عدد اتمي در هر دوره، كاهش در بازدهي جريان موازي با افزايش نرخ تصاعد هيدروژن روي عنصر ناخالصي بیان می شود [4].

از مقایسه الکترولیت های اسیدی و قلیایی می توان به در دسترس بودن بیشتر یون هیدروژن در محیط اسیدی و متحمل تر شدن وقوع واکنش تصاعد هیدروژن اشاره نموده و در محیط های قلیایی به بازدهی جریان های بالاتری دست یافت.

جدول (3) : بازدهی جریان الکترولیت های  مورد بررسی

پس از گزینش اجزای اصلی فرآیند آبکاری شامل الکترودهاو الکترولیت و مشاهده ی نتایج محاسبه ی بازدهی جریان فرآیند ، به دو راهکار موثر جهت افزایش کارایی خواهیم پرداخت. افزودن مولکول آلی افزودنی به حمام الکترولیت و بکارگیری کاتد دیسکی چرخنده که هر دو مورد افزایش قابل توجهی در میزان کارایی جریان را سبب می شوند. در حضور افزودنی صمغ عربی به حمام آبکاری به کارایی در حدود 95-99% دست یافته که عملکرد این مولکول های آلی با جذب بر روی سطح کاتد و به تاخیر انداختن واکنش تصاعد هیدروژن توضیح داده می شود. افزودن صمغ عربي علاوه بر هموژن شدن رسوبات باعث ريزتر شدن دانه­ها و شفاف شدن رسوبات مي­گردد. اين ماده با جذب در نقاط فعال سطح کاتد، يکنواختي پوشش را تسهيل مي نمايد ، در حاليکه در غياب افزودني ، نقاط فعال به شدت توليد گاز نموده، مانع از ترسيب روي و در نتيجه ايجاد حفره مي­نمايد. الکترود دیسکی چرخنده نیز با ایجاد چرخش و حرکت در الکترولیت سبب جابجایی بهتر  یون ها در حمام آبکاری شده و امکان مهاجرت یون ها به سمت کاتد را افزایش داده ، و بدین صورت سبب افزایش کارایی جریان تا حدود 96% خواهد شد.

نتیجه گیری

در عمل و در صنعت آبکاری ، توجه به مقادیر بازدهی جریان می تواند به طور موثری از اتلاف انرژی ممانعت نموده و در هزینه ها صرفه جویی قابل توجهی ایجاد گردد. بازدهی جریان با گزینش الکترودهای مناسب که پس از آزمایش های بسیار ، آند آلیاژی سرب -  نقره و کاتد آلومینیومی معرفی شده و الکترولیتی که پیش از آبکاری عملیات تخلیص روی آن صورت گرفته باشد و همچنین با بکارگیری الکترولیت های قلیایی حاوی روی نسبت به الکترولیت های اسیدی روند افزایشی نشان خواهد داد. افزودن مولکول های آلی و استفاده از الکترود چرخنده نیز به افزایش کارایی کمک خواهد کرد.

مراجع

1-A.M.EL.SERIK,V.ERB,”Synthesis of bulk nanocrystalline nickel by pulsed electrodeposition “,materials science 30(1995) 5743-5749.

2-A.M.Rashidi,A.Amadeh,”The effect of current density on the grain size of electrodeposited nnocrystalline nickel coating”,Surface & coating Technology202(2008),3772-3776.

3-E.A. Pavlatou et al,” Synergistic effect of 2-butyne-1,4-diol and pulse plating on the structure and properties of nickel nanocrystalline deposits”, Surface & Coatings Technology 201 (2007) 4571–4577.

4-R. M. Morrison et al. ,The effect of some trace metal impurities on the electrowinning of zinc from Kidd Greek electrolyte , Hydrometallurgy,29(1992),413-430.

5-A. Recendiz et al. , Current efficiency studies of the zinc electrowinning process on aluminum rotating cylinder electrode (RCE) in sulfuric acid medium: Influence of different additives , Electrochimica Acta, 52 (2007), 6880–6887.

6-I. Ivanov , Increased current efficiency of zinc electrowinning in the presenceof metal impurities by addition of organic inhibitors , Hydrometallurgy ,72 (2004), 73–78.

7-B.C. Tripathy et al , Zinc electrowinning from acidic sulphate solutions. Part III: Effects of quaternary ammonium bromides , J.of applied electrochemistry , 29(1999) , 1229-1235.

8-M.Saremi et al,”Investigation of the Electrochemical Parameters on the Nano Metals Electroplating Process”,5 ^th every 2 years Intenational Exhibition & conference of Iranplating Industries,2008.