научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ КИСЛОТНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТА ХРОМИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА ХРОМА(III) Химия

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ КИСЛОТНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТА ХРОМИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА ХРОМА(III)»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 10, с. 1189-1194

УДК 541.138.3:546.763

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ КИСЛОТНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТА ХРОМИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА ХРОМА(Ш)

© 2004 г. В. В. Кузнецов, Д. Ю. Тураев, С. С. Кругликов, В. Н. Кудрявцев1

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва А-47, Миусская пл., 9, Россия Поступила в редакцию 06.10.2003 г.

После переработки поступила 03.03.2004 г.

Стабилизация рН электролита хромирования на основе сульфата хрома(Ш) может быть осуществлена в двухкамерной ячейке с анионообменной мембраной. Оптимальная концентрация серной кислоты в анолите может быть подобрана на основе уравнения материального баланса католита с учетом зависимости числа переноса ионов гидроксония через анионообменную мембрану от концентрации серной кислоты. В процессе длительного электролиза в катодном пространстве электролизера не происходит значительного накопления ионов двухвалентного хрома. Перенос формиат-ионов через анионообменную мембрану в области рабочих значений рН электролита незначителен.

Ключевые слова: электролиты хромирования на основе соединений трехвалентного хрома, ионообменные мембраны, стабилизация рН.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время значительное внимание уделяется разработке электролитов хромирования на основе соединений трехвалентного хрома [1-3]. В перспективе эти электролиты рассматриваются как возможная альтернатива токсичным электролитам на основе хромового ангидрида. С этой точки зрения, наиболее привлекательными представляются электролиты на основе сульфата хрома(Ш), поскольку, в отличие от электролитов на основе хлорида хрома(Ш), при проведении процесса электролиза в этих растворах на аноде не выделяется токсичных продуктов. В последнее время разработан ряд составов электролитов на основе сульфата хрома(Ш). Общим недостатком большинства из них является относительно узкий интервал рН, в котором возможно получение качественных осадков хрома с высоким выходом по току. Например, рабочий диапазон значений рН разработанного в [1] электролита 1.1-1.8: при понижении рН ниже 1.1 практически единственной катодной реакцией становится выделение водорода, увеличение рН выше 1.8 приводит к образованию на катоде осадка гидра-тированных оксидов хрома. Процесс хромирования из этого электролита проводится в ячейке с разделенными катодным и анодным пространствами, чтобы предотвратить попадание ионов шестивалентного хрома, образующихся на аноде, в

1 Адрес автора для переписки; gteh@muctr.edu.ru

(В.Н. Кудрявцев).

католит. Интенсивное выделение водорода, сопровождающее процесс электролиза, приводит к значительному защелачиванию электролита и к необходимости его частых корректировок.

Одним из возможных способов стабилизации состава и, в частности, рН электролита хромирования на основе соединений трехвалентного хрома может быть применение ионообменных полимерных мембран, селективно пропускающих один тип ионов и задерживающих другие [4-7]. В настоящей работе оценена возможность применения катио-но- и анионообменных мембран для стабилизации рН электролита на основе сульфата хрома(Ш).

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты проводили в электролите хромирования [8, 9] следующего состава, г/л: Сг2(804)3 ■ ■ 6Н20 - 250; Л12(804)3 ■ 18Н20 - 120; №2804 - 45; карбамид - 45; формиат натрия - 27.

Рабочая катодная плотность тока составляла 25 А/дм2. Электролиз проводили как в двухкамерных, так и в трехкамерных ячейках, катодные и анодные пространства которых разделяли при помощи катионобменной мембраны МК-40 и анионообменной - МА-40. В анодное пространство электролизера заливали растворы серной кислоты различной концентрации. В качестве катодов использовали медные пластины площадью 4 см2, анодами служили сетки из платинированного титана, которые располагались за ионообмен-

И9

(а)

И+

СА—Сг3+

+

И+

2Н20 + 2е

Н2 + 20Н-

(4)

И+

Ш04

И2

(б)

И+

Сг0^— Сг3+

02 И+

И+

~И2804

2Н30+ + 2е —► Н2 + 2Н20,

(3)

- восстановление ионов двухвалентного хрома, накапливающихся в ходе электролиза в католите

Сг2+ + 2е — Сг. (5)

На изменение величины рН влияет протекание реакций (3), (4). Для того, чтобы решить задачу стабилизации рН электролита в ходе электролиза, необходимо составить уравнение материального баланса католита по ионам водорода. В катодном пространстве ячейки (рис. 1) ионы водорода расходуются в результате протекания на катоде реакций выделения водорода, в то время как накопление ионов гидроксония в католите происходит благодаря их переносу из анолита через ионообменную мембрану. Исходя из приведенных рассуждений, материальный баланс катодного пространства двухкамерной ячейки по ионам водорода можно записать в следующем виде:

Ли

и, о

= I-

и,о

ВТи 100

й

(6)

где Л п

- прирост числа молей ионов водорода

Рис. 1. Схема двухкамерной ячейки с ионообменной мембраной: а - ячейка с катионообменной мембраной; б - ячейка с анионообменной мембраной.

ными мембранами параллельно по отношению к катоду. Рабочая площадь ионообменных мембран составляла 70 см2, объемная плотность тока в католите 4 А/дм3.

Селективность работы ионообменных мембран оценивалась путем измерения кажущихся чисел переноса ионов через них. В ходе электролиза периодически измерялись рН электролита, концентрации серной кислоты в анолите и ионов двух-и трехвалентного хрома в электролите. Применявшиеся аналитические методики описаны в [10]. На основании уравнения материального баланса и данных по накоплению серной кислоты в анолите рассчитывали число переноса ионов водорода через ионообменную мембрану.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При осаждении хрома в ячейке в двухкамерной ячейке (рис. 1) в католите возможны следующие реакции [2, 9]:

- восстановление ионов трехвалентного хрома

Сг3+ + е Сг2+, (1)

Сг3+ + 3е —- Сг; (2)

- выделение водорода

в катодном пространстве при прохождении количества электричества, равного 2; ^ - число

переноса ионов гидроксония из анодного пространства в катодное через ионообменную мембрану; ВТи - выход по току катодной реакции выделения водорода. Стабилизация рН католита произойдет в том случае, когда скорости переноса ионов гидроксония через мембрану и их расхода при разряде на катоде сравняются. По данным работы [10], в исследуемом электролите катодный выход по току водорода составляет приблизительно 40%, следовательно, для того чтобы рН католита в ходе электролиза не изменялось, число переноса через ионообменную мембрану должно составлять 0.4.

Из данных о зависимости кажущегося числа переноса ионов гидроксония через катионооб-менную мембрану от концентрации серной кислоты в анолите (рис. 2, кривая 1) следует, что при всех концентрациях серной кислоты в анолите эта величина практически постоянна и не опускается ниже 0.85. Поэтому катионообменную мембрану вряд ли можно использовать для стабилизации рН электролита, поскольку количество ионов гидроксония, переносимых через эту мембрану, будет превалировать над скоростью их расхода на катоде, и в ходе электролиза католит должен за-кисляться (рис. 1а). Проведенные эксперименты показали правильность сделанного вывода: в ходе электролиза значение рН католита снижалось. Следует отметить, что при проведении экспериментов с катионообменной мембраной в ходе электролиза наблюдалось значительное увеличение

+

объема католита вследствие переноса молекул воды через ионообменную мембрану. Это приводило к нежелательному разбавлению электролита. На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод о непригодности катионо-обменных мембран для стабилизации рН электролита хромирования на основе соединений трехвалентного хрома.

При использовании анионообменной мембраны значительная доля тока будет переноситься

анионами (рис. 16): сульфат-( 80^-) и гидросульфат- (И80)4 ионами. Учитывая рабочий интервал рН электролита (1.1-1.8) и значение константы диссоциации К (И80) - = 1.15 х 102 [11], можно сделать вывод, что основной формой существования серосодержащих частиц в электролите будут

ионы (И80)4. Следовательно, через анионооб-менную мембрану ток в основном будет переноситься гидросульфат-ионами. Поскольку селективность применявшихся анионообменных мембран МА-40 не очень высока, значительная доля тока через мембрану может переноситься ионами водорода. Кажущиеся числа переноса ионов водорода и гидросульфат-ионов через анионообмен-ную мембрану в существенной степени зависят от концентрации серной кислоты в анолите (рис. 2, кривая 2). Следует отметить, что установленная зависимость качественно совпадает с полученной в [12], в которой числа переноса гидросульфат-ионов через анионообменную мембрану в растворах серной кислоты определялись радиоизотопным методом.

Для того, чтобы концентрация ионов гидроксо-ния в католите не изменялась (Лп + = 0), соглас-

И-,0

но уравнению (6), число переноса ионов водорода должно быть равным ВТщ /100. Приняв выход по

току водорода равным 40-45% и воспользовавшись данными, представленными на рис. 2 кривой 2, можно найти, что это соответствует концентрации серной кислоты в анолите 0.35 М. В этом случае, согласно уравнению материального баланса (6), не должно происходить изменения рН католита в ходе электролиза. Однако при проведении электролиза в этих условиях в действительности наблюдался рост рН электролита (рис. 3, кривая 2).

Рост рН свидетельствует о том, что в ходе длительного электролиза выход по току реакции выделения водорода увеличивается, при этом изменяется баланс катодных реакций. Поскольку в исследованном электролите выход по току металлического хрома, а следовательно, и парциальная плотность тока осаждения хрома практически не зависят от времени электролиза [10], то увеличение парциальной плотности тока выделения водорода может происходить за счет снижения доли тока, иду-

№0+) 0.8

с(И2804), М

Рис. 2. Зависимость кажущегося числа переноса ионов водорода через катионо- (1) и анионообменную (2) мембраны от концентрации серной кислоты в ано-

РИ

4

е, Ач/л

Рис. 3. Изменение рН католита в ходе электролиза в двухкамерной ячейке с анионообменной мембраной. Конц

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком