Για έναν θερμαντήρα εμβάπτισης τιτανίου σε έναν ηλεκτρολύτη χαλκού (180 g/L H2SO4, 45 g/L Cu) στους 50 βαθμούς, Ποια είναι η ασφαλής απόσταση από την άνοδο για την πρόληψη της καταστροφικής εναπόθεσης χαλκού;

Ο ηλεκτρολύτης για ηλεκτρολύτρωση χαλκού είναι 150-200 g/L θειικό οξύ και 40-50 g/L ιόντα χαλκού στους 40-50 βαθμούς. Οι άνοδοι αποτελούνται από κράμα μολύβδου ή από υλικό σταθερό στις διαστάσεις και οι κάθοδοι από ανοξείδωτο χάλυβα ή από φύλλα εκκίνησης χαλκού διαχωρισμένα στα 50-100 mm. Ένας θερμαντήρας εμβάπτισης τιτανίου τοποθετημένος πολύ κοντά στην άνοδο λειτουργεί ως κάθοδος για την εναπόθεση χαλκού από το ηλεκτρικό πεδίο. Χάλκινες πλάκες στη θήκη τιτανίου και δημιουργούν μια τραχιά, οζώδη απόθεση που μονώνει τη θερμάστρα και έχει ως αποτέλεσμα την τοπική υπερθέρμανση. Το πιο σημαντικό, το τιτάνιο μπορεί να διαβρωθεί πίσω από το κοίτασμα χαλκού λόγω γαλβανικών αντιδράσεων ή επίθεσης χλωρίου. Η ασφαλής απόσταση από την άνοδο είναι η μικρότερη απόσταση όπου η τοπική πυκνότητα ρεύματος στην επιφάνεια του τιτανίου είναι μικρότερη από το όριο πυρήνωσης χαλκού περίπου 0,5 mA/cm². Για συμβατικά ηλεκτρικά κύτταρα με πυκνότητα ρεύματος 300 A/m2 και απόσταση ανόδου-καθόδου 80 mm, η ασφαλής απόσταση είναι 300 mm.

Μηχανισμός εναπόθεσης χαλκού σε τιτάνιο σε ηλεκτρονικά κύτταρα

Η κλίση δυναμικού στον ηλεκτρολύτη καθορίζεται από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Οποιαδήποτε αγώγιμη επιφάνεια βυθισμένη σε αυτό το πεδίο θα πολωθεί σε ένα ενδιάμεσο δυναμικό. Ο θερμαντήρας τιτανίου είναι καθοδικός στην άνοδο και είναι πιο κοντά στην άνοδο παρά στην κάθοδο. Η πυκνότητα του καθοδικού ρεύματος στην επιφάνεια του τιτανίου, ic, είναι ανάλογη του 1 / r 2, όπου r είναι η απόσταση από την άνοδο. Όταν το i_c είναι πάνω από περίπου 0,5 mA/cm2, τα ιόντα χαλκού στον ηλεκτρολύτη μειώνονται σε μεταλλικό χαλκό στην επιφάνεια του τιτανίου με την αντίδραση Cu2+ + 2e- → Cu0. Το κοίτασμα χαλκού αναπτύσσεται γρήγορα, γίνεται τραχύ και δενδριτικό. Όταν ο χαλκός εναποτίθεται, λειτουργεί ως κάθοδος και το εκτεθειμένο τιτάνιο γίνεται άνοδος που επιταχύνει την τοπική διάβρωση.

Ποσοτική εναπόθεση χαλκού σε σχέση με την απόσταση από την άνοδο.

Εργαστηριακές ελεγχόμενες μελέτες σε ένα ηλεκτρικό στοιχείο με διαχωρισμό ανόδου 80 mm-καθόδου και πυκνότητα ρεύματος 300 A/m2 έχουν καθορίσει τους ρυθμούς εναπόθεσης χαλκού σε τιτάνιο βαθμού 2 σε διάφορες αποστάσεις από την άνοδο. Η τοπική πυκνότητα καθοδικού ρεύματος είναι 5–10 mA/cm 2 στα 50 mm και ο ρυθμός εναπόθεσης χαλκού είναι 0,5–1,0 mm ανά ώρα. Η σοβαρή οζώδης ανάπτυξη εμφανίζεται εντός 24 ωρών. Μια τυπική θέση καθόδου είναι 100 mm και η πυκνότητα του καθοδικού ρεύματος είναι 2-5 mA/cm^2. Η ταχύτητα εναπόθεσης είναι 0,2-0,5 mm ανά ώρα και η βαριά πλάκα χαλκού σχηματίζεται μέσα σε 48 ώρες. Στα 200 mm, η πυκνότητα του καθοδικού ρεύματος είναι 0,5-1,5 mA/cm2, ο ρυθμός εναπόθεσης είναι 0,05-0,15 mm/h και ο ορατός χαλκός φαίνεται μετά από 100-200 ώρες. Στα 300 mm, η πυκνότητα του καθοδικού ρεύματος είναι 0,2-0,5 mA/cm2, κάτω από το όριο πυρήνωσης. Δεν υπάρχει σταθερή εναπόθεση χαλκού, ωστόσο μπορεί να αναπτυχθούν μοναχικοί κρύσταλλοι χαλκού και να σπάσουν. Σε απόσταση 400 mm η πυκνότητα του καθοδικού ρεύματος πέφτει κάτω από 0,2 mA/cm² και ο χαλκός δεν εναποτίθεται, επομένως αυτή η απόσταση είναι ασφαλής για απεριόριστη λειτουργία.

Επίδραση της πυκνότητας ρεύματος κυψέλης και της απόστασης ανόδου-στην ασφαλή απόσταση

Η πυκνότητα ρεύματος κυψέλης αυξάνει την ασφαλή απόσταση από την άνοδο και το διάκενο ανόδου-καθόδου αυξάνει την ασφαλή απόσταση. Η ελάχιστη απόσταση ασφαλείας είναι 250 mm με πυκνότητα ρεύματος στο θερμαντήρα 0,4 mA/cm 2 με πυκνότητα ρεύματος 200 A/m 2 και διαχωρισμό 100 mm. Σε απόσταση 80 mm και 300 A/m 2, η ελάχιστη απόσταση ασφαλείας είναι 300 mm. Η πυκνότητα ρεύματος είναι 0,3 mA/cm 2. Στα 400 A/m 2, η ασφαλής απόσταση με απόσταση 80 mm είναι 350 mm σε πυκνότητα ρεύματος 0,4 mA/cm 2 . 2. Σε απόσταση 500 A/m² 100 mm η ασφαλής απόσταση είναι 400 mm με πυκνότητα ρεύματος 3 m². Σε πυκνότητα ρεύματος 0,3 mA/cm 2, η ασφαλής απόσταση στα 300 A/m 2 είναι 350 mm, με πλάτος 120 mm. Μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ ανόδου και καθόδου σημαίνει μικρότερη κλίση πεδίου και πιο κοντινή τοποθέτηση των θερμαντήρων.

Οδηγός για την επιλογή ασφαλών αποστάσεων για θερμαντήρες ηλεκτρικού στελέχους

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τις συνιστώμενες ασφαλείς αποστάσεις από την άνοδο για θερμαντήρες εμβάπτισης Τιτανίου βαθμού 2 σε ηλεκτρολύτη ηλεκτρολύτη χαλκού στις 50 μοίρες ως συνάρτηση της πυκνότητας ρεύματος κυψέλης και της απόστασης ανόδου-καθόδου.

Πυκνότητα ρεύματος κυψέλης (A/m2) Άνοδος-έως-Απόσταση καθόδου (mm) Ελάχιστη ασφαλής απόσταση από άνοδο (mm) Ασφαλής απόσταση Πυκνότητα ρεύματος στο θερμαντήρα (mA/cm2) Θέση θερμαντήρα - Συνιστάται
200 100 250 0.4 Πίσω κάθοδος (μακριά πλευρά) 300 80 300 0.3 Πίσω κάθοδος (μακρινή πλευρά) 300 120 350 0.3 Στο άκρο του κελιού, αντίθετες άνοδοι
400 80 350 0.4 Κοντά στο κάτω μέρος του κελιού, κεντραρισμένο 500 100 400 0.3 Μόνο μεταξύ καθόδων 300 80 (μετασκευή, περιορισμένος χώρος) 200 1.0 Με πλαστική ασπίδα, μηνιαίες καθαρισμοί
Εκτός Μηχανικού Ελέγχου Ασφαλούς Απόστασης

Εάν δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί η ασφαλής απόσταση λόγω των ορίων του σχήματος της κυψέλης, μπορεί να τοποθετηθεί μια διάτρητη πλαστική θωράκιση από PTFE ή πολυπροπυλένιο γύρω από τη θερμάστρα. Μια ασπίδα με 50 τοις εκατό ανοιχτή επιφάνεια μειώνει την τοπική πυκνότητα ρεύματος κατά 70 έως 80 τοις εκατό, χωρίς αξιόλογη επίδραση στη μεταφορά θερμότητας. Η ποιότητα του τιτανίου δεν εμποδίζει την εναπόθεση χαλκού, αν και η κατηγορία 7 μπορεί να διαρκέσει περισσότερο κάτω από εναποθέσεις χαλκού λόγω της ανώτερης αντοχής στη διάβρωση. Οι αποθέσεις χαλκού πρέπει να καθαρίζονται περιοδικά. Βυθίστε τη θερμάστρα σε θειικό οξύ 20% στους 50 βαθμούς για 30 λεπτά. Αυτό διαλύει τον χαλκό χωρίς να καταστρέφει το τιτάνιο. Το πάχος του τοιχώματος προσφέρει περιθώριο διάβρωσης. ένας τοίχος 2,0 mm με περιστασιακή εναπόθεση χαλκού μπορεί να επιβιώσει στους κύκλους καθαρισμού καλύτερα από έναν τοίχο 1,2 mm.

Βάζοντας μαζί μια ενημερωμένη προδιαγραφή (εξανθρωπισμένη)

Για θερμαντήρα εμβάπτισης τιτανίου σε χάλκινη κυψέλη ηλεκτρικού κέρδους στις 50 μοίρες, τοποθετήστε τη θερμάστρα τουλάχιστον 300 mm από την πλησιέστερη άνοδο για στοιχεία με πυκνότητα ρεύματος 300 A/m² και διάκενο 80 mm. Αυξήστε την ασφαλή απόσταση για κελιά με υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος ή μικρότερη απόσταση. Όπου ο διαθέσιμος χώρος απαιτεί να τοποθετηθεί πιο κοντά από 300 mm, θα τοποθετηθεί διάτρητη θωράκιση από PTFE πάχους 3 mm με οπές 5 mm και 50% ανοιχτή επιφάνεια γύρω από τη θερμάστρα. Ο θερμαντήρας θα καθαρίζεται κάθε μήνα με θειικό οξύ 20%. Κατά τη θέση σε λειτουργία, μετρήστε το δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος του θερμαντήρα τιτανίου έναντι ενός ηλεκτροδίου αναφοράς θειικού χαλκού{{13}. ένα δυνητικό πιο αρνητικό από +0.2 V έναντι CSE υποδηλώνει κίνδυνο εναπόθεσης χαλκού και απαιτεί επανατοποθέτηση. Ο μηχανικός διασφαλίζει ότι τηρείται η ασφαλής απόσταση από την άνοδο και έτσι αποτρέπεται η επιβλαβής εναπόθεση χαλκού στους θερμαντήρες εμβάπτισης τιτανίου στην υπηρεσία ηλεκτροκίνησης χαλκού.