CN1007737B - 多孔镍活性阴极及其制备方法 - Google Patents

多孔镍活性阴极及其制备方法

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Abstract

本发明涉及一种采用电镀法在铁基体表面镀有多孔镍镀层的活性阴极。先在铁基表面电镀上多孔镍锌合金镀层,然后用碱性溶液溶去其中的锌成分,得到厚度为0.08~0.26毫米的孔径较深的多孔镍镀层,其表面积大、导电性高,与铁基的结合力强。把它应用于氯碱工业石棉隔膜电解槽,离子膜电解槽的活性阴极,可降低槽电压0.15~0.16伏,节能效果良好。

Description

本发明涉及一种应用电镀法在铁基体表面镀有多孔镍镀层的电极。它用于氯碱工业石棉隔膜电解槽、离子膜电解槽的活性阴极。本发明还涉及这种阴极的制备方法。
在氯碱工业生产中,通常采用铁丝编织网作为电解槽的阴极。由于铁丝网阴极的氢超电位一般在0.30伏以上,为了解决降低阴极的氢超电位以达到节能的效果。在现有技术中以金属导体为基体,采用喷涂法、浸涂法和电镀法在基体表面镀上不同成分的多层镀层,制备出各种活性阴极。例如美国杜邦公司(US.742615.17,11,1976)用电镀法在小钢片上镀制镍镀层阴极,Diamond Shamrock Corp。(US038032.14,09,1976)用等离子喷涂镍铝或镍钴合金制备阴极。此外,日本专利JP-63825m(27,11,1978)、JP-198172(06,11,1981)、JP-114722(22,08,1982)、JP-119875(18,02,1982)、JP-029393(23,08,1986)等文献都描述了所制备的各种活性阴极。日本德山曹达株式会社(JP-昭和59-234155,CN85108158A)在导电基体表面镀上镍锡合金镀层作为阴极。法国阿托化学公司(FR8509540,CN86104356A)制备了RuO2/TiO2和/或ZrO2阴极、意大利奥多茨奥诺拉电化学工厂联合会股票公司(IT20309A/85,IT19504A/86,CN86102469A)描述了所研制的电催化陶瓷层电极。在国内,也有在铁基体上分别用等离子喷涂法涂上Ni-Al合金涂层,用电镀法镀上Ni-Zn合金镀层或用电镀法镀上Co-W-P合金,来制成活性阴极。在小试中用恒电流法(190mA/cm2)测定氢超电位,可比铁阴极降低0.2-0.3伏,节能效果较为明显。但是,有些活性阴极的制备方法比较复杂,从而使阴极的成本较高。而且几乎都用于离子膜电槽上,而在石棉隔膜氯碱槽上所用活性阴极,尚未见诸国外专利文献报导。
本发明的目的在于提供一种低能耗多孔镍活性阴极,采用的金属基体为铁丝编织网或钻孔铁片,其表面经过镍锌共镀随后将锌溶解掉而形成的多孔镍镀层的厚度达到80~260μm,即0.08~0.26毫米,孔隙多而孔径深,且表面积大,导电性良好。在实验室小试中,采用恒电流法(20A/dm2)测定其氢超电位,可比铁阴极的氢超电位降低0.23~0.27伏,在工业化试验中,在8米2石墨阳极隔膜电槽上应用,可比用铁网阴极的对比槽降低槽电压0.15~0.16伏,节电效果良好,即生产每吨烧碱可以节电100度(KWH)以上。
本发明的另一个目的是提供低能耗多孔镍活性阴极的制备方法。该方法在电镀多孔镍锌镀层,即多孔镍的过渡镀层以前,对铁丝编织网基体不必进行喷砂粗化或预镀镍处理,只要在基体表面除去油污、铁锈和进行清洗以后,就可直接进行电镀。所以这种多孔镍活性阴极的制备工艺较为简单,成本较低,而其使用寿命较长,可达二年或二年以上。在铁丝编织网(或钻孔铁片)上镀制多孔镍镀 层的工艺流程参见附图1:
第一步是镀前处理,即碱液除油和酸洗除锈。把铁丝编织网(或钻孔铁片)放入含有氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠的碱性溶液中,加热至90~100℃,浸2小时左右,直到除尽油污为止。然后取出浸件先用60~80℃的热水漂洗,再用冷水清洗,除去铁丝编织网(或钻孔铁片)上的残留碱液。把清除油污的铁丝编织网(或钻孔铁片)浸入含有1∶1盐酸和六次甲基四胺的酸液中,进行除锈,酸液温度为室温,浸蚀时间为4-6小时,直到清除全部铁锈或氧化铁皮为止。然后取出该铁网(或铁片),用清水冲洗,清除残留酸液。
第二步是电镀多孔镍锌合金镀层,即多孔镍的过渡镀层。按下面所述的电镀液配方和工艺条件,进行电镀Ni-Zn合金镀层。
制备多孔镍活性阴极的电镀液配方如下:
硫酸镍 NiSO4·6H2O(工业用)150~250克/升
氯化锌 ZnCl2(工业用)5~60克/升
氯化钠    NaCl(工业用)30~50克/升
硼酸 H3BO3(工业用)30~45克/升
Ac-Ⅲ添加剂(华东师大化工厂生产)20~40克/升
Ac-Ⅲ添加剂含有硼化物,氟化物、氨三乙酸和氟硅酸盐等成分。
采用的电镀工艺条件为:
电镀液pH值    2.5~4.5
电镀液温度    40~55℃
阴极电流密度 3~6安/分米2
电镀时间    90~120分钟
阳极材料    纯镍板(含Ni99.95%)
阳极面积∶阴极面积    1∶1~1.5
搅动电镀液    压缩空气或镀液回流
镀毕,即用清水把镀有多孔Ni-Zn合金镀层的铁丝编织网(或钻孔铁片)镀件充分清洗,除去残留镀液。
第三步是镀后处理。采用150-200克/升氢氧化钠溶液,先在室温条件下溶去多孔Ni-Zn合金镀层中的Zn,时间为12-24小时,然后加热碱液至90~100℃,除Zn时间为1-2小时,继续溶去多孔Ni-Zn合金镀层中的Zn,直到无氢气泡发生为止。然后取出铁丝编织网(或钻孔铁片)基体的多孔镍活性阴极,用热水和冷水充分清洗,消除其残留碱液。自然风干。
本发明与现有技术相比,具有下列优点:
1.导电性高,经用JCXA-733型电子探针仪扫描和RAX-10型X衍射仪对多孔镍镀层的金相组织结构测定,确定了这种多孔镍镀层是由Ni晶粒所组成的,镀层厚度为80~260μm,镀层具有很多孔径较深的孔隙,其表面积大,导电性高。
2.多孔镍镀层与铁基体的结合力强,镍镀层的韧性好。即使把这种镀上多孔镍的铁丝编织网弯曲到<180°,其镍镀层也不开裂或脱皮。因此,这种多孔镍活性阴极的使用寿命长,可达2年或2年以上。
3.采用不同的电镀配方,所配制的电镀液稳定性高。这种电镀液在室温下,可以长期贮存而不变质,也可避免自然损耗。在电镀液温为40~55℃范围内,在每次镀多孔镍锌以后,只要补充少量氯化锌和用少量盐酸或硫酸调整pH值,即可连续进行电镀。
4.采用不同的电镀工艺条件,使电镀工艺较为简单,配制电镀液所用的原料,都是容易获取的工业级化工原料。本发明对所用铁基体不需要在电镀前进行喷砂粗化或预镀镍或铜处理,节省了工序和时间,可直接镀上多孔镍锌镀层。这样,有利于降低成本。
5.节电和经济效益良好。本发明多孔镍活性阴极在实验室小试中可以降低氢超电位0.23~0.27伏,在8米2石墨阳极氯碱槽中连续运转,可降低槽电压0.15~0.16V,生产每吨烧碱可以节电100度(KWH)以上。
附图1为制备多孔镍活性阴极工艺流程。
附图2为多孔镍活性阴极与对比铁网阴极的析氢超电位曲线图及多孔镍活性阴极的氢超电位降低值曲线图。
附图3为2台多孔镍活性阴极试验槽与13台铁网阴极对比槽在更换隔膜前后,槽电压随时间变化曲线图。试验槽和对比槽的电流都是6500A。其中,曲线1表明7台对比槽吸附石棉隔膜以后上槽运行5个月的每个月的平均槽电压,曲线2表明3台对比槽吸附石棉隔膜以后上槽运行7个月的每个月的平均槽电压。曲线3表明3台对比槽吸附石棉隔膜以后上槽运行6个月的每个月的平均槽电 压。曲线4表明2台试验槽在吸附第1次石棉隔膜以后上槽运行5个月的每月平均槽电压,曲线5表明2台试验槽在吸附第2次石棉隔膜以后上槽运行7个月的每月平均槽电压,曲线6表明2台试验槽在吸附第3次石棉隔膜以后上槽运行6个月的每月平均槽电压。
附图4为2台多孔镍活性阴极试验槽与13台铁网阴极对比槽在连续运行17个月中,试验槽的每月平均槽电压较对比槽的每月平均槽电压降低值(0.15~0.16V)曲线图。
实施例1:
在实验室小试中,在铁丝编织网基体上镀制多孔镍镀层。
铁丝编织网基体的尺寸:15cm×2cm×0.3cm
镀制多孔镍镀层的工艺:第一步为镀前处理,对铁丝编织网基体先进行除油、除锈和清洗。第二步为电镀多孔镍锌合金镀层。采用电镀液的配方为:
NiSO4·6H2O(工业用) 150~200克/升
ZnCl2(工业用) 5~15克/升
H3BO3(工业用) 30~40克/升
NaCl(工业用)    25~45克/升
Ac-Ⅲ添加剂(华东师大化工厂生产)    15~25克/升
采用的工艺条件为:
镀液pH值    3~4
镀液温度    45~55℃
阴极电流密度 3~4安/分米2
电镀时间    120分钟
阳极材料    纯镍板(含镍99.95%)
阳极面积∶阴极面积    1∶1~1.5
搅动电镀液    镀液回流法
第三步为镀后处理,采用的碱性溶液配方为:
NaOH(工业用)    100~150克/升
H2O(自来水) 稀释到1升
采用的工艺条件为:当氢氧化钠溶液温度为室温时,把多孔镍锌合金镀层的铁丝编织网基体浸入碱液12~24小时;然后加热碱液至90~100℃,除锌时间为1~2小时,直到无氢气泡发生为止。经过上述除锌以后的多孔镍镀层的铁丝编织网基体,必须先用50~60℃热水漂洗,再用冷水清洗,以除去残留碱液,并进行自然风干。
经用JCXA-733型电子探针仪及RAX-10型X衍射仪分别进行测定,确定了这种多孔镍镀层是由大小不同的镍晶粒所组成的多孔性层状组织,其表面积大,多孔镍镀层的厚度为80~260μm,即0.08~0.26毫米,孔隙多而孔径深,采用轻工业部SG82部颁标准《日用五金制品金属镀层和化学处理层测试方法》的划痕试验法和弯曲试验法进行测试,表明这种多孔镍镀层的韧性大,并且与铁丝编织网基体的结合力强。用恒电流法测定多孔镍镀层铁丝编织阴极和对比铁网阴极的析氢电位(V)及氢超电位降低值(V)的数据见表1。
在测定析氢电位(V)时,浸入电解液的阴极有效面积为6.7cm×3cm=20.1cm2。从表1可以看出,当阴极电流密度为20A/dm2时,多孔镍镀层铁丝网阴极的析氢超电位可比无镍镀层的铁网阴极降低0.237~0.278伏,因此,这种多孔镍镀层铁网阴极是一种低能的活性阴极。
多孔镍活性阴极与对比铁网阴极的析氢超电位曲线图及多孔镍活性阴极氢超电位降低值曲线图参见图2。
实施例2:
在实验室小试中,在铁片基体上镀制多孔镍镀层。
铁片基体的尺寸:12cm×2cm×0.1cm。
镀制多孔镍镀层的工艺:第一步为镀前处理,对铁片基体先进行除油、除锈和清洗。第二步为电镀多孔镍锌合金镀层,采用电镀液的配方为:
NiSO4·6H2O(工业用) 210~250克/升
ZnCl2(工业用) 15~25克/升
H3BO3(工业用) 30~45克/升
NaCl(工业用)    35~45克/升
Ac-Ⅲ添加剂(华东师大化工厂生产)    25~35克/升
采用的工艺条件为:
镀液pH值    3~4.5
镀液温度    48~55℃
阴极电流密度 3~5安/分米2
电镀时间    120分钟
阳极材料    纯镍板(含镍99.95%)
阳极面积∶阴极面积    1∶1~1.5
搅拌电镀液    镀液回流法
第三步为镀后处理,用碱性溶液溶去多孔镍锌
表1    所测定的多孔Ni镀层铁网阴极的析氢电位(V)及氢超电位降低值(V)
#3被测定    1.204V    1.263V    1.302V    1.326V
阴极(多    (降低    (降低    (降低    (降低    ←氢超
孔Ni镀层    0.224V    0.24V)    0.262V)    0.272V)    电位降
铁网阴极)    低值
(V)
#4被测定    1.202V    1.258V    1.296V    1.320V
阴极(多    (降低    (降低    (降低    (降低    ←氢超
孔Ni镀层    0.226V)    0.245V)    0.268V)    0.278V)    电位降
铁网阴极)    低值
(V)
氢超电位
降低平均    0.217V    0.231V    0.247V    0.261V
值(V)
表2    二台试验槽与七台对比槽的槽电压每月平均值(V)和试验槽电压降低值(V)
对比槽    吸附石    对比槽和试验槽运行月份
编号    棉隔膜    (每台槽子的槽电压每月平均值V)
第1个月    第2个月    第3个月    第4个月    第5个月
1    第1次    3.15    3.22    3.31    3.34    3.42
2    第1次    3.12    3.25    3.27    3.31    3.34
3    第1次    3.12    3.19    3.30    3.32    3.40
4    第1次    3.11    3.19    3.25    3.30    3.40
5    第1次    3.16    3.28    3.26    3.33    3.39
6    第1次    3.13    3.24    3.28    3.34    3.35
7    第1次    3.16    3.23    3.28    3.34    3.38
每月平均值
3.14    3.23    3.28    3.32    3.38
(V)
试验槽编号
1    第1次    2.98    3.05    3.11    3.16    3.21
2    第1次    2.98    3.08    3.15    3.18    3.22
每月平均值
2.98    3.07    3.13    3.17    3.22
(V)
试验槽槽电
压每月平均    0.16V    0.16V    0.15V    0.15V    0.16V
降低值(V)
试验槽和对比槽的装槽时间都在同一月份,运行时间都从1986年6月到10月,都是5个月。
表3    二台试验槽与三台对比槽的槽电压每月平均值(V)和试验槽槽电压降低值(V)
吸附
对比槽    对比槽和试验槽运行月份
石棉
编号    (每台槽子的槽电压每月平均值V)
隔膜
第6个月  第7个月  第8个月  第9个月  第10个月    第11个月    第12个月
8    第2次    3.14    3.18    3.24    3.29    3.40    3.51    3.58
9    第2次    3.13    3.17    3.23    3.28    3.39    3.49    3.57
10    第2次    3.14    3.18    3.25    3.30    3.41    3.52    3.59
每月平
均值    3.14    3.18    3.24    3.29    3.40    3.51    3.58
(V)
试验槽
编号
1    第2次    2.98    3.03    3.08    3.13    3.26    3.36    -
2    第2次    3.00    3.03    3.08    3.14    3.24    3.35    3.43
每月平
均值    2.99    3.03    3.08    3.14    3.25    3.36    3.43
(V)
试验槽
的槽电
压每月    0.15V    0.15V    0.16V    0.15V    0.15V    0.15V    0.15V
平均降
低值
(V)
试验槽和对比槽的装槽时间是在同一个月的,运行时间都从1986年11月至1987年5月,都是7个月。
表4    二台试验槽与三台对比槽的槽电压每月平均值(V)和试验槽槽电压降低值(V)
对比槽    吸附石    对比槽和试验槽运行月份
编号    棉隔膜    (每台槽子的槽电压每月平均值V)
第12个月    第13个月    第14个月    第15个月    第16个月    第17个月
11    第3次    3.15    3.19    3.24    3.29    3.37    3.48
12    第3次    3.15    3.20    3.25    3.28    3.36    3.49
13    第3次    3.16    3.21    3.24    3.29    3.38    3.48
每月平
3.15    3.20    3.24    3.29    3.37    3.48
均值(V)
试验槽
编号
1    第3次    3.00    3.04    3.08    3.13    3.22    3.33
2    第3次    3.00    3.05    3.07    3.12    3.21    3.31
每月平
3.00    3.05    3.08    3.13    3.22    3.32
均值(V)
试验槽
的槽电
压每月    0.15V    0.15V    0.16V    0.16V    0.15V    0.16V
平均降
低值
(V)
试验槽和对比槽的上槽运行时间都是从1987年5月至10月,都是6个月。
合金镀层中的锌。采用的碱液配方及工艺条件都与实施例1相同。
经用JCXA-733型电子探针仪扫描和RAX-10型X衍射仪对多孔镍镀层的结构和金相组织进行测定,表明这种多孔镍镀层是由大小不同的镍晶粒所组成的多孔性层状组织,其表面积大。用上述电子探针仪测定这种多孔镍镀层的厚度为170~260μm,即0.17~0.26毫米,孔隙多而孔径深。经用上述轻工业部SG-82部颁标准的划痕法对多孔镍镀层与铁片基体的结合强度进行测试,未见镍镀层脱皮,表明这种多孔镍镀层的韧性大,并与铁片基体的结合力强,用恒电流法测定多孔镍镀层阴极的析氢电位,表明这种多孔镍镀层阴极的析氢超电位比铁片阴极降低0.24V。
实施例3:
在8米2石墨阳极氯碱槽上应用铁丝编织网基体多孔镍镀层阴极的工业化试验。
8米2石墨阳极隔膜电槽阴极箱的每块铁丝编织网基体的尺寸:92cm×60cm×0.3cm。(每台阴极箱为20块铁丝编织网)。
镀制多孔镍镀层的工艺:第一步为镀前处理,对铁丝编织网基体先进行除油、除锈和清洗。第二步为电镀多孔镍锌合金镀层。采用的电镀液配方为:
NiSO4·6H2O(工业用) 200~230克/升
ZnCl2(工业用) 5~15克/升
H3BO3(工业用) 30~40克/升
NaCl(工业用)    30~40克/升
Ac-Ⅲ添加剂(华东师大化工厂生产)    20~25克/升
采用的工艺条件为:
镀液pH值    3~4
镀液温度    40~50℃
阴极电流密度 3~4安/分米2
电镀时间    120分钟
阳极材料    纯镍板(含镍99.95%)
阳极面积∶阴极面积    1∶1~1.5
搅拌电镀液    采用压缩空气
第三步为镀后处理,用碱性溶液溶去多孔镍锌合金镀层中的锌。所用的碱液配方和工艺条件都与实施例1相同。
采用上列电镀液配方及工艺条件,镀制了40块铁丝编织网的多孔镍镀层的活性阴极,每块尺寸为92cm×60cm×0.3cm,在二台8米2石墨阳极隔膜氯碱槽中进行试验,经过连续运行17个月,其间换过三次石棉隔膜,该多孔镍活性阴极性能稳定,在运行中所测定的二台(多孔镍活性阴极氯碱槽)试验槽和十三台无镀层的铁网阴极氯碱对比槽的槽电压每月平均值见表2、3、4。
另外,试验槽和对比槽的电流都是6500A,测定试验槽和对比槽的槽电压都是在同一时间,因此所测定的槽电压和所计算的试验槽的槽电压降低值是具有代表性和可比性的,因而也是合理的和可靠的。从表2,3,4中所列的槽电压数据中,表明在17个月的连续运行中,二台多孔镍活性阴极的8米2石墨阳极氯碱试验槽的槽电压始终比无镀层的铁网阴极氯碱槽降低0.15~0.16V,即生产每吨烧碱,可以节电在100度(KWH)以上。可见,这种多孔镍活性阴极具有良好的节电效果和较长的使用寿命。
多孔镍活性阴极试验槽与对比槽的槽电压变化曲线参见附图3。多孔镍活性阴极试验槽的氢超电位降低值曲线参见附图4。

Claims (2)

1、用于氯碱工业石棉隔膜电解槽或离子膜电解槽的多孔镍活性阴极,由铁基体和主要由镍锌构成的外镀层构成,其特征在于铁丝编织网或钻孔铁片基体表面为经过镍锌共镀随后将锌溶解掉而形成的多孔镍活性镀层,多孔镍活性镀层的厚度为80~260μm,即0.08~0.26毫米。
2、多孔镍活性阴极的制备方法是采用电镀法,其特征在于第一步是镀前处理,即碱液除油和酸洗除锈,第二步是电镀多孔镍锌合金镀层,第三步是镀后处理,溶去多孔镍锌合金镀层中的锌,电镀液的配方为:
硫酸镍 NiSO4·6H2O(工业用)150~250克/升
氯化锌 ZnCl2(工业用)5~50克/升
氯化钠  NaCl(工业用)30~50克/升
硼酸 H3BO3(工业用)30~45克/升
Ac-Ⅲ  添加剂(华东师大化工厂生产)20~40克/升
电镀工艺条件为:
电镀液pH值  2.5~4.5
电镀液温度  40~55℃
阴极电流密度Dk 3~6安/分米2
电镀时间  90~120分钟
阳极材料  纯镍板(99.95%)
阳极面积∶阴极面积1∶1~1.5
搅拌电镀液  压缩空气或镀液回流
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