NO772914L - Fremgangsmaate til elektrolytisk fremstilling av et metallsjikt - Google Patents

Description

"Fremgangsmåte til elektrolytisk fremstilling

av et metallsjikt".

Det er kjent å fremstille metaller elektrolytisk ved

å lede en strøm gjennom en oppløsning av et salt av metallet. Således blir eksempelvis sink fremstilt elektrolytisk ved at

man leder en elektrisk strøm gjennom en vandig sinksulfatholdig oppløsning. Når det tilveiebringes et elektrisk potensial mellom to elektroder i oppløsningen, utlades de positive Zn-ioner på

den negative elektrode (katoden), slik at sink avsettes.

I praksis utføres elektrolysen i celletanker, kjent

som celler, i hvilke det er plassert et antall katoder, for eksempel 40, laget av meget rent aluminium, og det samme antall anoder pluss én, hvilke er av bly. Elektrodene er plateformet og er forsynt med en understøttelsesarm som hviler på en elektri-fisert kobberskinne. Den spenning som er påkrevet for utfelling av eksempelvis sink fra en sinksulfat- og svovelsyre-oppløsning, er ca. 2,35 volt. Når motstanden av elektrolytten, elektrodene og kontaktene tas i betraktning, er spenningsfallet i praksis ca. 3-4 volt. Den strømtetthet (dvs. antall ampere pr. flate-enhet av katoden) som anvendes for sinkelektrolyseceller, er i alminnelighet 350-750 ampere/m 2 katodeoverflate. Avhengig av den strømtetthet som anvendes må katodene tas ut av cellene med 1-3 dagers mellomrom for at laget av sink som er avsatt på katoden, kan fjernes. Fjerningen av denne avsetning utføres manuelt eller automatisk. Temperaturen i cellene holdes i alminnelighet mellom 30 og 40°C for oppnåelse av, blant andre ting, godt strømutbytte.

Av økonomiske grunner lar man det avsatte metallag få en tykkelse på minst 2 mm, i praksis fortrinnsvis 3 mm eller mer. Metallagét vil dannes på forsiden, baksiden og sidekantene av katoden, slik at katoden er fullstendig omgitt av metallagét. Fjerningen av metallagét fra katoden er da nesten umulig. For elektrolyse av sink er det derfor blitt foreslått å forsyn katoden med avtagbare, elektrisk isolerende rammer av tre eller gummi (se Ullmanns Enzyklopådie der technischen Chemie, bind 19; 3. utgave, 1969, side 104). Slike beskyttende elementer hindrer at s'ink avsettes på katodens kantsoner.

Imidlertid er det fremdeles en ulempe at det ved kanten av den aktive katodeoverflate og det beskyttende element dannes dendritter, f.eks. i form av noduler, som er tilbøyelige til å vokse fortere enn det metallag som avsettes på katoden. Dette fenomen kan bevirke kortslutninger. Sådan dendrittdannelse skjer ikke bare ved elektrolyse av sink, men også ved elektrolytisk fremstilling eller raffinering av andre metaller, f.eks., kobber. Årsaken til dannelsen av dendritter eller noduler ligger i at strømtettheten i grenseområdene til kantsonen eller den beskyttende ramme og til den aktive katodeoverflate er høyere.enn den gjennomsnittlige strømtetthet for hele den aktive overflate av katoden.

Søkeren har nå oppdaget én fremgangsmåte hvorved den-dritt- og noduldannelsen unngås.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte til élektro-lytisk fremstilling av et lag av metail, hvor en elektrisk strøm ledes gjennom en oppløsning av metallioner, hvorved metallet avsettes i form av et lag med tykkelse d på minst 2 mm på en katode som er plassert i oppløsningen, idet avsetning av metall på en kantsone av katoden .hindres ved hjelp av. et elektrisk isolerende beskyttende element,karakterisert vedat det beskyttende element beskytter nevnte kantsone slik at strømtettheten ved denne kantsone med den aktive del av katoden er hovedsakelig lik den gjennomsnittlige strømtetthet over hele den aktive del av katoden. En del av det beskyttende element som beskytter det område av kantsonen som ligger like ved metallagét, har fortrinnsvis en forreste grense beliggende i en avstand på minst 1 d fra katoden. Det beskyttende element er eksempelvis utformet som

en ramme anordnet langs katodens ene kant, og tykkelsen av rammen ved kantsonen nær den aktive del av katoden er minst 1 d, målt perpendikulært på katoden.

Den del av rammen som grenser til den aktive katode-overf late, må være minst så tykk som det metallag som avsettes på katodeoverflaten. Fortrinnsvis er tykkelsen minst 2 d og spesielt 2 d-4 d.

Særlig godt egnet er rammer som har en sideflate (=planen) som står perpendikulært eller hovedsakelig perpendikulært på katodens overflate ved grenseområdet mellom kantsonen og den aktive del av katoden. Et slikt grenseplan har fortrinnsvis en høyde på omtrent tre ganger høyden eller tykkelsen av metallagét d. De fordeler som oppnås ved anvendelsen .av de ovennevnte beskyttende elementer, er:

1. Kortslutning som følge av dendrittdannelse forebygges.

2. Siden dendrittdannelsen ikke lengder finner sted, kan hver

elektrolyseperiode forlenges.

.3. Avstanden mellom elektrodene kan reduseres, slik at man får et mindre spenningstap i cellen og en mer effektiv utnyttelse av cellevolumet.

De beskyttende elementer kan være laget av hvilket som helst, materiale som ikke leder den elektriske strøm, så som tre, gummi, termoplastiske eller termoherdende materialer. Disse beskyttende elementer kan også anordnes rundt kantsonen på en slik måte at de lett kan demonteres.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er særlig godt egnet for fremstilling av sink fra en oppløsning inneholdende sinkioner.

I prinsippet kan katoden, som er laget av et elektrisk ledende materiale, eksempelvis aluminium, plasseres i tilfeldig posisjon i oppløsningen av metallioner. Katoden blir fortrinnsvis opphengt vertikalt i oppløsningen av metallioner, og i dette tilfelle er det viktig at de vertikale kantsoner er forsynt med beskyttende elementer. Den øvre side rager opp over den vandige oppløsning og behøver ikke være forsynt med en ramme. I alminnelighet behøver heller ikke den nedre side å være forsynt med en ramme.

Etter at•metallagét er blitt'tilstrekkelig tykt, blir katoden tatt ut av oppløsningen, hvoretter metallagét.fjernes fra katoden manuelt eller mekanisk, og katoden settes tilbake på plass i oppløsningen av metallioner.

EKSEMPEL

I en elektrolysecelle med en kapasitet på 10 1 tilveiebringes en oppløsning av sinksulfat og fortynnet svovelsyre. Konsentrasjonen av sinkioner er ca. 70-80 g/l og konsentrasjonen av svovelsyre ca. 170-180 g/l. Oppløsningen inneholder pr. liter 1 mg "Kemflok 97", et kationisk overflateaktivt stoff. En ka tode av aluminium med en anode av bly på hver side i en avstand'på 3,5 cm anordnes vertikalt i oppløsningen.' Katodens effektive 2 overflateareal er ca.' 3 dm , mens anodearealet er noe mindre.

Alle elektrodene har rektangulær form. De tre elektrodene plasseres på en slik måte at størstedelen av deres overflateareal

er beliggende under væskenivået. Elektrodenes øvre kanter er festet til metallskinner, som er forbundet med en strømkilde.

Elektrolysecellen forbindes, via en pumpe med et kar inneholdende en sinksulfatoppløsning, hvis konsentrasjon av sinkioner er ca. 165 g/l.. Konsentrasjonen av sinkioner i elektrolysecellen forblir konstant. Videre forbindes elektrolysecellen med en sirkulasjonstank, hvor oppløsningen fra elektrolysecellen holdes ved 36°C ved hjelp av et heteelement. Væsken- fra si-rkula-sjonstanken resirkuleres til elektrolysecellen ved hjelp av en pumpe.

Den vertikalt opphengte katode er på sidene forsynt

med en ramme av termoplastisk materiale. De to vertikale sider er hver forsynt med en ramme av forskjellig utformning, nemlig som vist på fig. 1 og 2.

Fig. 1 viser et snitt gjennom en ramme som ikke illustrerer oppfinnelsen, mens fig. 2 viser et snitt gjennom en ramme,

som illustrerer oppfinnelsen. Denne ramme har et hovedsakelig perpendikulært plan i forhold til katodeoverflaten i grenseområdet mellom kantsonen og den aktive del av katoden. Planet er nesten 12 mm høyt.

På fig. 1 og 2 er rammene vist i tilsvarende målestokk,

og på fig. 2 er også dimensjonenen i mm angitt.

Fig. 3 viser et snitt gjennom den ovenfor beskrevne innretning, bestående av to anoder (A) og en katode (K) med rammene. Videre viser fig. 3 situasjonen etter at cellen har vært i drift i 48 timer, slik at den samlede avsatte mengde sink (Z) på katoden er vist. Bokstaven d representerer således her den virkelige tykkelse av det dannede sinklag.

Etter at strømmen er tilkoblet, holdes elektrodene i oppløsningen i 48 timer. Strømtettheten er 700 A/m 2. Deretter tas katoden ut av oppløsningen, og sinklagene på ca. 6 mm tykkelse som er dannet på begge sider, fjernes med en kniv etter at rammene er fjernet.

Kanten av sinkplaten, som tilsvarer katoderammen som anvendes ifølge oppfinnelsen, oppviste ingen dendritter og var i det vesentlige av samme tykkelse som platen. Kanten av den sinkplate som ikke var fremstilt i henhold til oppfinnelsen, oppviste store noduler (dendritter), som hadde en lengde på 1-1,5 cm og raget opp over sinklaget.

Fig. 3 viser den ubetydelige fortykkelse ved kanten av de sinkplater soiri var dannet nær rammen som anvendes ifølge oppfinnelsen. Ved den andre kanten kan de nodulformede frem-spring sees som var dannet nær den ramme som ikke illustrerer, oppfinnelsen.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til elektrolytisk fremstilling av et lag av metall, hvor en elektrisk strøm ledes gjennom en oppløsning av metallioner, hvorved metallet avsettes som et lag med en tykkelse d på minst 2 mm på en katode som er blitt plassert i-oppløsningen, idet avsetningen av metall på en kantsone av katoden forebygges ved hjelp av et elektrisk isolerende beskyttende element, karakterisert ved at det beskyttende element beskytter den nevnte kantsone slik at strømtettheten i grenseområdet mellom kantsonen og den- aktive del av katoden er hovedsakelig lik den gjennomsnittlige strømtétthet over hele den aktive del av katoden.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den del av det beskyttende element som beskytter - den sek-sjon av nevnte kantsone som grenser til metallagét, har en forreste grense beliggende i en avstand på minst 1 d fra katoden.

3. Fremgangsmåten ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det beskyttende element er utformet som en ramme anordnet langs katodens ene kant, og tykkelsen av rammen i grenseområdet mellom kantsonen og den aktive del av katoden er minst 1 d, målt perpendikulært på katoden.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at nevnte tykkelse er minst 2 d.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at nevnte tykkelse er 2 d-4 d.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3-5, karakterisert ved at rammen har sideflate stående perpendikulært eller hovedsakelig perpendikulært på katodens overflate i grenseområdet mellom kantsonen og den aktive del av katoden.

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved .at oppløsningen av metallioner inneholder sinkioner.

8. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at katoden består av en plate av elektrisk ledende materiale, som er opphengt vertikalt i opp-løsningen av metallioner, og hvis vertikale kantsoner er forsynt med beskyttende elementer.

9. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det beskyttende element er demonterbart.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at katoden uttas fra oppløsningen av metallioner etter at metallagét er avsatt, hvoretter metall-laget fjernes fra katoden manuelt eller mekanisk, og katoden settes tilbake på plass i oppløsningen.

11. ' Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, . karakterisert ved at det beskyttende element er laget av tre, gummi, termoplastisk eller termoherdende materiale.

12. Metall fremstilt ved fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-11.