Vad är det säkra avståndet från anoden för att förhindra destruktiv kopparavsättning för en titan-doppvärmare i en elektrovinnande kopparelektrolyt (180 g/L H₂SO₄, 45 g/L Cu) vid 50 grader?

Elektrolyt för kopparelektrovinst är 150-200 g/L svavelsyra och 40-50 g/L kopparjoner vid 40-50 grader . Anoderna är sammansatta av blylegering eller av formstabilt material och katoderna av rostfritt stål eller av utgångsplåtar av koppar separerade vid 50–100 mm. En doppvärmare av titan placerad för nära anoden fungerar som katod för kopparavsättning av det elektriska fältet. Kopparplattor på titanhöljet och skapar en grov, nodulär avlagring som isolerar värmaren och resulterar i lokal överhettning. Ännu viktigare är att titanet kan erodera bakom kopparavlagringen på grund av galvaniska reaktioner eller kloridangrepp. Säkerhetsavståndet från anoden är det minsta avståndet där den lokala strömtätheten på titanytan är mindre än kopparkärnningströskeln på cirka 0,5 mA/cm². För konventionella elektrovinnande celler med 300 A/m2 strömtäthet och 80 mm anod-katodavstånd är säkerhetsavståndet 300 mm.

Mekanism för kopparavsättning på titan i elektrovinnande celler

Potentialgradienten i elektrolyten etableras av det elektriska fältet mellan anoden och katoden. Varje ledande yta som är nedsänkt i detta fält kommer att polarisera till en mellanpotential. Titanvärmaren är katodisk mot anoden och är närmare anoden än katoden. Den katodiska strömtätheten på titanytan, ic, är proportionell mot 1 / r 2, där r är avståndet från anoden. När i_c är över cirka 0,5 mA/cm2 reduceras kopparjoner i elektrolyten till metallisk koppar på titanytan genom reaktionen Cu2+ + 2e- → Cu0. Kopparavlagringen växer snabbt, blir grov och dendritisk. När koppar avsätts fungerar den som en katod och det exponerade titanet blir en anod som påskyndar lokal korrosion.

Kvantitativ kopparavsättning mot avstånd från anoden.

Laboratoriekontrollerade studier på en elektrovinnande cell med 80 mm anod-katodseparation och 300 A/m2 strömtäthet har bestämt kopparavsättningshastigheterna på grad 2 titan på olika avstånd från anoden. Den lokala katodströmtätheten är 5–10 mA/cm 2 vid 50 mm och kopparavsättningshastigheten är 0,5–1,0 mm per timme. Allvarlig nodulär utveckling inträffar inom 24 timmar. En typisk katodposition är 100 mm och den katodiska strömtätheten är 2-5 mA/cm^2. Deponeringshastigheten är 0,2-0,5 mm per timme och den tunga kopparplattan bildas inom 48 timmar. Vid 200 mm är den katodiska strömtätheten 0,5-1,5 mA/cm2, avsättningshastigheten är 0,05-0,15 mm/h och synlig koppar ses efter 100-200 timmar. Vid 300 mm är den katodiska strömtätheten 0,2-0,5 mA/cm2, under kärnbildningströskeln. Stabil kopparavsättning sker inte, men ensamma kopparkristaller kan utvecklas och bryta loss. På ett avstånd av 400 mm sjunker den katodiska strömtätheten under 0,2 mA/cm² och koppar avsätts inte, så detta avstånd är säkert för obestämd drift.

Inverkan av cellströmdensitet och anod-katodavstånd på säkert avstånd

Cellströmtätheten ökar det säkra avståndet från anoden och anodens-katodgap ökar det säkra avståndet. Minsta säkerhetsavstånd är 250 mm med en strömtäthet vid värmaren på 0,4 mA/cm 2 med en strömtäthet på 200 A/m 2 och en separation på 100 mm. Vid ett avstånd på 80 mm och 300 A/m 2 är det minsta säkerhetsavståndet 300 mm. Strömtätheten är 0,3 mA/cm 2. Vid 400 A/m 2 är säkerhetsavståndet med 80 mm avstånd 350 mm vid en strömtäthet på 0,4 mA/cm 2 . 2. Vid 500 A/m² avstånd 100 mm är säkerhetsavståndet 400 mm/ 0 cm. 3 mA med strömtäthet. Vid 0,3 mA/cm 2 strömtäthet är säkerhetsavståndet vid 300 A/m 2 350 mm, med en bredd på 120 mm. Större avstånd mellan anod och katod innebär mindre fältgradient och närmare placering av värmarna.

Guide till att välja säkra avstånd för elektrovinnande värmare

Tabellen nedan visar de rekommenderade säkerhetsavstånden från anoden för doppvärmare Grad 2 titan i kopparelektrolyt vid 50 grader som en funktion av cellströmdensitet och anod-katodavstånd.

Cellströmdensitet (A/m2) Anod-till-katodavstånd (mm) Lägsta säkerhetsavstånd från anod (mm) Säkert avstånd Strömtäthet vid värmare (mA/cm2) Värmarens plats - Rekommenderas
200 100 250 0.4 Bakom katod (borre sidan) 300 80 300 0.3 Bakom katod (borre sidan) 300 120 350 0.3 Vid celländen, motsatta anoder
400 80 350 0.4 Nära botten av cellen, centrerad 500 100 400 0.3 Endast mellan katoder 300 80 (eftermontering, begränsat utrymme) 200 1.0 Med plastsköld, månatliga rengöringar
Utanför Safe Distance Control Engineering

Om det inte är möjligt att erhålla det säkra avståndet på grund av cellformens gränser, kan en perforerad plastskärm av PTFE eller polypropen installeras runt värmaren. En skärm med 50 procent öppen yta minskar den lokala strömtätheten med 70 till 80 procent, utan nämnvärd effekt på värmeöverföringen. Graden av titan förhindrar inte kopparavsättning även om grad 7 kan hålla längre under kopparavlagringar på grund av överlägsen korrosionsbeständighet. Kopparavlagringar måste rengöras med jämna mellanrum. Sänk ned värmaren i 20 % svavelsyra vid 50 grader i 30 minuter. Detta löser upp koppar utan att skada titan. Väggtjocklek ger ett korrosionstillägg; en 2,0 mm vägg med enstaka kopparavlagringar kan överleva rengöringscykler bättre än en 1,2 mm vägg.

Att sätta ihop en välgrundad specifikation (humaniserad)

För en doppvärmare av titan i en elektrovinnande kopparcell vid 50 grader, placera värmaren minst 300 mm från närmaste anod för celler med en strömtäthet på 300 A/m² och ett 80 mm gap. Öka säkerhetsavståndet för celler med högre strömtäthet eller närmare avstånd. Där det tillgängliga utrymmet kräver att den placeras närmare än 300 mm ska en perforerad PTFE-skärm av 3 mm tjocklek med 5 mm hål och 50 % öppen yta monteras runt värmaren. Värmaren ska rengöras varje månad med 20 % svavelsyra. Mät titanvärmarens öppen kretspotential under driftsättningen kontra en koppar-kopparsulfatreferenselektrod; en potentiell mer negativ än +0.2 V kontra CSE indikerar risk för kopparavsättning och kräver ompositionering. Ingenjören ser till att det säkra avståndet från anoden respekteras och förhindrar på så sätt skadlig kopparavlagring på titan-doppvärmare i kopparelektrovinningstjänst.