добавки, ингибирующие выделение водорода при электролитическом выделении цинка

Формула изобретения

1. Способ улучшенного электролитического выделения цинка, включающий добавление соли цетилпиридиния в качестве добавки к электролиту для электровыделения цинка.

2. Способ по п.1, в котором указанная соль цетилпиридиния представляет собой цетилпиридинийгалогенид.

3. Способ по п.2, в котором указанный цетилпиридинийгалогенид представляет собой цетилпиридинийхлорид.

4. Способ по п.3, в котором указанный цетилпиридинийхлорид присутствует в указанной жидкости для электролитического выделения цинка при 0,05 мМ концентрации.

5. Способ по п.1, в котором указанный электролит для электролитического выделения цинка содержит сульфат цинка.

6. Способ по п.1, в котором указанный электролит для электролитического выделения цинка содержит сурьму.

7. Способ по п.1, в котором указанный электролит для электролитического выделения цинка содержит клей.

8. Способ по п.7, в котором указанный клей представляет собой животный клей.

9. Способ по п.8, в котором указанный животный клей представляет собой желатин.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к добавкам для электролитического выделения цинка, которые ингибируют выделение водорода и/или улучшают выход по току при электроосаждении цинка, в особенности добавок на основе цетилпиридиния.

ОБОСНОВАНИЕ

Улучшение эффективности использования энергии способа электролитического выделения цинка путем ингибирования вредной реакции выделения водорода, протекающей параллельно с осаждением цинка, составляет основную технологическую и промышленную потребность. Один из способов минимизации катодного выделения водорода заключается в использовании добавок, обычно органических соединений, которые селективно повышают перенапряжение, соответствующее выделению водорода. Mackinnon et al. (Journal of Applied Electrochemistry, Volume 20, pages 728-736, 1990) и Scott et al. (Journal of Applied Electrochemistry, Volume 18, pages 120-127, 1988) описывают применение животного клея в сочетании с сурьмой для улучшения выхода по току при электролитическом выделении цинка по сравнению с несодержащими добавки электролитами.

Существует потребность в улучшенных добавках, которые минимизируют выделение водорода во время электролитического выделения цинка, обеспечивая при этом такие же либо улучшенные характеристики по сравнению с традиционными добавками.

Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в обеспечении улучшенных добавок для электролитического выделения цинка, минимизирующих выделение водорода и обеспечивающих при этом подобные либо улучшенные характеристики по сравнению с традиционными добавками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цетилпиридинийхлорид (CPC - ЦПХ), соль цетилпиридиния, исследовали в качестве добавки в способе электролитического выделения цинка в двух отдельных электролитических композициях для электролитического выделения цинка: 1) с сурьмой и 2) с сурьмой и клеем.

ЦПХ-добавка оказывает наиболее существенное влияние в присутствии сурьмы или комбинации сурьма + клей, где указанная добавка повышает выход по току на 23,2% и 7,6%, соответственно. Кроме того, присутствие 0,05 мМ ЦПХ не увеличивает полное напряжение на клеммах ячейки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Способы и аппараты

Промышленные испытательные ячейки типа стакана, содержащие промышленный электролит для электровыделения (жидкость), подсоединяют к источнику питания и помещают на водяную баню при 37°C. Аноды и катоды изготовлены из свинца и алюминия, соответственно. Поставляемые для лабораторий MSDS пластины показаны для электролита следующего состава: сульфат цинка 28-34 мас.%, сульфат магния 9-15 г/л (грамм/литр) и марганец 1,5-2,5 г/л.

Дав возможность температуре внутри испытательных ячеек достигнуть требуемой величины 37°C, через неперемешиваемый электролит пропускают в течение 4 либо 20 часов постоянный ток в 0,045 A, представляющий плотность тока электровыделения 450 ампер/метр ². После завершения эксперимента электродный узел удаляют из стеклянного стакана, промывают дистиллированной водой и катодный осадок тщательно соскабливают и взвешивают с точностью до четвертого знака, используя цифровые аналитические весы Mettler AE 100. Испытательные ячейки промывают между экспериментами дистиллированной водой и ацетоном для удаления следов органических добавок. Также выполняют повторные опыты и оценивают среднее квадратичное отклонение.

Выход по току для электролитического осаждения цинка рассчитывают по закону Фарадея:

где CE - выход по току для электролитического осаждения Zn (%)

z - число обмениваемых электронов [=2]

F - число Фарадея [=96485,3 Кл моль^-1]

m _d - количество осадившегося цинка (г)

I - приложенный ток [=0,045 A]

t - время (с)

A_Zn - атомная масса цинка [=65,39].

Цетилпиридинийхлориду (ЦПХ) (напр., Sigma-Aldrich, U.S.) соответствует следующая структура:

С₂₁Н₃₈N⁺Cl^-

Пример 1

Жидкость для электролитического выделения цинка с содержанием сурьмы

Сурьму (Sb) при концентрации 0,04 мг/л (миллиграмм/литр) добавляют в виде тартрата сурьма-калий к электролиту для электролитического выделения цинка. Проводят опыт в течение четырех и двадцати часов. Экспериментальные результаты четырехчасовых опытов сведены в таблицу 1.

В отсутствии ЦПХ-добавки в электролите Sb оказывает отрицательное влияние на выход по току, т.е., выход по току составляет от 65,1% (ячейка № 15) до 74,7% (ячейка № 14). В среднем, выход по току в отсутствии ЦПХ-добавки составляет 69,9%. Добавление ЦПХ улучшает выход по току в среднем на 23,2%, т.е. от 69,9% до 93,1%.

Таблица 1
Влияние ЦПХ на выход по току при электролитическом выделении цинка в электролите, содержащем 0,04 мг/л Sb (в виде Sb-тартрата)
Условия: Температура: 37°C Время: 4 часа	Выход по току (%) в ячейке №		Средний выход по току (%)
	14	15
Без добавки	74,7	65,1 ±1,0	69,9 ±6,8
ЦПХ 0,05 мМ (мМ=миллимолярный)	93,7	92,7 ±2,9	93,1 ±0,9

Влияние ЦПХ в длительном (20 часов) эксперименте показано в таблице 2. В отсутствие ЦПХ-добавки выход по току для ячейки № 15 составляет всего 36,6%, тогда как в присутствии 0,05 мМ ЦПХ выход по току для электролитического выделения цинка составляет 58,9%. Таким образом, в присутствии ЦПХ-добавки выход по току выше на 22,3%.

Таблица 2
Влияние ЦПХ на выход по току в 20-часовом эксперименте при электролитическом выделении цинка в электролите, содержащем 0,04 мг/л Sb
Условия: Температура: 37°C Время: 20 часов	Выход по току (%) в ячейке №
	15
Без добавки	36,6
ЦПХ 0,05 мМ	58,9

Пример 2

Жидкость для электролитического выделения цинка, содержащая как сурьму, так и клей.

Эксперименты, подобные приведенным в примере 1, осуществляют с электролитом, содержащим 0,04 мг/л Sb и 10 мг/л клея (например, "ракушечный" клей, поставляемый Hudson Industries, Johnstown, New York). Проводят 4- и 20-часовые опыты. Влияние ЦПХ-добавки на выход по току при электролитическом выделении цинка в 4-часовых экспериментах показано в таблице 3.

Наличие клея минимизирует до некоторой степени отрицательное воздействие сурьмы, приводя к выходам по току от 88,9 до 90%. Однако добавление 0,05 мМ ЦПХ вызывает дополнительное увеличение выхода по току, т.е., в среднем от 89,4% в отсутствии ЦПХ до 97% в присутствии ЦПХ (таблица 3).

Таблица 3
Влияние ЦПХ на выход по току при электролитическом выделении цинка в электролите, содержащем 0,04 мг/л Sb (в виде Sb-тартрата) + 10 мг/л клея
Условия: Температура: 37°C Время: 4 часа	Выход по току (%) в ячейке №		Средний выход по току (%)
	13	16
Без добавки	88,9	90,0 ±0,9	89,4 ±0,8
ЦПХ 0,05 мМ	98,3	95,8	97,0 ±1,8

20-часовые эксперименты (таблица 4) показывают, что ЦПХ при 0,05 мМ концентрации повышает выход по току ячейки № 16 от 77,2 до 87,3%.

Таблица 4
Влияние ЦПХ на выход по току в 20-часовом эксперименте при электролитическом выделении цинка в электролите, содержащем 0,04 мг/л Sb и 10 мг/л клея
Условия: Температура: 37°C Время: 20 часов	Выход по току (%) в ячейке №
	16
Без добавки	77,2
ЦПХ 0,05 мМ	87,3

Напряжение на клеммах ячейки является другим важным критерием качества электролитического способа. Увеличение напряжения на клеммах ячейки означает увеличение количества потребляемой энергии и, следовательно, менее эффективный электролитический способ. Таблица 5 показывает, что использование 0,05 мМ ЦПХ в сочетании с Sb и клеем не вызывает роста напряжения на клеммах ячейки.

Таблица 5
Влияние ЦПХ на среднее напряжение на клеммах ячейки в 4-часовых экспериментах с содержанием 0,04 мг/л Sb и 10 мг/л клея в электролите
Условия: Температура: 37°C Время: 4 часа	Среднее напряжение на клеммах ячейки (V)
Без добавки	2,83
ЦПХ 0,05 мМ	2,83

Таким образом, хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на иллюстративные варианты выполнения, данное описание не следует истолковывать как ограничивающее объем притязаний. Различные модификации иллюстративных вариантов выполнения, а также другие варианты выполнения настоящего изобретения будут очевидны для специалиста в данной области при ссылке на данное описание. Таким образом, подразумевается, что приложенная формула изобретения охватывает любые такие модификации или варианты выполнения, как входящие в объем изобретения.