بالنسبة لسخان التيتانيوم المغمور في إلكتروليت النحاس (180 جم/لتر H₂SO₄، 45 جم/لتر نحاس) عند 50 درجة، ما هي المسافة الآمنة من الأنود لمنع ترسب النحاس المدمر؟

المنحل بالكهرباء للاستخلاص الكهربي للنحاس هو 150-200 جم/لتر من حمض الكبريتيك و40-50 جم/لتر من أيونات النحاس عند درجة حرارة 40-50 درجة. تتكون الأنودات من سبيكة الرصاص أو من مادة مستقرة الأبعاد والكاثودات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو من صفائح البدء النحاسية المنفصلة عند 50-100 ملم. يتم وضع سخان غاطس من التيتانيوم بالقرب من الأنود ويعمل ككاثود لترسيب النحاس بواسطة المجال الكهربائي. تعمل الألواح النحاسية الموجودة على غلاف التيتانيوم على إنشاء رواسب عقيدية خشنة تعزل المدفأة وتؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعية. والأهم من ذلك، أن التيتانيوم قد يتآكل خلف رواسب النحاس بسبب التفاعلات الجلفانية أو هجوم الكلوريد. المسافة الآمنة من الأنود هي أصغر مسافة تكون فيها كثافة التيار المحلي على سطح التيتانيوم أقل من عتبة نواة النحاس البالغة حوالي 0.5 مللي أمبير/سم². بالنسبة للخلايا الكهربية التقليدية ذات كثافة تيار تبلغ 300 أمبير/م2 ومسافة 80 مم بين الأنود والكاثود، تكون المسافة الآمنة 300 مم.

آلية ترسيب النحاس على التيتانيوم في الخلايا الكهربية

يتم إنشاء التدرج المحتمل في المنحل بالكهرباء بواسطة المجال الكهربائي بين الأنود والكاثود. أي سطح موصل مغمور في هذا المجال سوف يستقطب إلى جهد متوسط. سخان التيتانيوم كاثودي للأنود وهو أقرب إلى الأنود منه إلى الكاثود. تتناسب كثافة التيار الكاثودي على سطح التيتانيوم، ic، مع 1 / r 2، حيث r هي المسافة من القطب الموجب. عندما يكون i_c أعلى من حوالي 0.5 مللي أمبير/سم2، يتم تقليل أيونات النحاس الموجودة في المنحل بالكهرباء إلى نحاس معدني على سطح التيتانيوم بواسطة التفاعل Cu2+ + 2e- → Cu0. تنمو رواسب النحاس بسرعة، وتصبح خشنة وشجرية. عندما يتم ترسيب النحاس فإنه يعمل ككاثود، ويصبح التيتانيوم المكشوف أنودًا مما يؤدي إلى تسريع التآكل الموضعي.

ترسيب النحاس الكمي ضد المسافة من القطب الموجب.

حددت الدراسات التي تم التحكم فيها معمليًا على خلية الاستخلاص الكهربي مع فصل كاثود -أنود 80 مم وكثافة تيار تبلغ 300 أمبير/م2، معدلات ترسيب النحاس على التيتانيوم من الدرجة الثانية على مسافات مختلفة من الأنود. تبلغ كثافة التيار الكاثودي المحلي 5-10 مللي أمبير/سم2 عند 50 مم ومعدل ترسيب النحاس 0.5-1.0 مم في الساعة. يحدث التطور العقدي الشديد خلال 24 ساعة. موضع الكاثود النموذجي هو 100 مم وكثافة التيار الكاثودي هي 2-5 مللي أمبير/سم^2. تبلغ سرعة الترسيب 0.2-0.5 مم في الساعة ويتم تشكيل اللوحة النحاسية الثقيلة خلال 48 ساعة. عند 200 مم، تكون كثافة التيار الكاثودي 0.5-1.5 مللي أمبير/سم2، ومعدل الترسيب 0.05-0.15 مم/ساعة، ويمكن رؤية النحاس المرئي بعد 100-200 ساعة. عند 300 مم، تبلغ كثافة التيار الكاثودي 0.2-0.5 مللي أمبير/سم2، أي أقل من عتبة النواة. لا يحدث ترسب مستقر للنحاس، إلا أن بلورات النحاس المنفردة قد تتطور وتتفكك. على مسافة 400 مم، تنخفض كثافة التيار الكاثودي إلى أقل من 0.2 مللي أمبير/سم² ولا يترسب النحاس، لذا فإن هذه المسافة آمنة للتشغيل لأجل غير مسمى.

تأثير كثافة تيار الخلية والأنود-مسافة الكاثود على المسافة الآمنة

تعمل كثافة تيار الخلية على رفع المسافة الآمنة من القطب الموجب، كما تعمل فجوة الكاثود -المصعد على زيادة المسافة الآمنة. الحد الأدنى للمسافة الآمنة 250 مم بكثافة تيار عند السخان 0.4 مللي أمبير/سم2 وكثافة تيار 200 أمبير/م2 ومسافة فاصلة 100 مم. عند مسافة 80 مم و300 أمبير/م2، تكون المسافة الآمنة الدنيا 300 مم. كثافة التيار 0.3 مللي أمبير/سم2. عند 400 أمبير/م2 تكون المسافة الآمنة بمسافة 80 مم 350 مم عند كثافة تيار 0.4 مللي أمبير/سم 2 . 2. عند 500 أمبير/م2 بمسافة 100 مم تكون المسافة الآمنة 400 مم بكثافة تيار 0.3 مللي أمبير/سم². عند كثافة تيار 0.3 مللي أمبير/سم2، تكون المسافة الآمنة عند 300 أمبير/م2 350 مم، بعرض 120 مم. المسافة الأوسع بين الأنود والكاثود تعني تدرجًا أقل في المجال ووضعًا أقرب للسخانات.

دليل اختيار المسافات الآمنة للسخانات الكهربائية

يوضح الجدول أدناه المسافات الآمنة الموصى بها من الأنود للسخانات الغاطسة من التيتانيوم من الدرجة الثانية في إلكتروليت النحاس عند 50 درجة كدالة لكثافة تيار الخلية وتباعد الكاثود - الأنود.

كثافة تيار الخلية (A/m2) الأنود - إلى - مسافة الكاثود (مم) الحد الأدنى للمسافة الآمنة من الأنود (مم) المسافة الآمنة كثافة التيار عند السخان (mA/cm2) موقع السخان - موصى به
200 100 250 0.4 خلف الكاثود (الجانب البعيد) 300 80 300 0.3 خلف الكاثود (الجانب البعيد) 300 120 350 0.3 في نهاية الخلية، أنودات متقابلة
400 80 350 0.4 بالقرب من أسفل الخلية، المركز 500 100 400 0.3 بين الكاثودات فقط 300 80 (تعديل، مساحة محدودة) 200 1.0 مع درع بلاستيكي، عمليات تنظيف شهرية
خارج هندسة التحكم في المسافة الآمنة

إذا لم يكن من الممكن الحصول على المسافة الآمنة بسبب حدود شكل الخلية، فيمكن تركيب درع بلاستيكي مثقوب من PTFE أو البولي بروبيلين حول المدفأة. إن الدرع ذو المساحة المفتوحة بنسبة 50 بالمائة يقلل من كثافة التيار المحلي بنسبة 70 إلى 80 بالمائة، دون تأثير ملموس على نقل الحرارة. لا تمنع درجة التيتانيوم ترسب النحاس على الرغم من أن الدرجة 7 قد تستمر لفترة أطول تحت رواسب النحاس بسبب المقاومة الفائقة للتآكل. يجب تنظيف رواسب النحاس بشكل دوري. اغمر المدفأة في حامض الكبريتيك 20% عند درجة حرارة 50 لمدة 30 دقيقة. هذا يذيب النحاس دون الإضرار بالتيتانيوم. سمك الجدار يوفر بدلًا من التآكل. قد يتحمل الجدار الذي يبلغ سمكه 2.0 مم مع ترسبات النحاس من حين لآخر دورات التنظيف بشكل أفضل من الجدار الذي يبلغ سمكه 1.2 مم.

وضع مواصفات مستنيرة (متوافقة مع البشر)

بالنسبة لسخان غاطس من التيتانيوم في خلية نحاسية كهربية عند 50 درجة، ضع السخان على بعد 300 مم على الأقل من أقرب أنود للخلايا ذات الكثافة الحالية 300 أمبير/م² وفجوة 80 مم. زيادة المسافة الآمنة للخلايا ذات الكثافة الحالية الأعلى أو التباعد الأقرب. عندما تتطلب المساحة المتاحة وضعها على مسافة أقرب من 300 مم، يجب تركيب درع PTFE مثقوب بسمك 3 مم مع فتحات 5 مم ومساحة مفتوحة بنسبة 50٪ حول المدفأة. يتم تنظيف السخان شهرياً بحمض الكبريتيك بنسبة 20%. أثناء التشغيل، قم بقياس إمكانات الدائرة المفتوحة لسخان التيتانيوم مقابل القطب المرجعي لكبريتات النحاس - النحاس؛ يشير احتمال أكثر سلبية من +0.2 V مقابل CSE إلى خطر ترسب النحاس ويدعو إلى إعادة تحديد موضعه. يتأكد المهندس من احترام المسافة الآمنة من الأنود وبالتالي يمنع ترسب النحاس الضار على سخانات التيتانيوم المغمورة في خدمة استخلاص النحاس كهربائيًا.