BÀI TẬP XỬ LÝ HÓA BỀN 1

Trong phương pháp mạ đồng xyanua người ta có thể chia dung dịch mạ đồng xyanua làm ba loại sau: dung dịch mạ đồng lót, dung dịch mạ đồng xyanua có NaKC4H4O6 và dung dịch

Trang 1

Bài tập 1: Mạ đồng bằng dung dịch Cu-CN, CuSO4 + H2SO4

- Quy trình mạ

- Tính toán bề dày lớp mạ với thời gian cho trước theo định luật Faraday

- Tính toán thời gian với bề dày lớp mạ cho trước theo định luật Faraday

BÀI LÀM

1 Giới thiệu chung

- Mạ đồng là kỹ thuật mạ điện lâu đời nhất, đồng tinh khiết là kim loại dễ dát mỏng, màu đỏ, tại chỗ gãy có màu hồng, khối lượng riêng d= 8.9g/cm2 Trong dãy điện hóa đồng thuộc nhóm kim loại có điện thế dương, kém hoạt động Lớp mạ đồng trên thép là lớp mạ catot , không có tác dụng bảo vệ điện hóa thép chống ăn mòn, lớp mạ đồng ít bền trong không khí, dễ dàng bị oxi hóa, nhất là khi bị đun nóng Dưới tác dụng của CO2 hoặc các hợp chất chứa clo trong không khí, bề mặt lớp mạ đồng luôn được phủ một lớp hợp chất Cu(OH)2.CuCO3 màu lục xẫm, do đó lớp mạ đồng không sử dụng làm lớp mạ trang trí mà thường sử dụng làm lớp mạ trung gian hai hoạc ba lớp trước khi mạ trực tiếp niken, vàng, bạc… Ngoài ra lớp mạ đồng còn được dùng để bảo vệ các chi tiết không thấm Cacbon, Nitơ, Bo, và các quá trình khuếch tán khác khi gia nhiệt Ngoài ra mạ đồng còn sử dụng trong kỹ thuật đúc điện để tách các bản sao kim loại từ các tác phẩm điêu khắc cũng như để tạo hình các chi tiết phức tạp

2 Dung dịch mạ đồng xyanua (Cu-CN)

- Dung dịch Xyanua là dung dịch kiềm thường được sử dụng nhất trong phạm vi công nghiệp

mặc dù chúng rất độc và xử lý chất thải rất khó khăn Dung dịch này cho khả năng mạ lên những kim loại kém bền hơn đồng như kẽm, sắt… Khả năng phân bố kim loại và khả năng che phủ lớn, cho

phép sử dụng xyanua mạ những chi tiết phức tạp

- Dung dịch xyanua mạ đồng có thành phần khác nhau tùy thuộc vào vai trò và độ dày lớp mạ, điều kiện tiến hành mạ, yêu cầu độ bóng… Thành phần cơ bản của dung dịch mạ đồng xyanua bao gồm CuCN là muối cung cấp ion đồng, NaCN hoặc KCN là chất tạo phức, muối KNaC4H4O6 là chất cho anot hòa tan Ngoài những chất trên ra, cần cho thêm một số phụ gia vô cơ hoặc hữu cơ để cải thiện tính năng lớp mạ

- Dung dịch Xyanua khi pha chế cần điều kiện thông gió tốt Trước hết hòa tan NaCN (hoặc KCN) trong nước nóng, vừa khuấy vừa cho từ từ CuCN, để nhiệt độ không cao quá 60oC Hòa tan

Trang 2

nước đến mức quy định, lọc, phân tích và điều chỉnh dung dịch Trong phương pháp mạ đồng xyanua người ta có thể chia dung dịch mạ đồng xyanua làm ba loại sau: dung dịch mạ đồng lót, dung dịch mạ đồng xyanua có NaKC4H4O6 và dung dịch mạ đồng xyanua hiệu suất cao

- Dung dịch mạ đồng lót phân bố tốt, hiệu suất dòng điện thấp, chỉ để mạ lớp đồng mỏng và chủ yếu dùng để mạ lót những chi tiết thép đúc dung dịch mạ lót đồng là khống chế hàm lượng NaCN tự do, bảo đảm trong phạm vi 5 – 11 g/l, sau đó là hàm lượng đồng, bảo đảm trong phạm vi

10 – 16 g/l Nhưng do hiệu suất dòng điện anot cao hơn bên catot, cho nên phải treo ở anot những tấm sắt không hòa tan, làm cho hiệu suất dòng điện giữa anot, catot bằng nhau, dung dịch mới ổn định

- Dung dịch mạ đồng Xyanua hiệu suất cao có hiệu suất dòng điện 100%, tốc độ kết tủa nhanh, nhưng khả năng phân bố kém Khi mạ trên sắt, thép hoặc trên kẽm đúc cần mạ lót, dung dịch nhạy với tạp chất Do tốc độ kết tủa nhanh, lớp mạ bóng nên được sử dụng rộng rãi Hàm lượng NaCN tự do của dung dịch mạ đồng xyanua hiệu suất cao trong phạm vi 10 – 20 g/l Hàm lượng đồng của dung dịch trong phạm vi 45 – 55 g/l khi mạ dây đồng hàm lượng đồng 60 – 90 g/l Diện tích giữa anot và catot trong phạm vi 4:1, không dùng anot đồng phốt pho Dung dịch nhạy với tạp chất hữu cơ, làm cho lớp mạ tối, châm kim Trước khi mạ cần phải tẩy sạch dầu và rửa sạch Nếu dung dịch có tạp chất hữu cơ cần phải cho H2O2 1 ml/l và lọc qua than hoạt tính

- Dung dịch mạ đồng xyanua có KNaC4H4O6 nằm giữa hai dung dịch trên, không nhạy lắm với tạp chất, không cần mạ lót trên hợp kim kẽm đúc, nhưng độ nhạy lớp mạ trung bình Hàm lượng NaCN tự do của dung dịch mạ đồng xyanua có NaKC4H4O6 bảo đảm trong phạm vi 4 – 9 g/l Khi quá thấp, anot thụ động hóa, khi quá cao hiệu suất dòng điện giảm, lớp mạ mờ, khó đánh bóng Dung dịch này khi gia nhiệt hiệu suất dòng điện catot, anot đều cao Khống chế pH của dung dịch rất quan trọng, thông thường phải đảm bảo pH = 12,2 – 12,8, nếu pH cao quá, thì hiệu suất dòng điện giảm, ăn mòn chi tiết kẽm đúc, có thể điều chỉnh bằng NaHSO4

Bảng 1 Chế độ công nghệ mạ lót đồng Xyanua

Trang 3

NaCN tự do 5-10 6 6-8

Nhiệt độ (oC) 20-30

Mật độ dòng điện catot

(A/dm2)

0,5-1

Mật độ dòng điện anot

Bảng 2 Chế độ công nghệ mạ đồng xyanua có NaKC4H4O6

NaKC4H4O6.4H2O 30 - 60 30 - 60 30 - 60 30 - 40 10 - 20 30 - 40

Trang 4

MnSO4.5H2O 0,08-0.12

12,2-12,8 Nhiệt độ (oC) 60 - 65 50 - 60 55 - 70 50-60 55 - 65 50 - 60 Mật độ dòng điện

catot (A/dm2) 3 - 4 1 - 3 1,6- 6,5 0,5 - 2 1,5 - 3 1,5 - 3

Bảng 3 Công nghệ mạ đồng Xyanua hiệu suất cao

Trang 5

Mật độ dòng điện

3 Dung dịch mạ đồng sunfat

- Thành phần dung dịch mạ đồng sunphat đơn giản, dung dịch ổn định, khi làm việc không có khí độc hại Nếu làm chất bóng hợp lý có thể thu được lớp mạ bóng độ bằng phẳng tốt nhưng khi quay bóng không được lớp mạ bóng Dung dịch đồng sunphat có khả năng phân bố kém, kết tinh không

mịn Chi tiết là sắt thép mạ đồng cần phải mạ lót Thành phần dung dịch mạ đồng sunfat bao gồm:

CuSO4.5H2O là chất kết tinh màu xanh đậm, dễ tan trong nước, nồng độ lớn, sử dụng mật độ dòng catot lớn tạo thuận lợi để thu lớp mạ có chất lượng tốt, khi tăng nồng độ và tăng nhiệt độ của CuSO

4 làm giảm độ tan của CuSO4 Khi nhiệt độ tăng ảnh hưởng không tốt đến lớp mạ, làm cho lớp mạ có cấu tạo thô, vì vậy thường sử dụng nhiệt độ 200-300C Trong mọi trường hợp không sử dụng nồng độ CuSO4 bào hòa

- H2SO4 làm tăng độ dẫn điện của dung dịch, ngăn cản sự phân hủy của Cu2SO4 làm lớp mạ xù xì, xốp, thô Để tạo thuận lợi cho quá trình kết tinh mịn hạt cần nâng cao mật độ dòng catot Nồng độ H 2SO4 thường cao hơn trong dung dịch khuấy trộn.

- Ngoài ra, trong quá trình mạ tùy theo yêu cầu tính chất và chất lượng lớp mạ là dung dịch mạ bóng, bán bóng hay mạ mờ… mà cần sử dụng một số phụ gia như: chất hoạt động bề mặt (polighicola, OP), chất làm bóng chính (chủ yếu là chất làm bóng loại S, cấu tạo: R-S-S-(CH2)SO3 X, X là Na hoặc H) nhưng làm lớp mạ giòn, bám kém Ngoài ra còn một số phụ gia khác như chất san bằng, chất chống giòn, chất thấm ướt… nhưng nếu phụ gia nhiều thì việc kiểm tra và phân tích sẽ gặp khó khăn

- Để pha chế dung dịch trước hết hòa tan CuSO4.5H2O trong nước cất sau đó cho từ từ H2SO4 vào và tiếp tục cho các thành phần khác như đã xác định Dung dịch cần đun nóng 40-50oC, lọc bằng than hoạt tính 1-3g/l trong 24h bằng phương pháp gói than hoạt tính trong vải bền axit(clorin) thành

Trang 6

nhiều gói rồi nhúng ngập trong dung dịch, điện phân dung dịch với mật độ dòng catot 2A/dm2, mỗi lít cần một lượng điện là 0.5-1A/h Sau cùng là cho chất tạo bóng Poliglicola, OP - 21, D, H1 hòa tan trong nước nóng, gốc mêtyl xanh, gốc mêtyl tím dùng C2H5OH để hòa tan sau đó dùng nước hòa tan chất làm bóng S trong nước ở nhiệt độ thường Đối với Dexstrin cân đúng liều lượng cần dùng cho vào nước đun cách thủy 70 – 800C khuấy liên tục cho tan hoàn toàn thu được dung dịch đồng nhất rồi cho vào dung dịch pha sẵn Sau đây là một số thành phần dung dịch thường gặp:

Bảng 4 Dung dịch mạ đồng sunfat

Thành phần (g/l)

dung dịch và chế

độ mạ

Dung dịch số

Dextrin sunfo

-Chất bong

-Chất bóng

-Chất bóng LTI

Ion Cl- cho phép,

ic , A/dm2 tĩnh,

sục không khí

Trang 7

-6-8 <8 2 3-6 6

-Hiệu suất dòng

-Ứng dụng Mạ mờ, dày Mạ mờ, mịn Mạ bóng Mạ bóng, dẻo Mạ bong

Bảng 5 Chế độ công nghệ mạ bóng đồng sunphat

0,005-0,02

0,0002-0,0007

0,003-0,0008

0,0003-0,001

Trang 8

D 0,2 0,2 0,01

Gốc clo 902- 0,08 0,02-0,08 0,02-0,08 0,02-0,08 0,02-0,08

Bảng 6 Chế độ công nghệ mạ đồng sunphat thông thường

 Một số lưu ý khi mạ đồng sunfat :

- Anot là đồng photpho, hàm lượng đồng trên 99,9%, Photpho 0,04 - 0,06% Anot bao bằng vải polivinyl để tránh mùn anot lớp mạ thô

- Dùng máy nắn dòng 3 pha được lớp mạ bóng

- Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến lớp mạ, cao hoặc thấp quá lớp mạ bóng thu hẹp, nhiệt độ cao khả năng làm bằng thấp, chất làm bóng tiêu hao nhanh

- Dung dịch cần khuấy mạnh

- Định kỳ lọc, liên tục

- Chất làm bóng hỗn hợp để chờ khô ráo khoảng 1 năm

- Cho chất làm bóng theo nguyên tắc “cho ít nhiều lần”

Trang 9

- Xử lý định kỳ bằng than hoạt tính, cho 2-3 g/l than, khuấy 4-6 giờ, để lắng, lọc, bổ sung chất làm bóng, mạ thử

- Hàm lượng CuSO4 quá cao, kết tinh trên anot, anot thụ động hóa, lúc đó pha loãng dung dịch cho thêm H2SO4

- Hiện tượng châm kim xảy ra trong quá trình mạ, khắc phục:nâng hàm lượng CuSO4, cho chất làm bóng S, xử lý bằng than hoạt tính, kiểm tra hàm lượng gốc clo nếu cao xử lý bằng bột kẽm

- Nếu lớp mạ có vệt, do chất làm bóng S không đủ, cần cho thêm

- Khống chế hàm lượng Cl- rất quan trọng, nếu lượng muối cacbonat quá nhiều làm giảm mật

độ dòng điện, giảm hiệu suất dòng điện, độ nhớt dung dịch tăng, thậm chí có kết tinh

- Dung dịch mạ thông thường hàm lượng Na2CO3 trên 60 – 75 g/l đã có sự cố, dung dịch mạ hiệu suất cao Na2CO3 trên 90 g/l hoặc K2CO3 trên 118g/l có sự cố

- Có thể khử Na2CO3 bằng phương pháp hạ nhiệt độ, nhiệt độ hạ xuống 0oC hoặc 5oC, thời gian trên 8 giờ có thể khử 25 – 45 g/l Na2CO3, muối đồng mất đi 10%

Khử K2CO3 bằng phương pháp kết tủa dùng muối Canxi hoặc Bari, cứ 1 gam Ba(OH)2 có thể kết tủa 2g K2CO3

- Dung dịch xyanua đồng hiệu suất cao rất nhạy với tạp chất

- Khử chì: Hàm lượng chì 0,08 g/l ảnh hưởng chất lượng mạ Để khử chì, gia nhiệt dung dịch

60oC, vừa khuấy vừa cho Na2S 0,2 – 0,4 g/l Na2S2O8

- Khử kẽm: Tạp chất kẽm làm cho lớp mạ giòn, khi hàm lượng Zn2+ 0,4 g/l có hại cho lớp mạ, nên khử tạp chất Zn bằng cách điện phân dung dịch với mật độ dòng điện 0,3 – 0,5 A/dm2

- Quan hệ giữa Anot hòa tan và thành phần dung dịch dược thể hiện trong bảng 7

Bảng 7 Quan hệ giữa anot hòa tan và thành phần dung dịch

Gần anot dung dịch màu xanh Hợp chất xyanua tự do quá thấp

Trang 10

Anot có màu đen Có tạp chất chì

Dưới đây là một số sự cố hay gặp khi mạ đồng sunfat

Bảng 8 Những sự cố và cách khắc phục khi mạ đồng sunfat

Lớp mạ nhám, sùi Dung dịch nhiều căn bẩn, lọc dung dịch bao lại anot

Lớp mạ thô, rời, nhám ở chỗ lõm Thiếu H2SO4 Thêm axit theo số liệu phân tích.

Mật độ dòng điện catot thấp Tăng ic lên Lớp mạ đỏ sẫm, tại mép bị nhám,

sùi, cây

Mật độ dòng điện catot quá lớn Giảm ic xuống

Catot quá gần anot Chỉnh lại Khí thóat nhiều ở catot, lớp mạ

tơi, sùi

Thừa nhiều axit sunfuric và nồng độ thấp Thêm CuSO4 và pha loãng

Lớp mạ bám kém, dễ bong

Bề mặt nền chưa sạch Kiểm tra và điều chỉnh lại Dung dịch tẩy nhẹ có lẫn đồng Thay dung dịch tẩy nhẹ Lớp mạ lót quá mỏng Tăng chiều dày lớp mạ lót

Lớp mạ giòn, sọc sang Dung dịch lẫn tạp hữu cơ, thuốc đánh bóng… Thêm 0.5-1g/l

KMnO4, đun sôi 30 phút, lọc qua than hoạt tính Lớp mạ sáng nhưng lấm tấm

hồng, rửa sẽ mất

Lớp mạ lót quá mỏng nên đồng nên đồng vẫn thóat tiếp xúc được tại các điểm còn hở Mạ lót dày trên 2-3µm

Lớp mạ bị rỗ Dung dịch lẫn tạp hữu cơ, dầu mỡ Thêm 0.5 g/l dextrin sunfo

hóa + 1g/l NaF hay KF Lớp mạ thô, CuSO4 kết tinh trên

anot và đáy bể, dòng điện tụt

thấp

Nồng độ CuSO4 quá lớn (>250g/l) Bỏ bớt một phần dung dịch và pha loãng đến nồng độ thích hợp

Lớp mạ có vệt đen hay nâu, điểm Dung dịch lẫn asen, antimon, nếu >1g/l thay dung dịch, nếu

Trang 11

các vệt sáng <1g/l thì mạ xử lý với ic lớn

4 Quy trình mạ đồng

Bước 1: Chuẩn bị phôi

Bước 2: Rửa sạch phôi

Bước 3: Tẩy dầu hóa học

Bước 4: Tẩy gỉ vật cần mạ

Bước 5: Tiến hành mạ đồng

- Mạ lót Cu-CN

+ Pha dung dịch mạ lót Cu-CN

+ Vật cần mạ gắn với cực âm (catot) thông qua 1 sợi dây (1)

+ Ở cực dương (anot) gắn thanh đồng (2)

+ Cho (1) và (2) vào bể chứa dung dịch đồng nhất sau đó bật máy biến áp ở dòng điện 12V

Hình1: Sau khi lắp ráp

Trong quá trình mạ: sau một thời gian đồng sẽ bám vào vật cần mạ

- Mạ đồng trong dung dịch sunfat

Rót từ từ và cẩn thận H2SO4 vào nước đựng trong bể nhựa, khuấy đều Cho tiếp CuSO4 vào và khuấy tan cho hết

+ Vật cần mạ gắn với cực âm (catot) thông qua 1 sợi dây (1)

Trang 12

+ Ở cực dương (anot) gắn thanh đồng (2).

+ Cho (1) và (2) vào bể chứa dung dịch đồng nhất sau đó bật máy biến áp ở dòng điện 12V

Bước 6: Kiểm tra và đánh giá.

5 Tính toán bề dầy lớp mạ với thời gian cho trước và tính toán thời gian với bề dày lớp mạ cho trước theo định luật Faraday

- Tính toán bề dày lớp mạ với thời gian cho trước theo định luật Faraday

Ví dụ: Với thời gian 30 phút, diện tích bề mặt mạ là S = 15 cm2, trọng lượng riêng của đồng là γ

= 8,92 g/cm3, đương lượng điện hóa a = 2,372 g/Ah, cường độ dòng diện nguồn là I = 3 ampe Tính bề dày lớp mạ đồng

Ta có theo định luật 1 Faraday:

m = a.I.t = 2,372 3.0,5 = 3,558 g

Ta có công thức tính chiều dày lớp mạ là:

δ=m s −m0

γ S= 3,558

8 , 92.15 =0,0266 cm

- Tính toán thời gian cho bề dày lớp mạ với trước theo định luật Faraday

Ví dụ: Với diện tích bề mặt mạ là S = 15 cm2, trọng lượng riêng của đồng là γ = 8,92 g/cm3, đương lượng điện hóa a = 2,372 g/Ah, cường độ dòng diện nguồn là I = 3 ampe Tính bề thời gian mạ đồng biết chiều dày lớp mạ là 0,02 cm

Ta có công thức tính chiều dày lớp mạ là:

δ=m s −m0

γ S=¿m =γ S δ=8 ,92.15.0,0266=3,559 g

Ta có theo định luật 1 Faraday:

m = a.I.t = 2,372 3.t = 3,559 g Suy ra t = 0,5 giờ

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	79,3 KB