Суміщені анодні процеси у розчинах сульфатної кислоти

Autor: Bogdan Pavlov, Gennady Tulsky, Kristina Kravchenko
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Нові рішення у сучасних технологіях; № 4(6) (2020): Вісник НТУ «ХПІ»: Серія "Нові рішення у сучасних технологіях"; 99-106
Вестник Национального Технического Университета "ХПИ" Серия Новые решения в современных технологиях; № 4(6) (2020): Вестник НТУ "ХПИ": Серия "Новые решения в современных технологиях"; 99-106
Bulletin of the National Technical University «KhPI» Series: New solutions in modern technologies; № 4(6) (2020): Bulletin of the NTU"KhPI". Series: New Solutions in Modern Technology; 99-106
ISSN: 2413-4295
2079-5459
DOI: 10.20998/2413-4295.2020.04.15
Popis: Травлення виробів з вуглецевої сталі у розчинах сульфатної кислоти є, з одного боку, поширеним процесом у машинобудуванні та, з іншого боку, шкідливим для екології. По мірі зниження концентрації H2SO4 та насищення розчину Fe2SO4 швидкість травлення оксидної плівки на поверхні сталі знижується. Тому при зниженні концентрації H2SO4 до 25-30 г/л процес травлення припиняють та проводять заміну травильного розчину. При цьому концентрація Fe2SO4 досягає 400 г/л. При травленні спостерігається два процеси: розчинення оксидів та розчинення заліза, яке знаходиться під шаром оксидів. Ці два процеси можуть протікати одночасно. Дослідження електродних процесів у розчинах сульфатної кислоти, що містять неорганічні та органічні домішки є підґрунтям для розробки технологічних показників регенерації відпрацьованих сульфатних розчинів. Для дослідження використовували мало зношувані анодні матеріали – платину і оксиду свинцю (IV). Для визначення кінетичних закономірностей перебігу анодного процесу на обраних анодних матеріалах застосували вольтамперометрію з побудовою одержаних залежностей в тафелевських координатах. Поляризаційні залежності складаються з двох прямолінійних ділянок з перегином при lgia ≈ –1,8 (ia, А·см-2). Нахил першої ділянки не залежить від концентрації H2SO4 і становить 120 мВ. Нахил другої ділянки, для розчинів з концентрацією H2SO4 0,05…0,37 моль·дм–3, становить 60 мВ, а для концентрації 2,5 моль·дм–3 – 71 мВ. Зміна концентрації сульфатної кислоти практично не впливає на поляризацію аноду. При концентрації 5,0 моль·дм–3, в області великої густин струму (≥ 1500 А∙м-2), потенціал анода перевищує ТНЗ для діоксиду свинцю. Це сприяє адсорбції сульфат іонів на поверхні композиційного анода і початку утворення активного кисню. В цих умовах, на платиновому аноді спостерігається виділення пероксиду водню. Концентрація Н2SO4 значно впливає на механізм і кінетику виділення кисню. Поляризаційні залежності складаються з двох прямолінійних ділянок з різним нахилом. Для всього діапазону концентрацій сульфатної кислоти, в області малих густин струму спостерігається ділянка з нахилом в 120 мВ. Концентрація сульфатної кислоти на цій ділянці не впливає на кінетику процесу, що узгоджується з літературними даними для платини. Нульовий порядок по рН і незалежність від концентрації сульфатної кислоти для цієї ділянки вказує, що найбільш імовірним механізмом виділення кисню є розряд води. Отримані значення ефективної енергії активації процесу виділення кисню на ОСТП близькі до результатів отриманим на платині – 41,8 кДж∙моль-1 при Еа = 1,95 В. Величина ефективної енергії активації вказує на електрохімічну природу поляризації, і її зниження при збільшенні анодного потенціалу - на зменшення міцності зв'язку кисню з поверхнею ОСТП.
Etching of carbon steel products in sulfuric acid solutions is, on the one hand, a common process in mechanical engineering and, on the other hand, harmful to the environment. As the concentration of H2SO4 decreases and the solution becomes saturated with Fe2SO4, the etching rate of the oxide film on the steel surface decreases. Therefore, while reducing the H2SO4 concentration to 25-30 g/l etching process is stopped, and replacing the etching solution. In this case, the concentration of Fe2SO4 reaches 400 g/l. During etching, two processes are observed: dissolution of oxides and dissolution of iron, which is located under the layer of oxides. These two processes can run simultaneously. The study of electrode processes in sulfuric acid solutions containing inorganic and organic impurities is the basis for the development of technological parameters for the regeneration of spent sulfate solutions. For the study used a little wear anode materials - platinum and lead oxide (IV). To determine the kinetic regularities of the anode process in selected anode materials, voltammetry was used with the construction of the obtained dependences in Tafel coordinates. The polarization dependences consist of two rectilinear sections with an inflection at logia ≈ -1,8 (ia, A · cm-2). The slope of the first section does not depend on the H2SO4 concentration and is 120 mV. The slope of the second section, for solutions with an H2SO4 concentration of 0,05 ... 0,37 mol/dm-3, is 60 mV, and for a concentration of 2,5 mol/dm-3 - 71 mV. A change in the concentration of sulfuric acid has practically no effect on the polarization of the anode. At a concentration of 5,0 mol·dm-3, in the area of high current density (≥ 1500 A∙m-2), the potential of the anode exceeds the PZCh for lead dioxide. This promotes the adsorption of sulfate ions on the surface of the composite anode and the onset of active oxygen formation. Under these conditions, the evolution of hydrogen peroxide is observed on the platinum anode. The polarization dependences consist of two straight sections with different slopes. For the entire range of sulfuric acid concentrations, at low current density portion is observed with a slope of 120 mV. Concentration of sulfuric acid at this site does not affect the kinetics of the process that corresponds to the literature data for platinum. The zero order in pH and independence from the concentration of sulfuric acid for this site indicates that the most probable mechanism of oxygen evolution is water rarefaction. The obtained values of the effective activation energy of the oxygen evolution process on the LOTC are close to the results obtained on platinum – 41,8 kJ mol-1 at Ea = 1,95 V. The value of the effective activation energy indicates the electrochemical nature of polarization, and its decrease with an increase in the anodic potential indicates a decrease in the strength of the bond between oxygen and the LOTC surface.
Травление изделий из углеродистой стали в растворах серной кислоты является, с одной стороны, распространенным процессом в машиностроении, с другой стороны, вредным для экологии. По мере снижения концентрации H2SO4 и насыщения раствора Fe2SO4 скорость травления оксидной пленки на поверхности стали снижается. Поэтому при снижении концентрации H2SO4 до 25-30 г/л процесс травления прекращают и проводят замену травильного раствора. При этом концентрация Fe2SO4 достигает 400 г/л. При травлении наблюдается два процесса: растворение оксидов и растворения железа, которое находится под слоем оксидов. Эти два процесса могут протекать одновременно. Исследование электродных процессов в растворах серной кислоты, содержащие неорганические и органические примеси является основой для разработки технологических показателей регенерации отработанных сульфатных растворов. Для исследования использовали мало изнашиваемые анодные материалы - платину и оксид свинца (IV). Для определения кинетических закономерностей протекания анодного процесса на избранных анодных материалах применили вольтамперометрию с построением полученных зависимостей в тафелевских координатах. Поляризационные зависимости состоят из двух прямолинейных участков с перегибом при lgia ≈ -1,8 (ia, А·см-2). Наклон первого участка не зависит от концентрации H2SO4 и составляет 120 мВ. Наклон второго участка, для растворов с концентрацией H2SO4 0,05 ... 0,37 моль·дм-3, составляет 60 мВ, а для концентрации 2,5 моль·дм-3 - 71 мВ. Изменение концентрации серной кислоты практически не влияет на поляризацию анода. При концентрации 5,0 моль·дм-3, в области большой плотности тока (≥ 1500 А∙м-2), потенциал анода превышает ТНЗ для диоксида свинца. Это способствует адсорбции сульфат ионов на поверхности композиционного анода и начала образования активного кислорода. В этих условиях, на платиновом аноде наблюдается выделение перекиси водорода. Концентрация Н2SO4 значительно влияет на механизм и кинетику выделения кислорода. Поляризационные зависимости состоят из двух прямолинейных участков с разным наклоном. Для всего диапазона концентраций серной кислоты, в области малых плотностей тока наблюдается участок с наклоном в 120 мВ. Концентрация серной кислоты на этом участке не влияет на кинетику процесса, что согласуется с литературными данными для платины. Нулевой порядок по рН и независимость от концентрации серной кислоты для этого участка указывает, что наиболее вероятным механизмом выделения кислорода является разряд воды. Полученные значения эффективной энергии активации процесса выделения кислорода на ОСТП близки к результатам полученным на платине - 41,8 кДж∙моль-1 при Еа = 1,95 В. Величина эффективной энергии активации указывает на электрохимическую природу поляризации, и ее снижение при увеличении анодного потенциала - на уменьшение прочности связи кислорода с поверхностью ОСТП.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: