ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH THOÁT KIM LOẠI

CHƯƠNG 2. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH
THOÁT KIM LOẠI

Công nghệ mạ
điện

Điện phân tinh
luyện kim loại

1


2.1. CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN
2.1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Mạ điện là quá trình phủ một lớp kim loại lên bề mặt của những
đồ vật bằng kim loại khác.
Mục đích của việc mạ điện:
• Phục hồi các chi tiết bị mài mòn.
• Chống mài mòn.
• Chống gỉ, sét.
• Phục hồi các mặt lắp ghép chặt của chi tiết.
• Làm cho sự tiếp xúc của các bề mặt chi tiết tốt hơn.
• Mạ trang sức.
• Tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt.
2


Các lĩnh vực ứng dụng mạ điện:
Lĩnh vực xây dựng.
Lĩnh vực viễn thông.
Sản xuất dân dụng.

Ngành kỹ thuật cao.
Công nghiệp đóng tàu.
Công trình thủy lợi.
Lĩnh vực khác.
3


Các giai đoạn chính của
quy trình mạ điện:
• Gia công bề mặt trước khi mạ.
• Quá trình mạ.
• Gia công bề mặt sau khi mạ.

Yêu cầu đối với lớp mạ:
• Bám chắc vào kim loại nền, không bong.
• Lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn, độ xốp nhỏ.
• Lớp mạ bóng, dẻo, độ cứng cao.
• Lớp mạ có độ dày nhất định.

http
4
://www.3ce.vn/vi/ho-tro/co-khi-may-moc/1198-cong-nghe-ma-dien-phan-trong-san-xuat-co-khi-v15-1198.html


2.1.2. GIA CÔNG BỀ MẶT
Oxit kim loại

Chất bẩn

Dầu mỡ

Khuyết tật

Chất lượng lớp mạ

Quy trình gia công
bề mặt kim loại

=

Gia công cơ học

+

Gia công hóa học
và điện hóa

5


Gia công cơ học
Bề mặt kim loại
Nhóm hạt

Hạt mài

Độ hạt
200
160
125

100
80
63
50
40
32
25
20
16

Mài
Đánh bóng
(Đá mài, phớt mài)
Cỡ hạt, m
2500-2000
2000-1600
1600-1250
1250-1000
1000-800
800-630
630-500
500-400
400-315
315-250
250-200
200-160

Bề mặt kim loại
nhẵn và bóng

Nhóm hạt

Độ hạt

Cỡ hạt, m

Bột mài

12
10
8
6
5
4

160-125
125-100
100-80
80-63
63-50
50-40

Bột mịn

M40
M28
M20
M14
M10
M7

M5

40-28
28-20
20-14
14-10
10-7
7-5
5-3
6


Gia công hóa học và điện hóa
Tẩy dầu mỡ hóa học
Dầu mỡ có nguồn gốc động vật (este phức tạp)
Xút, photphat, chất tẩy rửa tổng hợp, chất hữu cơ có phân tử lượng lớn
(gelatin, dextrin…), Na2CO3.
(C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH = 3C17H35COONa + C3H5(OH)3
Stearin
Dầu mỡ có nguồn gốc khoáng vật (hỗn hợp các hydrocarbon)
Dung môi hay chất tẩy đặc biệt (chất hoạt động bề mặt – chất nhũ
hóa, biến dầu mỡ bám trên bề mặt thành nhũ tương).
Không dùng các dung môi dễ cháy như xăng, benzen, toluen…
Dung môi thường dùng là tricloetylen và tetracloetylen.

7


Gia công hóa học và điện hóa
Tẩy dầu mỡ điện hóa

•

Mục đích: làm sạch lần cuối để lấy đi màng
dầu mỡ sót lại.

•

Ưu điểm: cho bề mặt rất sạch, thời gian
tẩy ngắn.

•

Cơ chế tách dầu mỡ điện hóa: các phân tử
dầu mỡ bị đẩy ra khỏi bề mặt kim loại bởi
các phân tử nước hoặc bị phân hủy thành

Cathode

các chất có mạch carbon thấp hơn dễ bay

Anode

hơi hay hòa tan.
•

Đối với mỗi kim loại sẽ có 1 chế độ tẩy
khác nhau.

Dd tẩy rửa: thành phần giống

như dung dịch tẩy mỡ hóa học
nhưng có nồng độ loãng hơn.
8


Phương pháp sóng siêu âm

 < 20 kHz

Dung dịch tẩy rửa
Dung môi

Dầu mỡ, gỉ, oxit,
cặn bẩn…

• Trong công nghiệp sản xuất đồng hồ, linh kiện điện tử, bán dẫn,
công nghệ cao… rất hay dùng sóng siêu âm vào việc tẩy rửa.
• Chất lỏng không có tác dụng hóa học gì với chất bẩn thì tẩy siêu
âm chỉ có tác dụng vật lý là bào sạch bề mặt, nếu chất lỏng có thể
hòa tan hay xà phòng hóa được chất bẩn thì tẩy trong siêu âm
còn có thêm tác dụng hóa lý nữa.

9


Xác định độ sạch sau tẩy dầu mỡ
• Kính hiển vi.
• Phân tích trọng lượng.
• Phương phát huỳnh quang.
• Phương pháp màng nước trên vật tẩy (phương pháp đơn giản

và tiện lợi nhất): nếu nước thấm ướt toàn bộ bề mặt là đã tẩy
sạch dầu mỡ; nếu chỗ nào còn dầu mỡ, nước sẽ không thấm
ướt mặt kim loại mà co lại thành giọt. Hạn chế của cách này là
nếu dung dịch tẩy có chất hoạt động bề mặt thì chúng có thể
hấp phụ lên cả kim loại lẫn màng dầu mỡ làm cho nước thấm
ướt mọi nơi, kể cả màng dầu mỡ.
10


Tẩy gỉ hóa học và điện hóa
Tẩy gỉ hóa hoc
•
•
•
•

Lớp gỉ: MxOy, M(OH)x.
Thường dùng axit loãng H2SO4 hoặc HCl.
Nồng độ axit cho tốc độ tẩy nhanh nhất là 20-25% khối lượng,
nhưng để nền ít bị ăn mòn chỉ nên dùng nồng độ dưới 20% khối
lượng.
Khi tẩy gỉ, hydro thoát ra, một phần thấm vào kim loại gây giòn
hydro.

Tẩy gỉ điện hóa
•
•
•

Vật tẩy có thể treo ở cathode hoặc anode.

Khi tẩy anode, gỉ bị hòa tan điện hóa, đồng thời bị tơi ra do tác
dụng cơ học của khí oxi sinh ra trên vật tẩy.
Tẩy cathode sinh ra hydro làm tơi lớp gỉ nên dễ bong ra.

11


2.1.3. QUÁ TRÌNH MẠ
Cơ chế mạ điện
• Vật cần mạ dùng làm cực âm (cathode).
• Kim loại dùng để mạ đóng vai trò cực dương (anode).
• Dung dịch điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ.

Vật
cần mạ

Cu2+surface

Cu2+bulk

+2e
Cu
Tạo mầm tinh thể.
Phát triển mầm tinh thể.
•
•

Quá trình phóng điện H+
tạo khí H2:
2H+ + 2e = H2


Gây ra
hiện tượng
giòn kim loại

Chế độ điện phân (mật độ
dòng điện, khuấy trộn,
nhiệt độ…).
Thành phần dung dịch.
12


QUÁ TRÌNH ANODE
• Mạ điện thường dùng anode hòa tan.
• Khi có dòng điện đi qua, kim loại hòa tan:
Me – ne = Men+
Cu – 2e = Cu2+
• Trên anode ngoài quá trình hòa tan kim loại, còn có quá trình
giải phóng oxi.
Trong môi trường kiềm:
4OH– – 4e = 2H2O + O2
Trong môi trường axit:
2H2O – 4e = 4H+ + O2
• Trên anode hòa tan còn xảy ra nhiều phản ứng phụ khác trong
đó có quá trình thoát oxi làm cho hiệu suất dòng điện anode
giảm.
13


2.1.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CẤU TRÚC LỚP MẠ

Chất lượng lớp mạ

Dung dịch mạ

Chất điện li, phụ gia,
pH…

Chế độ mạ

Nhiệt độ, mật độ dòng
điện, chế độ thủy động
của dung dịch…

Các yếu tố khác

Hình dạng vật mạ, sự
phân bố thế.

14


ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH MẠ
Dung dịch mạ thường là dung dịch muối đơn hay muối phức trong
môi trường trung tính, axit hay kiềm.
Dd muối đơn cho phân cực cathode bé, dẫn đến lớp mạ thô, sần sùi,
dày mỏng không đều, chỉ phù hợp với các chi tiết phẳng như tấm, sợi.
ZnSO4 = Zn2+ + SO42Dd muối phức: (dd muối phức của xianua, amoniac, diphotphat…)
phân cực cathode lớn vì nồng độ ion kim loại rất nhỏ, nên lớp mạ mịn,
kín và đều đặn.

Khử ion tự do của kim loại

Khử ion phức

Na2[Zn(CN)4]  2Na+ + [Zn(CN)4]2–

Na2[Zn(CN)4]  2Na+ + [Zn(CN)4]2–

[Zn(CN)4]2–  Zn2+ + 4CN–

[Zn(CN)4]2– + 2e = Zn + 4CN–

Zn2+ + 2e = Zn

15


Mạ đồng
• Dd sulfat: CuSO4.5H2O
• Dd cyanua: CuCN + NaCN
• Dd diphosphate: CuSO4.5H2O + K4P2O7
16


CHẤT PHỤ GIA

Chất điện li
trơ
• Làm tăng độ
dẫn điện.

• Na2SO4
(trong mạ
Zn, Ni),
H2SO4 (trong
mạ Cu).

Chất đệm
• Ổn định pH
• Al2(SO4)3,
CH3COOH,
axit boric
H3BO3

Chất hoạt
động bề mặt
• Làm lớp mạ
mịn và bóng.
• Đề phòng
việc lưu giữ
bọt khí H2.
• Được sử
dụng với
nồng độ bé.

17


Thành phần dung dịch mạ kẽm amoniclorua

Mạ các vật bé

trong thùng
quay, chuông
quay

Mạ tĩnh và mạ
trong các thiết
bị tự động

Mạ các vật như
lò xo, nhíp

Cho lớp mạ bóng
18


ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ MẠ

Mật độ dòng
điện

• Mỗi dung dịch mạ có một khoảng
mật độ dòng nhất định.

Nhiệt độ

• Thường tăng nhiệt độ vì làm tăng
độ tan, độ dẫn điện và giảm sự
thấm hydrogen.

Chế độ đối lưu

của dung dịch

• Làm san bằng nồng độ ion tại bề
mặt điện cực và trong dung dịch.

19


ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ KHÁC
• Trạng thái bề mặt.
• Phương pháp mạ.
• Quá trình thoát hydrogen.
Sư thoát hydrogen gây nên:
 Giảm hiệu suất dòng điện
 Kéo dài thời gian mạ.
 Giòn hydrogen.
 Rộp bọt khí.
 Rổ, châm kim.

Biện pháp khắc phục:
 Vật liệu cathode.
 Trạng thái bề mặt.
 Dung dịch mạ.
20


2.1.5. GIA CÔNG SAU KHI MẠ
• Tiến hành thụ động hóa bề mặt lớp mạ như mạ kẽm, thiếc…
• Gia công nhiệt để khuếch tán, biến tính, khử ứng suất của
lớp mạ như mạ crom

• Phủ sơn bóng để chống oxy hóa bề mặt lớp mạ như vàng,
bạc giả vàng.

21


Vấn đề rửa và nước rửa
Cần rất nhiều nước (2m3 nước cho 1m2 bề mặt gia công) để rửa để:
• Tránh lẫn hóa chất từ bể này sang bể khác (theo vật gia công).
• Làm sạch bề mặt nền.
• Loại bỏ hết hóa chất khỏi sản phẩm ở bước cuối cùng.
Để tăng hiệu quả của việc rửa đồng thời tiết kiệm nước đến mức tối
đa người ta đã nghĩ ra nhiều cách rửa khác nhau, nhờ đó lượng nước
tiêu tốn 0.2-0.4m3/m2.
• Rửa nhúng tĩnh.
• Rửa nhúng có nước chảy tràn liên tục.
• Rửa ngược chiều.
• Rửa sục khí.
• Rửa phun.
• Rửa liên hợp.
• Rửa siêu âm.
22


CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN TRONG MẠ ĐIỆN
Khối lượng kim loại bám lên vật mạ (g):

Mật độ dòng cathode:

Eq – đương lượng điện hóa, g/(A.h)

I - cường độ dòng điện, A
t - thời gian mạ, h
Đương lượng điện hóa (g/A.h): lượng chất lý
thuyết thoát ra trên điện cực khi cho một
đơn vị điện lượng đi qua.
F hằng số Faraday, F = 26.8 Ah/mol
Hiệu suất dòng điện:
Q – điện lượng tiêu hao cho phản ứng chính.
Qo – tổng điện lượng đưa vào.

23


Bài tập:
Khi điện phân với anode không tan dung dịch CuSO4 có nồng
độ 100 g/l, thể tích ban đầu 100 l. Sau 2 giờ điện phân với
dòng điện 100 A, dung dịch còn lại 98 l. Xác định nồng độ
dung dịch CuSO4 sau khi điện phân, nếu hiệu suất dòng điện
95%.

24


2.2. ĐIỆN PHÂN TINH LUYỆN KIM LOẠI
2.2.1. MỞ ĐẦU
Hơn 70 kim loại màu và quý hiếm được sản xuất. Có thể nói
rằng không có lĩnh vực nào là không sử dụng kim loại màu.

Cu

Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là dùng chất khử, khử
ion kim loại thành kim loại đơn chất. Quá trình này còn gọi là
hoàn nguyên kim loại.
25