含硫活性鎳在鍍鎳陽極材料中的研究

趙 坤

（湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441000）

一直以來，我國在電鍍工業(yè)發(fā)展中，鍍鎳陽極材料大多是采用電解鎳板。之所以要采用電解鎳板，其原因在于我國以前缺乏先進(jìn)的鍍鎳陽極材料品種.這也使電鍍層的表面質(zhì)量較低，電鍍液穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)對鍍鎳陽極材料的高效生產(chǎn)[1]。含硫活性鎳相比于電解鎳來說，其不僅可提高鍍層質(zhì)量，使槽液處理周期得以延長，而且能夠使鍍層的光亮度及厚度變得更加均勻，使電鍍起始電壓及槽的操作電壓降低，減緩光亮劑的氧化作用。這些優(yōu)勢使其逐漸成為鍍鎳陽極材料的不二之選，雖然含硫活性鎳有著很多應(yīng)用優(yōu)勢，但現(xiàn)階段對國產(chǎn)含硫活性鎳的推廣與應(yīng)用卻較少，其原因在于含硫活性鎳需要花費(fèi)更多的成本。本文便對含硫活性鎳在鍍鎳陽極材料中的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究，以此客觀評價(jià)其實(shí)用價(jià)值，以期能夠?yàn)槲覈婂児I(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 鍍鎳陽極材料在發(fā)展過程中面臨的問題

現(xiàn)階段，在我國電鍍工業(yè)發(fā)展中所采用的鍍鎳陽極材料仍舊是以電解鎳板為主。電解鎳板雖然能夠作為鍍鎳陽極材料，不過其電鍍液的穩(wěn)定性卻較差。這也使得鍍鎳陽極材料的電鍍層表面質(zhì)量較低，難以取得較高的生產(chǎn)效率。當(dāng)前，我國在應(yīng)用電解鎳來生產(chǎn)鍍鎳陽極材料時(shí)還面臨著以下問題：首先，采用普通的電解板來生產(chǎn)鍍鎳陽極材料，其鍍鎳溶液處于無光和光亮環(huán)境下會有一層惰性膜層產(chǎn)生。惰層膜層會受到鎳的腐蝕，當(dāng)鎳通過惰性膜層時(shí)便會以小孔的形式來逐漸腐蝕和溶解膜層，從而使得惰性膜層形成密密麻麻的腐蝕孔，并最終使得整個(gè)表面產(chǎn)生海綿狀的沉淀物落于溶液底部。其次，在對鍍鎳陽極材料進(jìn)行清理時(shí)，這些沉淀的海綿狀鎳會破碎，并產(chǎn)生許多較粗的顆粒狀金屬殘?jiān)@些金屬殘?jiān)鼤?yán)重污染電解液，從而造成電鍍層形成粗糙的表面，表面上還會有毛刺產(chǎn)生。這不僅使得陽極材料中的鎳受到較大損失，而且也會影響鍍鎳陽極材料的鍍層質(zhì)量，并由此造成材料需要返工，而這會給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。再次，當(dāng)溶液中含有的氯化物較低時(shí)，如果陽極電流達(dá)到一定的密度，便會造成鎳表面發(fā)生鈍化，并生成氯氣與氧氣，而氯氣與氧氣則會腐蝕陽極袋與鈦籃，并對電鍍液內(nèi)的光亮劑造成破壞，從而增加了溶劑的消耗量。最后，在對陽極進(jìn)行調(diào)換與補(bǔ)充過程中，因電解鎳的邊緣比較尖銳，這使得陽極袋容易被電解鎳的尖銳邊緣所穿破，從而引發(fā)工傷事故。由此可見，電解鎳板雖然可作為鍍鎳陽極材料的生產(chǎn)原料，但卻會嚴(yán)重影響到鍍鎳陽極材料的電鍍層質(zhì)量，并且增加了溶劑的消耗量，同時(shí)也易引發(fā)工傷事故，這也使得電解鎳板越來越難以滿足我國現(xiàn)代電鍍工業(yè)的發(fā)展要求，我國迫切需要探尋更加先進(jìn)的原材料來代替電解鎳板。當(dāng)前，許多國家在電鍍工業(yè)中大力推廣不含雜質(zhì)的鎳陽極，這種鎳陽極在不同成分的鍍鎳溶液中能夠全部溶解，并且不會產(chǎn)生殘?jiān)@種鎳陽極叫作100%活性含硫鎳，也就是所謂的含硫活性鎳。為了使電解鎳在鍍鎳陽極材料中存在的問題得到解決，我國近年來也開始了含硫活性鎳的研究與應(yīng)用，并已經(jīng)取得了較好的研究與應(yīng)用成果。例如：襄陽化通化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的含硫鎳圓餅，產(chǎn)品質(zhì)量已與進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)。因金屬鎳中的硫含量在0.02%左右，這使得金屬鎳的電化學(xué)活性很高，從而使其能夠在成分不同的電鍍鎳溶液內(nèi)表現(xiàn)出多種特性。具體如下：其一，陽極溶解平滑，出現(xiàn)鎳表面鈍化的幾率較小，而且鍍鎳層具有較高的電化學(xué)活性，因此可采用大電流密度來進(jìn)行鍍鎳陽極材料的生產(chǎn)；其二，相比于電解鎳，其操作電壓更低，可使電能節(jié)約25%左右；其三，不會產(chǎn)生較為尖銳的邊緣，這使得含硫活性鎳所生產(chǎn)的鍍鎳陽極材料更加易于處理，有效防止了尖銳邊緣穿破陽極袋，從而大大降低了工傷事故的發(fā)生幾率；其四，易于補(bǔ)充，能夠使陽極籃內(nèi)的面積更加均勻。

2 含硫活性鎳的性能

為了了解含硫活性鎳的各方面性能，需要對電解鎳與活性鎳的化學(xué)成分進(jìn)行分析，并繪制出兩者的陽極極化曲線，明確普通電解鎳、含硫活性鎳在陽極溶解中的峰值最流密度。此外還要比較活性鎳和普通電解鎳的陽極溶解電位曲線，確定每噸鎳在溶解時(shí)所產(chǎn)生的殘?jiān)俊Ｊ紫龋瑥幕瘜W(xué)成分進(jìn)行分析，在電解鎳中，Ni+Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.97%，含硫量則只有0.001%，Cu與Fe的成分含量則均小于0.02%。而在活性鎳中，Ni+Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.95%，含硫量為0.02%，Cu與Fe的成分含量均小于0.02%。在對含硫活性鎳和電解鎳的陽極極化曲線進(jìn)行繪制時(shí)，需要分別將我國生產(chǎn)的含硫活性鎳（樣品來源：襄陽化通化工有限責(zé)任公司）與普通的電解鎳作為原材料，以此分別繪制其陽極極化曲線。通過對陽極極化曲線進(jìn)行對比可以了解到，我國生產(chǎn)的含硫活性鎳在陽極溶解峰值電流密度上達(dá)到130mA／cm2，普通的電解鎳在陽極溶解峰值電流密度上則僅有1.1mA／cm2。除了需要對其陽極極化曲線進(jìn)行繪制對比，以此得出陽極溶解峰值電流密度以外，還要對這兩者的陽極溶解電位曲線進(jìn)行繪制并對比，活性鎳和普通的電解鎳所繪制的陽極溶解電位曲線[2]。

在對兩者的陽極溶解電位曲線進(jìn)行繪制并對比后，還要分析含硫活性鎳（樣品來源：襄陽化通化工有限責(zé)任公司）與普通電解鎳的每噸鎳溶解殘?jiān)a(chǎn)生量。在此過程中，需要在溶液上方懸掛普通的鎳陽極，并用兩層丙綸布口袋進(jìn)行外部包裹。而含硫活性鎳則要放在鈦籃中，并用兩層丙綸布口袋進(jìn)行包部包裹，在進(jìn)行相同時(shí)間的電解后，從每噸渣溶解所產(chǎn)生的殘?jiān)靠梢粤私獾剑胀ǖ碾娊怄嚢迕窟M(jìn)行1t鎳的溶解，其殘?jiān)a(chǎn)生量為4.6kg，而含硫活性鎳每進(jìn)行一噸鎳的溶解，其殘?jiān)a(chǎn)生量則僅僅只有1.6kg。

3 含硫活性鎳在鍍鎳陽極材料中的電化學(xué)行為分析

在20世紀(jì)70年代，Hart便對鎳在電鍍?nèi)芤簝?nèi)的溶解機(jī)理進(jìn)行了研究，其分別采用含硫活性鎳與普通的電解鎳進(jìn)行對比，并繪制了兩者的鎳陽極極化曲線，從而得出：當(dāng)電位為負(fù)時(shí)，普通電解鎳和含硫活性鎳在電鍍?nèi)芤簝?nèi)所產(chǎn)生的電極行為是基本一致的，電流密度峰值均出現(xiàn)在50mV附近，而當(dāng)電極電位逐漸為正時(shí)，普通電解鎳和含硫活性鎳所產(chǎn)生的電極行為則完全不同。對于普通電解鎳來說，當(dāng)電極電位達(dá)到+400mV時(shí)便迅速鈍化，而發(fā)生鈍化時(shí)所施加的電流密度則僅為1mA／cm2。但在含硫活性鎳中，其發(fā)生鈍化時(shí)所施加的電流密度則達(dá)到了100至130mA／cm2，而且電極電位在超過+800mV時(shí)才開始鈍化。由此說明在陽極溶解速率上，含硫活性鎳要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電解鎳，而且即使溶液內(nèi)不存在氯化物，也不會出現(xiàn)鈍化。這表明含硫活性鎳與普通電解鎳具有不同的溶解電位，而這也正是槽電壓得以降低的重要原因。從上文看出，含硫活性鎳其要比電解鎳有著更高的含硫量，那么為什么其陽極活性會如此高呢？為此，需要采用普通的鎳來進(jìn)行化學(xué)溶解，以此進(jìn)行相應(yīng)的推想。一般來說，金屬化學(xué)溶解是從原子不規(guī)則排列之處開始的，并逐步沿晶格邊界進(jìn)行不斷延伸，并形成小孔。直至形成密密麻麻的小孔，也就是所謂的麻點(diǎn)腐蝕，而異類雜質(zhì)的存在則會對金屬晶格排列造成干擾，所以異類雜質(zhì)往往極易受到溶解。當(dāng)異類雜質(zhì)在金屬晶格中均勻分布時(shí)，便會使溶解也變得均勻。由此可以推想出Ni3S2或NiS如果是在鎳中進(jìn)行均勻分布的，那么其便會使溶解變得均勻。

4 含硫活性鎳在鍍鎳陽極材料中的應(yīng)用評價(jià)

通過以上研究，可以客觀評價(jià)出含硫活性鎳在鍍鎳陽極材料中所具有的實(shí)用價(jià)值：其一，在溶解普通的電解鎳時(shí)，因鎳具有鈍態(tài)，所以會使電鍍?nèi)芤簝?nèi)產(chǎn)生許多呈海綿狀的金屬淤渣沉淀物，進(jìn)而導(dǎo)致鎳產(chǎn)生大量流失，同時(shí)也會造成電鍍?nèi)芤罕晃廴荆闺娊怄囁谱鞯腻冩囮枠O材料易產(chǎn)生毛刺。而對于含硫活性鎳來說，其在利用電鍍?nèi)芤哼M(jìn)行溶解時(shí)便不會產(chǎn)生海綿狀的金屬淤渣沉淀物，電解溶液在很長時(shí)間內(nèi)能夠保持清潔透明，這可使鍍層質(zhì)量得到提高，使槽液能夠保持更長的處理周期，并且也使化工原料及人工工時(shí)都能得到一定程度的節(jié)約。其二，利用鈦籃來對含硫活性鎳進(jìn)行溶解可保持良好的自然沉降，而且易于清理和補(bǔ)充，相比于電解鎳有著更大的陽極面積，同時(shí)可確保鎳量恒定，從而使電鍍物件具備較好的電流分布重現(xiàn)性，使鍍層具有更加均勻的厚度與光亮度。

5 結(jié)語

總而言之，含硫活性鎳具有很多應(yīng)用優(yōu)勢，但現(xiàn)階段對國產(chǎn)含硫活性鎳的應(yīng)用及推廣卻較少，究其原因在于含硫活性鎳需要花費(fèi)更高的成本。但是，含硫活性鎳卻可以提高電鍍層質(zhì)量，使化工原料得到有效節(jié)約，并降低返工率，從總體上來說還是非常合算的。同時(shí)國產(chǎn)含硫活性鎳的推廣有利于打破進(jìn)口壟斷，避免由于運(yùn)輸周期長、國際關(guān)系緊張、質(zhì)量不穩(wěn)定等不確定因素造成的斷貨現(xiàn)象，保證國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展。當(dāng)然，為了降低含硫活性鎳的成本投入，可利用廢鎳來進(jìn)行含硫活性鎳材料的生產(chǎn)，這樣可使生產(chǎn)成本得到進(jìn)一步的降低，從而為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[3]。