电解槽乳突板电镀镍合金工艺及中试研究

摘要

随着化石能源的不断开发利用，能源短缺问题日益凸显，研究和开发高效节能且可持续的新型二次能源具有重要意义，氢能正是为解决这种能源危机而大力发展的新型能源。氢能具有高效清洁、原料丰富、可再生等优点，具有非常大的发展潜力。碱性水电解是一种大规模制氢的工业方法，其特点是操作简单、设备成本低，但电解槽的腐蚀是影响持续、高效、稳定运行的一个重要因素。本文主要研究电解槽阴极连接材料乳突板的制备，以防止或减小其和泡沫镍钼合金阴极产生电偶腐蚀。研究在电镀暗镍的钢板(Fe/Ni)上电镀 Ni-Mo、Ni-W合金，以期找到与泡沫镍/Ni-Mo的电偶腐蚀电流密度小、且自身耐蚀性良好的合金镀层。然后将电镀 Ni-Mo合金工艺应用于直径830mm乳突板的生产上。
　　在电镀暗镍的钢板上电镀 Ni-Mo合金。通过正交试验和单因素试验得到在Fe/Ni上电镀 Ni-Mo的最佳溶液组成及工艺条件为60g·L-1 NiSO4·6H2O，20g·L-1 NiCl2·6H2O，80g·L-1 Na3(C6H5O7)·2H2O，10g·L-1 Na2MoO4·2H2O，10g·L-1 NaCl，0.4g·L-1添加剂1，0.5g·L-1添加剂2，0.05g·L-1添加剂3，60mL·L-1 NH3·H2O，温度50?C，pH11，电流密度2A·dm-2，时间1h，中速搅拌。镀层光亮平整、致密均匀。在70?C、30wt％ KOH溶液中，测量了 Fe/Ni/Ni-Mo与泡沫镍/Ni-Mo之间的电偶腐蚀电流密度、Fe/Ni/Ni-Mo的动电位极化曲线。在偶接60min时的电偶腐蚀电流密度为10.9?A·cm-2，Fe/Ni/Ni-Mo为腐蚀电偶的阴极。由动电位极化曲线拟合得到其自腐蚀电流密度为7.25?A·cm-2。用扫描电子显微镜观察 Fe/Ni/Ni-Mo的表面形貌。放大2000倍，镀层表面平整，但局部有微裂纹，放大10000倍，可看到镀层由许多小颗粒团聚堆积形成的大颗粒组成，大颗粒之间有裂纹。用能谱仪检测镀层的组成，结果显示，Ni-Mo合金镀层的原子组成为 Ni79.7Mo20.3。用 X射线衍射仪检测分析，Ni-Mo合金镀层呈晶态结构。
　　在电镀暗镍的钢板上电镀 Ni-W合金。通过正交试验和单因素试验得到在Fe/Ni上电镀 Ni-W的最佳溶液组成及工艺条件为16g·L-1 NiSO4·6H2O，35g·L-1 Na2WO4·2H2O，40g·L-1 C6H8O7·H2O，0.2g·L-1添加剂4，0.5g·L-1添加剂5，0.2g·L-1添加剂6，适量 NH3·H2O，温度65?C，pH6，电流密度5A·dm-2，时间1h，中速搅拌。镀层光亮平整、致密均匀。在70?C、30wt%KOH溶液中，测量了 Fe/Ni/Ni-W与泡沫镍/Ni-Mo之间的电偶腐蚀电流密度、Fe/Ni/Ni-W的动电位极化曲线。在偶接60min时的电偶腐蚀电流密度为606?A·cm-2，Fe/Ni/Ni-W为腐蚀电偶的阴极。由动电位极化曲线拟合得到其自腐蚀电流密度为6.35?A·cm-2。用扫描电子显微镜观察 Fe/Ni/Ni-W的表面形貌。放大2000倍，镀层表面呈颗粒状，且局部有针孔，放大10000倍，镀层由许多小颗粒团聚堆积形成的大颗粒组成，大颗粒之间有裂纹。用能谱仪检测镀层的组成，结果显示，Ni-W合金镀层的原子组成为Ni81.6W18.4。用X射线衍射仪检测分析， Ni-W合金镀层呈非晶态结构。
　　将在电镀暗镍后的钢板上电镀 Ni-Mo合金工艺应用于直径830mm乳突板的阴极面电镀 Ni-Mo合金。根据设计目的和依据，设计乳突板中试生产车间。将实验室制备电极连接件的工艺放大，设计中试工艺，采用摇摆臂和过滤机替代实验室中的电磁搅拌。选择了生产设备型号并完成车间平面布置图。根据工艺特点选定了电镀电源、抽风机和半自动生产线设备参数和品牌；成功设计出整洁美观、节省地面和施工安全的平面布置图。设计生产质量控制规范，把控电极生产质量。生产中测量和控制 pH值和镀液离子浓度以控制产品质量。设计了镀液离子浓度的检测方法为紫外分光光度法。乳突板为碳钢电镀暗镍。用酒精擦拭除油，刷涂可剥性保护胶。待胶干燥后，进行化学除油、阴极活化、电镀 Ni-Mo合金。在课题组成员的共同努力下，在65块直径为830mm的乳突板阴极面电镀Ni-Mo合金。得到的镀层光亮平整、均匀致密。电镀 Ni-Mo合金后的乳突板，交由电解槽生产厂家考核，验收合格。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 氢能的特点和制氢技术的发展

1.2 电解水制氢

1.3 双极式压滤水电解槽乳突板的电偶腐蚀

1.4 电镀镍基合金

1.5 研究意义及内容

第2章 Fe/Ni/Ni-Mo的制备及其耐蚀性研究

2.1 实验仪器及药品

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 Fe/Ni/Ni-W的制备及其耐蚀性研究

3.1 实验仪器及药品

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 乳突板电镀Ni-Mo合金的中试

4.1 中试车间的设计

4.2 调试生产乳突板

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢