cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2019-5-32-39cvmet-1022Research ArticleМеталлургия цветных металловMetallurgy of Non-Ferrous MetalsИспользование поляризационных измерений для расчета выхода по токуApplication of polarization measurements for current efficiency calculationРудойВ. М.RudoyV. M.

Докт. хим. наук, профессор кафедры технологии электрохимических производств (ТЭХП).

620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Chem.), prof. of the Department of technology of electrochemical manufactures (TEM).

620062, Russia, Yekaterinburg, Mira str., 28

vlmx@rambler.ruОстанинН. И.OstaninN. I.

Канд. техн. наук, доцент кафедры ТЭХП.

620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Tech.), assistant prof. of the Department of TEM.

620062, Russia, Yekaterinburg, Mira str., 28

n.i.ostanin@urfu.ruОстанинаТ. Н.OstaninaT. N.

Докт. хим. наук, профессор кафедры ТЭХП.

620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Chem.), prof. of the Department of TEM.

620062, Russia, Yekaterinburg, Mira str., 28

ostni@mail.ruДаринцеваА. Б.DarintsevaA. B.

Канд. хим. наук, доцент кафедры ТЭХП.

620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Chem.), assistant prof. of the Department of TEM.

620062, Russia, Yekaterinburg, Mira str., 28

a.b.darintseva@urfu.ruНикитинВ. С.NikitinV. S.

Канд. хим. наук, инженер-исследователь кафедры ТЭХП.

620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Chem.), research engineer of the Department of TEM.

620062, Russia, Yekaterinburg, Mira str., 28

nikitin-viachieslav@mail.ruЧерепановаА. И.CherepanovaA. I.

Студентка кафедры ТЭХП.

620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Student of the Department of TEM.

620062, Russia, Yekaterinburg, Mira str., 28

cherepanovaalexandra@gmail.comУральский федеральный университет (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University (UrFU)Russian Federation201925102019053239Copyright © Рудой В.М., Останин Н.И., Останина Т.Н., Даринцева А.Б., Никитин В.С., Черепанова А.И., 20192019Рудой В.М., Останин Н.И., Останина Т.Н., Даринцева А.Б., Никитин В.С., Черепанова А.И.Rudoy V.M., Ostanin N.I., Ostanina T.N., Darintseva A.B., Nikitin V.S., Cherepanova A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1022

Рассмотрен метод определения фарадеевского выхода по току (CeF), основанный на соотношении парциальных токов выделения металла и водорода. Для расчета величины CeF на основании поляризационных измерений необходимо знать рабочую плотность тока и потенциал (Ei), при котором происходит осаждение металла в соответствующем растворе, а также кинетические параметры выделения водорода для определения парциальной плотности тока водорода (iН2 ) при этом потенциале. С помощью предложенного метода был проведен расчет выхода по току для процессов экстракции никеля и нанесения никелевого покрытия из растворов, содержащих сульфат никеля, при плотности тока 300 А/м2. Определены кинетические параметры выделения водорода по поляризационной кривой, полученной в растворе фонового электролита, содержащем 120 г/л сульфата магния и 18 г/л борной кислоты при рН = 3,9. Получено уравнение для расчета парциальной плотности тока выделения водорода при любом потенциале по кинетическим параметрам. Использование кинетических закономерностей позволило рассчитать CeF никеля в сульфатных растворах разного со- става с рН = 3,0 и 4,1. Рассчитанные значения CeF в пределах статистической погрешности совпали с величиной выхода по току, определенной весовым методом с применением медного кулонометра. Показано, что разделение коммерческого показателя «суммарный выход по току» (CeΣ) на фарадеевский (CeF) и аппаратный (Ceap) в сочетании с использованием метода парциальных поляризационных кривых позволяет получить дополнительную информацию о степени совершенства технологического процесса.

The paper considers a method used to determine Faraday current efficiency (CeF) based on the ratio of partial currents of metal and hydrogen reduction. To calculate the Faraday current efficiency based on polarization measurements, it is necessary to know the working current density and potential (Ei) at which the metal is deposited in the corresponding solution, as well as kinetic parameters of hydrogen evolution for determining the partial current density of hydrogen (iН2 ) at this potential. The proposed method was used to calculate current efficiency for the processes of nickel extraction and nickel coating application from solutions containing nickel sulfate at current density of 300 A/m2. The study allowed to determine kinetic parameters of hydrogen evolution by the polarization curve obtained in the background electrolyte solution containing 120 g/l of magnesium sulfate and 18 g/l of boric acid at pH = 3.9. An equation was obtained to calculate the partial current density of hydrogen evolution at any potential by kinetic parameters. The use of kinetic regularities made it possible to calculate nickel CeF in sulphate solutions of different composition and with different pH values (3.0 and 4.1). The calculated CeF values within the margin of error coincide with the current efficiency value determined by the gravimetric method using a copper coulometer. It is shown that the division of the «total current efficiency» (CeΣ), which is a commercial indicator, into Faraday (CeF) and apparatus (Ceap) indicators in combination with the method using partial polarization provide additional information about the degree of process perfection.

никельэлектроэкстракциявыход по токукинетические параметрыпарциальные кривыеnickelelectroextractioncurrent efficiencykinetic parameterspartial curvesReferencesPlekhanov K., Demin I., Ashikhin V., Koryakin V., Zaikov Yu., Rudoy V., Ostanin N. JSC «Uralelektromed» electrolytic copper quality control. In: Conf. publ. «Copper 2003—Cobre 2003» (30 Nov.—03 Dec. 2003). Santiago, Chile: Petroleum, 2003. Vol. 5. P. 399—406.Plekhanov K., Demin I., Ashikhin V., Koryakin V., Zaikov Yu., Rudoy V., Ostanin N. JSC «Uralelektromed» electrolytic copper quality control. In: Conf. publ. «Copper 2003—Cobre 2003» (30 Nov.—03 Dec. 2003). Santiago, Chile: Petroleum, 2003. Vol. 5. P. 399—406.Holm M., O’Keefe T.J. Electrolyte parameter effects in the electrowinning of nickel from sulfate electrolytes. Miner. Eng. 2000. Vol. 13. No. 2. P 193—204. DOI: 10.1016/S0892-6875(99)00165-X.Holm M., O’Keefe T.J. Electrolyte parameter effects in the electrowinning of nickel from sulfate electrolytes. Miner. Eng. 2000. Vol. 13. No. 2. P 193—204. DOI: 10.1016/S0892-6875(99)00165-X.Mohanty U.S., Tripathy B.C., Singh P., Das S.C., Misra V.N. Electrodeposition of nickel in the presence of Al3+ from sulfate baths. J. Appl. Electrochem. 2005. Vol. 35. P. 545—549. DOI: 10.1007/s10800-005-1518-x.Mohanty U.S., Tripathy B.C., Singh P., Das S.C., Misra V.N. Electrodeposition of nickel in the presence of Al3+ from sulfate baths. J. Appl. Electrochem. 2005. Vol. 35. P. 545—549. DOI: 10.1007/s10800-005-1518-x.Crundwell F., Moats M., Ramachandran V. Extractive metallurgy of nickel, cobalt and platinum group metals. Oxford: Elsevier Ltd., 2011. DOI: 10.1016/C2009-0-63541-8.Crundwell F., Moats M., Ramachandran V. Extractive metallurgy of nickel, cobalt and platinum group metals. Oxford: Elsevier Ltd., 2011. DOI: 10.1016/C2009-0-63541-8.Цупак Т.Е., Спицина А.А. Электроосаждение сплава никель—фосфор из сульфатно-хлоридного электролита, содержащего дикарбоновую кислоту. Гальванотехника и обраб. поверхности. 2012. Т. 20. No. 3. С. 42—46. Tsupak T.E., Spitsina A.A. Electrodeposition of nickelphosphorous alloy from sulfate-chloride bath containing dicarboxilic acid. Gal’vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti. 2012. Vol. 20. No. 3. P. 42—46 (In Russ.).Цупак Т.Е., Спицина А.А. Электроосаждение сплава никель—фосфор из сульфатно-хлоридного электролита, содержащего дикарбоновую кислоту. Гальванотехника и обраб. поверхности. 2012. Т. 20. No. 3. С. 42—46. Tsupak T.E., Spitsina A.A. Electrodeposition of nickelphosphorous alloy from sulfate-chloride bath containing dicarboxilic acid. Gal’vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti. 2012. Vol. 20. No. 3. P. 42—46 (In Russ.).Боярцинцева А.А., Цупак Т.Е. Катодный процесс при электроосаждении сплава никель—фосфор из сульфатно-глицинатно-хлоридных электролитов с различными фосфоросодержащими компонентами. Гальванотехника и обраб. поверхности. 2017. Т. 25. No. 2. С. 36—40. Boyarintseva A.A., Tsupak T.E. Cathode process in the electrodeposition of Ni—P alloy from sulfate-glycinate- chloride bath with various phosphorous-containing components. Gal’vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti. 2017. Vol. 25. No. 2. P. 36—40 (In Russ.).Боярцинцева А.А., Цупак Т.Е. Катодный процесс при электроосаждении сплава никель—фосфор из сульфатно-глицинатно-хлоридных электролитов с различными фосфоросодержащими компонентами. Гальванотехника и обраб. поверхности. 2017. Т. 25. No. 2. С. 36—40. Boyarintseva A.A., Tsupak T.E. Cathode process in the electrodeposition of Ni—P alloy from sulfate-glycinate- chloride bath with various phosphorous-containing components. Gal’vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti. 2017. Vol. 25. No. 2. P. 36—40 (In Russ.).Sharifi B., Mojtahedi M.V., Goodarzi M., Vahdati Khaki J. Effect of alkaline electrolysis conditions on current efficiency and morphology of zinc powder. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 99. P. 72—79. DOI: 10.1016/j.hydromet.2009.07.003.Sharifi B., Mojtahedi M.V., Goodarzi M., Vahdati Khaki J. Effect of alkaline electrolysis conditions on current efficiency and morphology of zinc powder. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 99. P. 72—79. DOI: 10.1016/j.hydromet.2009.07.003.Skital P.M., Sanecki P.T., Salentik D., Kalembkiewicz J. Electrodeposition of nickel from alkaline NH4OH/NH4Cl buffer solutions. Trans. Nonferr. Met. Soc. 2019. Vol. 29. P. 222—232. DOI: 10.1016/S1003-6326(18)64931-3.Skital P.M., Sanecki P.T., Salentik D., Kalembkiewicz J. Electrodeposition of nickel from alkaline NH4OH/NH4Cl buffer solutions. Trans. Nonferr. Met. Soc. 2019. Vol. 29. P. 222—232. DOI: 10.1016/S1003-6326(18)64931-3.Jović V.D., Jović B.M., Pavlović M.G. Electrodeposition of Ni, Co and Ni—Co alloy powders. Electrochim. Acta. 2006. Vol. 51. No. 25. P. 5468—5477. DOI: 10.1016/j.electacta.2006.02.022.Jović V.D., Jović B.M., Pavlović M.G. Electrodeposition of Ni, Co and Ni—Co alloy powders. Electrochim. Acta. 2006. Vol. 51. No. 25. P. 5468—5477. DOI: 10.1016/j.electacta.2006.02.022.Jović V.D., Jović B.M., Maksimović V., Pavlović M.G. Electrodeposition and morphology of Ni, Co and Ni—Co alloy powders: Part II. Ammonium chloride supporting electrolyte. Electrochim. Acta. 2007. Vol. 52. No. 12. P. 4254—4263. DOI: 10.1016/j.electacta.2006.12.003.Jović V.D., Jović B.M., Maksimović V., Pavlović M.G. Electrodeposition and morphology of Ni, Co and Ni—Co alloy powders: Part II. Ammonium chloride supporting electrolyte. Electrochim. Acta. 2007. Vol. 52. No. 12. P. 4254—4263. DOI: 10.1016/j.electacta.2006.12.003.Lačnjevac U., Jović B.M., Jović V.D. Morphology and composition of the Fe—Ni powders electrodeposited from citrate containing electrolytes. Electrochim. Acta. 2009. Vol. 55. No. 2. P. 535—543. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.09.012.Lačnjevac U., Jović B.M., Jović V.D. Morphology and composition of the Fe—Ni powders electrodeposited from citrate containing electrolytes. Electrochim. Acta. 2009. Vol. 55. No. 2. P. 535—543. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.09.012.Nikolić N.D., Pavlović Lj.J., Pavlović M.G., Popov K.I. Morphologies of electrochemically formed copper powder particles and their dependence on the quantity of evolved hydrogen. Powder Technol. 2008. Vol. 185. No. 3. P. 195—201. DOI: 10.1016/j.powtec.2007.10.014.Nikolić N.D., Pavlović Lj.J., Pavlović M.G., Popov K.I. Morphologies of electrochemically formed copper powder particles and their dependence on the quantity of evolved hydrogen. Powder Technol. 2008. Vol. 185. No. 3. P. 195—201. DOI: 10.1016/j.powtec.2007.10.014.Nikolić N.D., Pavlović Lj.J., Pavlović M.G., Popov K.I. Formation of dish-like holes and a channel structure in electrodeposition of copper under hydrogen co-deposition. Electrochim. Acta. 2007. Vol. 52. No. 28. P. 8096—8104. DOI: 10.1016/j.electacta.2007.07.008.Nikolić N.D., Pavlović Lj.J., Pavlović M.G., Popov K.I. Formation of dish-like holes and a channel structure in electrodeposition of copper under hydrogen co-deposition. Electrochim. Acta. 2007. Vol. 52. No. 28. P. 8096—8104. DOI: 10.1016/j.electacta.2007.07.008.Ostanina T.N., Rudoi V.M., Patrushev A.V., Darintseva A.B., Farlenkov A.S. Modelling the dynamic growth of copper and zinc dendritic deposits under the galvanostatic electrolysis conditions. J. Electroanal. Chem. 2015. Vol. 750. P. 9—18. DOI: 10.1016/j.jelechem.2015.04.031.Ostanina T.N., Rudoi V.M., Patrushev A.V., Darintseva A.B., Farlenkov A.S. Modelling the dynamic growth of copper and zinc dendritic deposits under the galvanostatic electrolysis conditions. J. Electroanal. Chem. 2015. Vol. 750. P. 9—18. DOI: 10.1016/j.jelechem.2015.04.031.Obradović M.D., Bośnjakov G.Z., Maksimović M.D., Despić A.R. Pulse and direct current plating of Ni—W alloys from ammonia-citrate electrolyte. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 4201—4207. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.12.013.Obradović M.D., Bośnjakov G.Z., Maksimović M.D., Despić A.R. Pulse and direct current plating of Ni—W alloys from ammonia-citrate electrolyte. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 4201—4207. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.12.013.McGinnity J., Nicol M., Zainol Z., Ang A. Development of a rapid measurement of current efficiency in the electrowinning of zinc. Hydrometallurgy. 2017. Vol. 169. P. 173—182. DOI: 10.1016/j.hydromet.2017.01.009.McGinnity J., Nicol M., Zainol Z., Ang A. Development of a rapid measurement of current efficiency in the electrowinning of zinc. Hydrometallurgy. 2017. Vol. 169. P. 173—182. DOI: 10.1016/j.hydromet.2017.01.009.Gamburg Yu.D., Zangari G. Theory and practice of metal electrodeposition. N.Y.: Springer-Verlag, 2011. DOI: 10.1007/978-1-4419-9669-5.Gamburg Yu.D., Zangari G. Theory and practice of metal electrodeposition. N.Y.: Springer-Verlag, 2011. DOI: 10.1007/978-1-4419-9669-5.Sumi V.S., Ameen Sha A., Arunima S.R., Shibli S.M.A. Development of a novel method of NiCoP alloy coating for electrocatalytic hydrogen evolution reaction in alkaline media. Electrochim. Acta. 2019. Vol. 303. P. 67—77. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.02.063.Sumi V.S., Ameen Sha A., Arunima S.R., Shibli S.M.A. Development of a novel method of NiCoP alloy coating for electrocatalytic hydrogen evolution reaction in alkaline media. Electrochim. Acta. 2019. Vol. 303. P. 67—77. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.02.063.Левин А.И., Помосов А.В. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии. М.: Металлургия, 1979. Levin A.I., Pomosov A.V. Laboratory practicum on theoretical electrochemistry. Moscow: Metallurgiya, 1979 (In Russ.).Левин А.И., Помосов А.В. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии. М.: Металлургия, 1979. Levin A.I., Pomosov A.V. Laboratory practicum on theoretical electrochemistry. Moscow: Metallurgiya, 1979 (In Russ.).Грань Т.В., Хейфец В.Л. Гидрометаллургия хлоридов. Киев: Наук. думка, 1964. Gran’ T.V., Kheifets V.L. Hydrometallurgy of chlorides. Kiev: Naukova dumka, 1964 (In Russ.).Грань Т.В., Хейфец В.Л. Гидрометаллургия хлоридов. Киев: Наук. думка, 1964. Gran’ T.V., Kheifets V.L. Hydrometallurgy of chlorides. Kiev: Naukova dumka, 1964 (In Russ.).Хейфец В.Л. Электролиз никеля. М.: Металлургия, 1975. Kheifets V.L. Electrolysis of nickel. Moscow: Metallurgiya, 1975 (In Russ.).Хейфец В.Л. Электролиз никеля. М.: Металлургия, 1975. Kheifets V.L. Electrolysis of nickel. Moscow: Metallurgiya, 1975 (In Russ.).Di Bari G.A. Modern electroplating. 5-th ed. Hoboken, New Jersey: John Wiley&Sons, Inc., 2010.Di Bari G.A. Modern electroplating. 5-th ed. Hoboken, New Jersey: John Wiley&Sons, Inc., 2010.Волков Л.В. Электролиз никеля как финишный передел технологических схем переработки никелевого сырья. Цвет. металлы. 2003. No. 7. С. 84—91. Volkov L.V. Nickel electrolysis as the final redistribution of technological schemes of processing of nickel raw materials. Tsvetnye metally. 2003. No. 7. P. 84—91 (In Russ.).Волков Л.В. Электролиз никеля как финишный передел технологических схем переработки никелевого сырья. Цвет. металлы. 2003. No. 7. С. 84—91. Volkov L.V. Nickel electrolysis as the final redistribution of technological schemes of processing of nickel raw materials. Tsvetnye metally. 2003. No. 7. P. 84—91 (In Russ.).Britz D. Digital simulation in electrochemistry. Berlin Heidelberg: Springer, 2005. DOI: 10.1007/b97996.Britz D. Digital simulation in electrochemistry. Berlin Heidelberg: Springer, 2005. DOI: 10.1007/b97996.Plieth W. Electrochemistry for materials science. Amsterdam: Elsevier, 2008.Plieth W. Electrochemistry for materials science. Amsterdam: Elsevier, 2008.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.