邵靜茹, 李方宜, 劉永奇, 劉梓沐， 翟向陽， 朱藝波， 張松飛， 董 沛

(1. 鄭州華晶金剛石股份有限公司， 鄭州 450001) (2. 鄭州外國語新楓楊學校， 鄭州 450001)

人造金剛石目前普遍采用石墨和金屬觸媒通過高溫高壓方法合成，合成后的合成塊主要由石墨、觸媒金屬等組成。合成塊堅硬難碎，金剛石被觸媒金屬牢固包覆，難以通過物理方法直接去除金屬包覆物來提純金剛石。傳統(tǒng)方法是利用強酸高溫溶解去除金屬、石墨，提純金剛石，勞動強度大、污染嚴重，工作環(huán)境惡劣且金屬無法回收。目前，利用電解方法將合成塊中的金屬電解，在陽極上氧化為金屬離子而進入溶液中，之后又通過溶液遷移到陰極上還原析出，回收金屬[1]。該方法用酸量少，可減少環(huán)境污染，降低勞動強度。

通過電解提純金剛石合成塊，實際操作中影響因素多而復雜，必須同時控制好各個影響因素，才能使電解過程高效進行。本實驗通過研究電解液中主要成分和電解工藝條件對電解過程的影響，探討電解金剛石合成塊的最佳工藝條件[2-3]。

1 實驗方法

在提純車間同一電解槽、同等生產(chǎn)條件下進行電解實驗，電解槽體積8 m3。采用單因素實驗分別對電解液成分中的活化劑、復合穩(wěn)定劑和電解工藝條件(如電控柜電流、電極間距離、pH值)等進行考察，研究各因素對電解效率的影響。電解效率用每批次電解提取出的金屬量與合成塊中金屬量的比值表示。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 電解液中主要成分對電解效率的影響

2.1.1 活化劑的質(zhì)量濃度對電解效率的影響

活化劑的作用是促進陽極的正常溶解，避免出現(xiàn)陽極鈍化現(xiàn)象，補充溶液中因金屬離子鍍附到陰極板上而不斷減少的陽極金屬離子。圖1為活化劑質(zhì)量濃度對電解效率的影響圖。

圖1 活化劑質(zhì)量濃度對電解效率的影響

從圖1中可看出：活化劑質(zhì)量濃度為15～30 g/L時,電解效率最高,為92%～95%,因此活化劑最佳質(zhì)量濃度為15～30 g/L。如果活化劑質(zhì)量濃度偏低，除了影響陽極正常溶解，還會阻礙電解液的導電性，降低鍍液的極化度和分散能力；但活化劑濃度也不宜過高，過高會引起陰、陽極副反應(yīng)，如發(fā)生析氧反應(yīng)，降低電流效率，同時鍍層硬度增大，不易從陰極板上剝離，增大后期工作強度。

2.1.2 復合穩(wěn)定劑的濃度對電解效率的影響

鍍液中鐵以亞鐵離子Fe2+形態(tài)存在，其容易氧化成三價鐵離子Fe3+，三價鐵離子Fe3+在電解液pH值為2.5時會形成Fe(OH)3膠狀沉淀物，容易吸附在陰極、陽極表面，降低鍍液導電性，影響陽極正常溶解。在鍍液中加入穩(wěn)定劑可以絡(luò)合鐵離子，防止Fe(OH)3膠狀沉淀產(chǎn)生。作為穩(wěn)定劑還必須具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、不易老化、不影響鍍液其他成分發(fā)揮正常作用，以及不惡化鍍層的特點。

圖2為復合穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對電解效率的影響圖。從圖2中可看出：復合穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度為25～30 g/L時，電解效率最佳。復合穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度過低，不能很好地絡(luò)合鐵離子，使鐵離子形成水解沉淀物，降低電解效率；如果穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度過高，在大電流密度和溫度過高的情況下，絡(luò)合鎳、鐵離子后形成的絡(luò)合物會分解成鎳、鐵鹽的沉淀，影響鍍液導電性，降低電解效率。

圖2 復合穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對電解效率的影響

2.2 電解工藝條件對電解效率的影響

2.2.1 陰陽極之間的距離

在電解實驗過程中，電解效率和通過的電流大小成正比。電解質(zhì)溶液導電也符合歐姆定律，即在電壓一定時，當電流通過電解質(zhì)溶液到達陰極表面時，影響電流大小的因素是電解溶液的電阻。陰陽極之間的距離不同，這種電阻大小也不同。陰陽極之間距離近，電解溶液的電阻小，電流大，析出的金屬量多，電流效率高；陰陽極之間距離遠，電解溶液的電阻大，電流小，析出的金屬量少，電流效率低。相同電壓下，陰陽極之間的距離為50 mm時，電流為4200 A;隨著距離增加到250 mm時，電流為3900 A，電阻增大，電流減小，但可以正常進行電解生產(chǎn)；距離為300 mm時，電流為3400 A，電流偏小，不能正常電解生產(chǎn)。理論上陰陽極之間的距離應(yīng)盡量小，以減少電阻增大電流，更快地沉積金屬；但當距離小于50 mm時，陰極上鍍覆的金屬容易長出毛刺，毛刺過長可能會接觸到陽極，有短路的風險。實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)陰陽極之間的距離保持在50～250 mm比較合適。

2.2.2 電控柜電流的影響

在極限電流范圍內(nèi)，隨著電流的增加，電解效率也增加。這是因為增大電流，陰、陽極上單位面積積累的電荷數(shù)增加，使陽極上的金屬鐵、鎳更易失去電子，變成金屬離子進入到電解液中，而電解液中的金屬離子更易得到電子鍍覆到陰極上。同時，電流增大，陰陽極之間的電場力增大，鐵離子、鎳離子向陰極移動速度加快，金屬鍍覆速度也加快。但是，電流增大到一定程度，達到臨界鈍化電位時，會引起陽極鈍化，陽極金屬不再溶解，電解效率嚴重下降，甚至不能正常電解。因此，電控柜電流大小必須控制在一定范圍內(nèi)。圖3為電流大小對電解效率的影響圖。由圖3可見：電控柜電流達到4000～4200 A時，電解效率最高。

圖3 電流大小對電解效率的影響

2.2.3 pH值對電解效率的影響

圖4為pH值對電解效率的影響圖。當pH值<1時，由于氫離子濃度高，比鐵離子、鎳離子優(yōu)先在陰極上放電，發(fā)生析氫反應(yīng)，電解效率降低。大量氫離子存在還有可能腐蝕陰極板，造成陰極板消耗大。但當pH值>6時，鐵離子、鎳離子容易發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生膠體沉淀，電解液變渾濁，電阻增大，降低電解液的導電性，降低電解效率，嚴重時無法正常進行電解工作。由圖4可以看出：pH值為2～4時，電解效率高。

圖4 pH值對電解效率的影響

3 結(jié)論

(1)電解液組成和電解工藝條件對電解效率有較大影響。適當加入添加劑可以改善電解液的性能，提高電解效率。合適的添加劑用量為：活化劑的質(zhì)量濃度為15～30 g/L，復合穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為25～30 g/L。

(2)控制合適的電解工藝條件，可以提高電解效率。合適的工藝條件為：陰、陽極之間的距離為50～250 mm，電控柜電流為4000～4200 A，電解液pH值為2～4。

參考文獻：

[1] 王秦生. 超硬材料及制品 [M]. 鄭州: 鄭州大學出版社, 2006.

WANG Qinsheng. Superhard materials and products [M]. Zhengzhou: Zhengzhou University Press, 2006.

[2] 劉仁智. 現(xiàn)代電鍍手冊 [M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2010.

LIU Renzhi. Manual on modern electroplating [M] . Beijing: Chemical Industry Press, 2010.

[3] 宋志昌. 粉狀觸媒合成金剛石提純新方法 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2005(3): 36-38.

SONG Zhichang. A new method of purification for diamond synthesized with powder-catalyst [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2005(3): 36-38.