Electroliză

Electroliza este procesul de orientare și separare a ionilor unui electrolit (substanță a cărei molecule prin dizolvare sau topire se disociază în ioni, permițând trecerea curentului electric continuu) cu ajutorul curentului electric continuu.

În procesul de electroliză, ionii pozitivi sau cationii sunt dirijați înspre catod (pol negativ), iar ionii negativi sau anionii înspre anod(pol pozitiv) unde își pierd sarcina și se depun sau intră în reacție chimică. Specificăm că la anod există un proces de oxidare, în timp ce la catod unul de reducere.

Istorie

În anul 1800, William Nicholson și Johann Ritter au descompus apa în hidrogen și oxigen. În 1807, au fost descoperite 5 metale folosindu-se electroliza, de către savantul Humphry Davy. Aceste metale sunt: potasiul, sodiul, bariul, calciul și magneziul. După aceea, în 1875, Paul Emile Lecoq de Boisbaudran a descoperit galiul folosind electroliza, iar în 1886,Henri Moissan descoperă fluorul, tot prin intermediul aceluiași procedeu.

Descriere generală

Electroliza este un pasaj de curent electric direct printr-o substanță ionică care este fie topită, fie dizolvată într-un solvent potrivit, rezultând în electrolizor rezultatul reacțiilor chimice ce au avut loc între electrozi.

Principalii componenți ai unei electrolize sunt:

1. Electrolitul: este substanța ce conține ioni liberi ce au rolul de a transporta curentul electric în electrolizor.2. Electrolizorul: este vasul în care se desfășoară electroliza;3. Generatorul de curent continuu: furnizează energia electrică necesară pentru a crea descărcarea ionică în electrolit.

Curentul electric este transportat printr-un circuit extern.4. Electrozii: sunt conductorii electrici care reprezintă interfața fizică între circuitul electric și electrolit. Ei sunt de două

tipuri: catodul și anodul.

Electrozii din metal, grafit sau din material semiconductor sunt folosiți pe scară largă. Pentru alegerea celui mai bun electrolit pentru electroliză se ține cont de reacțiile principale și secundare care au loc în timpul electrolizei și, bineînțeles, de costul de fabricație.

Procedeu

Procesul-cheie al electrolizei este schimbul de atomi și ioni prin îndepărtarea sau adăugarea de electroni din circuitul extern. Produsele necesare de electroliză sunt, în unele stării fizice diferite de la electrolit la electrolit și pot fi eliminate de unele procedee fizice. De exemplu, la electroliza soluției de clorură de sodiu, producția ca fi gazoasă și constă în degajarea de hidrogen și clor. Aceste producții gazoase formează bule pentru a fi colectate.

Un lichid ce conține ioni mobili (un electrolit) este produs prin:

Dizolvarea sau reacția dintre un compus ionic și un solvent potrivit acestuia (ca apa, de exemplu), pentru a putea produce ioni mobili

Topirea sau fuzionarea unui compus ionic, pentru a forma o topitură, prin încălzire.

Potențialul electric se aplică asupra electrolitului prin scufundarea electrozilor în electrolit, în vasul de electroliză. La electrozi,electronii sunt absorbiți sau cedați de către atomi sau ioni. Acești atomi care primesc sau pierd electroni pentru a fi încărcați trece în electrolit.

Oxidarea și reducerea electrozilor

Oxidarea ionilor sau a moleculelor neutre apare la anod, iar reducerea ionilor sau a moleculelor neutre apare la catod. De exemplu, este posibilă oxidarea ionului feros la ionul de fier la anod:

Fesuprafața → Fesuprafața + e–

De asemenea, este posibilă reducerea cianurii ferice la ferocianură la catod:

Fe(CN)suprafața + e– → Fe(CN)suprafața

Moleculele neutre nu pot reacționa la niciun electrod; de exemplu, p-Benzocuinona poate fi redusă la hidrochinonă la catod:

 + 2 e– + 2 H+ → 

Descriere cantitativă

Masa elementului separat prin electroliză este dată de legea lui Faraday sau legea electrolizei. Este proporțională cu cantitatea de electricitate vehiculată prin electrolizor.

Legi (după Faraday)

După Faraday, cantitatea de metal depusă la catod este proporțională cu cantitatea de curent (produsul dintre intensitatea curentului electric și timpul de electroliză) și cu echivalentul-gram al metalului depus.

 ,

unde m este cantitatea de metal depusă la catod (în grame), A este masa atomică a metalului, n este valența metalului, F reprezintă 96500 de coulombi per secunda, I intensitatea

curentului electric (în coulombi per mol), iar t este timpul de electroliză. Raportul   se numește echivalent electrochimic

Condiții de proces

În electroliză se ține seama de tensiunea de descompunere, care este tensiunea minimă la care se poate desfășura procesul și care depinde de potențialul de electrod, care este influiențat la rândul lui de poziția pe care o are substanța în seria potențialelor electrochimice. De asemeni, tensiunea de la bornele electrozilor trebuie să acopere și căderea de tensiune în electrolit, în contacte și în electrozi. Dacă în electrolit sunt mai mulți ioni de același semn, electroliza se produce cu o energie minimă.

Aplicații

Electroliza are aplicații industriale în electrometalurgie pentru acoperirea cu straturi protectoare a diferitelor metale feroase cu metaleneferoase (exemplu = tabla galvanizată), sau de a se extrage metaloizi (exemplu = extragerea clorurii de sodiu din apă). În metalurgie, se face prin electroliză purificarea unor metale (de ex. cupru), proces care mai poartă și numele de rafinare.

Obținerea gazelor

Obținerea hidrogenului și a oxigenului prin electroliza apei (hidroliză): se face în prezența unui electrolit (H2SO4 sau NaOH), deoareceapa pură nu poate conduce curentul electric. Clorul se mai poate obține prin electroliza soluției de clorură de sodiu;

Fabricarea sodei caustice/leșiei: se realizează prin electroliza soluției de NaCl - clorură de sodiu (saramură) .

Protecție anticorozivăS-a demonstrat, de-a lungul timpului, ca protectia anticoroziva prelungeste considerabil viata cladirilor de birouri, halelor de productie si depozitare, podurilor, navelor, avioanelor, asa cum s-a remarcat ca in lipsa sau insuficienta acesteia, duce în scurt timp la deteriorarea materialelor folosite în constructii, provocand daune importante. Astfel, tratarea suprafetelor pentru prevenirea coroziunii este esentiala pentru asigurarea longevitatii acoperirilor metalice.

Coroziunea

Coroziunea este un proces de alterare, datorat atacurilor chimice sau electrochimice asupra metalelor, sub acțiunea substanțelor de natură acidă și bazică. Coroziunea oțelului se produce sub acțiunea umezelii și a oxigenului, fiind accelerată de acțiunea sărurilor. Coroziunea atacă stratul superficial de vopsea de la suprafața metalului, trecând cu timpul la straturile următoare, viteza cu care acestea sunt atacate depinzând de o multitudine de factori cum ar fi: frecvența expunerii și durata ei, umiditatea, viteza și direcția vântului, praful, soarele, gradul de poluare a mediului în care se găsește piesa respectivă. De exemplu, se știe că bioxidul de sulf favorizează puternic corodarea zincului, motiv pentru care în lunile de iarnă intensitatea coroziunii este maximă, deoarece combustibilii folosiți la încalzire degajă cantități mari de bioxid de sulf.

Consecințele coroziunii:

Afectează funcționalitatea și aspectul

Costuri mai mari pentru recondiționarea suprafețelor.

Metode de prevenire a coroziunii

Acoperirea termica a suprafetelor prin zincare termica. Acoperirea suprafetelor prin galvanizare. Acoperirea suprafetelor prin pulverizarea metalelor.

Zincare termica

Zincarea se realizeaza prin scufundarea profilelor în baie de zinc pentru a asigura o protectie anticoroziva. In general zincarea termica se aplica la otelurile moi, aliajelele slabe din otel, la fonta si la otelul turnat. Procesul tehnologic de zincare termica cuprinde urmatoarele operatii: pregatirea suprafetelor înainte de zincare (degresare, spalare, decapare, spalare, fluxare, uscare), zincarea propriu-zisa si finisarea.

Pentru profilele foarte lungi, care nu intra total în baie, se aplica o imersie dubla pentru a acoperi întreaga suprafata. Durata imersiei variaza de la cateva minute pentru piesele subtiri, pana la 30 minute pentru profilele grele. în acest ultim caz, în urma imersiei pentru o perioada mai mare de timp, efectul termic poate duce la deformarea reperelor.

Electro-galvanizare

Electro-galvanizarea este acoperirea metalica cu un strat subtire de zinc, prin cufundare într-o baie cu solutie de zinc care se depune prin electroliza. Galvanizarea electrochimica se foloseste la reperele mici care nu necesita o protectie anticoroziva de lunga durata.

Metalizare

[Metalizarea] este procesul de pulverizare a metalului topit, cu ajutorul unui jet de aer comprimat pe suprafata de lucru. Metalizarea se poate face cu arc electric, cu gaze combustibile, cu plasma sau cu HVOF (High Velocity Oxygen Fuel - sistem de depunere a metalelor la viteza supersonica).

Echipamentele de metalizare sunt destinate conditionarii suprafetelor prin protejarea anticoroziva cu zinc, aluminiu si alte metale. Se pot utiliza atat manual, cat si în sisteme automatizate. Sunt folosite pentru protectii anticorozive, reconditionari, conditionari ale suprafetelor, depuneri decorative pe metale, lemn, sticla, materiale ceramice, piele, materiale textile, hartie, carton.

Comparatie intre metodele de protectie anticoroziva

Zincarea termica permite acoperirea cu un strat de zinc între 50-125 um. Este potrivita si pentru zincarea profilelor de mari dimensiuni si permite zincarea pe anumite portiuni dintr-un profil mare. De asemenea, zincarea printr-un astfel de procedeu nu este costisitoare si ofera o lunga durata de viata. Scopul zincarii termice este de a asigura o protecrie anticoroziva prin acoperire cu zinc, a produselor finite confectionate din otel sau fonta. Zincarea termica , respecta conditiile tehnice generale si de calitate impuse prin SR EN ISO 1461-2002.

Zincarea propriu-zisa consta în imersarea piesei pentru câteva minute în zinc topit, la o temperatura cuprinsa în intervalul de 445-460 gr. C. În general zincarea termica se aplica otelurilor moi, la aliajele slabe din otel, la fonta si la otelul turnat.

Conditii impuse pentru piesele ce urmeaza a fi zincate:

Se recomanda ca piesele ce urmeaza a fi zincate sa aiba puncte de prindere si suprafete cât mai accesibile. Se va urmarii ca structura de rezistenta mecanica a piesei sa fie cât mai egala dupa cele trei directii pentru a nu se deforma în baie.

Suprafata metalului de baza nu trebuie sa prezinte pori, fisuri, retasuri, incluziuni nemetalice, pete de vopsea, de ulei, grasime, zgura, oxizi, si alte defecte care pot persista si dupa zincarea termica, influentând negativ aspectul si calitatea acoperirii. Piesele vor fi proiectate si executate în conformitate cu cerintele specifice zincarii termice si conform STAS 7221-90. Pentru obtinerea unui strat zincat uniform ca grosime si calitate se impune ca, în compozitia otelului sa nu fie depasite urmtoarele valori: siliciul (0,12%-0,25%), fosforul (max.0,25%), carbonul (max.0,2%). manganul (max.1,5%). Otelul cu un continut de siliciu de peste 0,04% Si conduc la o crestere pronuntata a grosimii stratului depus, valoarea maxima fiind în jurul valorii de 0,08%Si. Între 0,08% Si si 0,17 Si, stratul de Zn începe sa scada, el creascând din nou pentru valori de peste 0,22%Si.

Aliajul folosit în baia de zincare are în compozitia sa si Ni, fapt ce permite cresterea fluiditatii aliajului cu consecinte pozitive asupra grosimii stratului depus pe piese.În aceste conditii suprafata devine mai lucioasa iar comportarea la uzura este mai buna.

Conditii impuse stratului de zinc

Pentru o zincare corecta se recomanda zinc cu o puritate minim de 98,5 %, conform STAS 646-88. Grosimea medie si masa stratului de zinc pe unitatea de suprafata corespund valorilor din tabelul 1.

Grosimea minima a acoperirii trebuie sa fie de minim 80% din valoarea prescrisa în tabel. Stratul de zinc trebuie sa fie continuu pe toata suprafata. Nu se admit parti neacoperite, puncte sau pete de rugina , acizi, flux, sau cenusa. Suprafata stratului de zinc

trebuie sa fie uniforma, lipsita de umflaturi, basici, exfolieri, sau acoperiri în exces. Culoarea stratului de zinc poate fi de la argintiu strlucitor pâna la cenusiu mat în functie de compozitia materialului. Remedierile defectelor de zincare se fac numai cu spray de zinc sau zinc-aluminiu.

Rezistenta la coroziuneAliajul de zinc depus prin zincare termica, protejeaza suprafata pieselor atât prin bariera ce se formeaza între otel si mediu cât si prin realizarea unei protectii catodice (zincul având potentialul electrochimic mult mai mic decât al fierului, devine anod în timp ce fierul devine catod). Se stie ca stratul de zinc este compus din substraturile: eta, zeta, delta, gama, alfa, care au duritati diferite si care sunt atacate succesiv de coroziune. Stratul eta fiind primul, este atacat în urmatoarele ore ce au trecut dupa procesul de zincare termica. Produsii rezultati din coroziune sunt invizibili la început, dar cu trecerea timpului ei devin evideti deoarece sunt de culoarea alba, sunt solubili si încep sa fie spalati de ploaie. Coroziunea trece cu timpul la straturile urmatoare, viteza cu care sunt atacate depinzând de o multitudine de factori cum ar fi, frecventa expunerii si durata ei, gradul de umezeala, viteza si directia vântului, praful, soarele, gradul de poluare al mediului în care se gaseste piesa respectiva. De exemplu se stie ca bioxidul de sulf favorizeaza puternic corodarea zincului, motiv pentru care în lunile de iarna intensitatea coroziunii este maxima, deoarece combustibilii folositi la încalzire degaja cantitati mari de bioxid de sulf.

Transportul si depozitareaPentru evitarea deteriorrii stratului de zinc, manipularea se face cu chingi din textile, iar asezarea pieselor zincate se va face pe grinzi (scanduri) din lemn sau tampoane din cauciuc (plastic), evitându-se zgarierea sau deteriorarea sub diverse forme a stratului protector de zinc.

Domenii de aplicatie:Infrastructura:

•drumuri •cai ferate •retele de transport energie electrica •telefonie si comunicatii Constructii civile si industriale: •cladiri administrative •mall-uri si centre comerciale •supermarket-uri •hale industriale Zootehnie si agricultura •ferme de animale •garduri imprejmuire Diverse structuri metalice •containere •scari si platforme •recipiente si subansamble industriale si casnice Mobilier stradal

Galvanizarea se foloseste la reperele mici care nu solicita o protectie anticoroziva de lunga durata. Este ideala pentru aplicarile cu cantitati exacte de metal dar nu este potrivita la metalizarea profilelor mari. Permite acoperirea cu un strat de zinc între 0-15 um.

Metalizarea se adreseaza reperelor de dimensiuni medii si mari, fiind ideala în acoperirea suprafetelor cu zinc, aluminiu si alte metale. Metalizarea cu arc nu este recomandata pentru repere mici sau pentru suprafete greu accesibile. Stratul de zinc cu care se pot acoperi profilele variaza între 50-200 um. Acoperirile cu metale prin metalizare se efectueaza conform standardelor internationale, asigurand o viata mult mai lunga reperelor procesate, fata de alte procese similare de zincare.

Costuri de mediu

Zincarea termica implica:

costuri de filtrare pentru emanatiile rezultate din baia de zinc topit costuri pentru depozitarea si reciclarea substantelor pentru degresare, decapare, spalare, în vederea pregatirii zincarii costuri energetice foarte mari.

Galvanizarea implica:

costuri premergatoare zincarii costuri de neutralizare pentru baia de galvanizare autorizatii specifice de mediu pentru utilizarea acidului clorhidric, o substanta cu un grad ridicat de risc.

Metalizarea este un proces cu un impact redus asupra mediului, singurul poluant rezultat fiind praful de zinc. Acesta poate fi colectat cu ajutorul filtrelor de desprafuire si apoi depozitat în saci.