Определение периода наращивания рыхлого осадка цинка с использованием методов интервального анализа

Особенностью получения металлических порошков электролизом на постоянном токе является изменение морфологии частиц по толщине слоя рыхлого осадка вплоть до образования крупных сферолитов. Для создания однородного по составу порошка необходимо периодически счищать осадок с катода. В настоящей работе обоснован выбор параметра, характеризующего изменение свойств рыхлого осадка, и предложен способ определения периодичности отделения его от катода. Рыхлые осадки цинка получали при температуре 25 °С из цинкатного электролита, содержащего 0,3 моль·л^–1 ZnO и 4 моль·л^–1 NaOH, при задании тока, превышающего в 6 раз предельный диффузионный ток в расчете на гладкий электрод. Непосредственно в процессе электролиза были выполнены измерения потенциала электрода, толщины осадка и объема выделившегося водорода. Перераспределение токов между выделениями металла и водорода приводит к изменению структуры частиц рыхлого осадка. Показано, что значение дифференциального выхода по току цинка является показателем, характеризующим изменение плотности рыхлых осадков цинка. Для осаждения однородного по свойствам рыхлого осадка его величина не должна превышать 0,96. Дальнейшее увеличение выхода по току приведет к образованию сростков на фронте роста осадка. Для определения периодичности удаления рыхлого осадка с катода предложено использовать эмпирическое уравнение зависимости дифференциального выхода по току цинка от времени. Проведен математико-статистический анализ данных, полученных в 6 параллельных опытах. Использование интервального подхода позволило существенно сузить трубку допустимых значений дифференциального выхода по току и, как следствие, определить с приемлемой точностью коэффициенты эмпирического уравнения и рассчитать время наращивания однородного по структуре осадка. Полученный подход может быть использован для оценки времени осаждения рыхлых осадков металлов, сопровождающихся выделением водорода.

цинковый порошок, электроосаждение, выход по току, время наращивания, параметры процесса, оценивание, методы интервального анализа

1. Neikov O.D., Naboychenko S.S., Yefimov N.A. Handbook of non-ferrous metal powders: Technologies and applications. 2-nd ed. Elsevier, 2019. DOI: 10.1016/C2014-003938-X.

2. Петрий О.А. Электросинтез наноструктур и наноматериалов. Успехи химии. 2015. Т. 84. No. 2. С. 159—193. DOI: 10.1070/RCR4438.

3. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М.: Металлургия, 1987.

4. Luca Mattarozzi, Sandro Cattarin, Nicola Comisso, Arianna Gambirasi, Paolo Guerriero, Marco Musiani, Lourdes Vázquez-Gómez, Enrico Verlato. Hydrogen evolution assisted electrodeposition of porous Cu—Ni alloy electrodes and their use for nitrate reduction in alkali. Electrochim. Acta. 2014. Vol. 140. P. 337—344. DOI: 10.1016/j.electacta.2014.04.048.

5. Shin H.-C., Liu M. Three-dimensional porous copper—tin alloy electrodes for rechargeable lithium batteries. Adv. Funct. Mater. 2005. Vol. 15. P. 582—586. DOI: 10.1002/adfm.200305165.

6. Blake J.P., Lathe A.J., Suresh K.B. Building with bubbles: the formation of high surface area honeycomb-like films via hydrogen bubble templated electrodeposition. Chem. Commun. 2015. Vol. 51. P. 4331—4346. DOI: 10.1039/C4CC06638C.

7. Ullah S., Badshah A., Ahmed F., Raza R., Altaf A.A., Hussain R. Electrodeposited zinc electrodes for high current Zn/AgO bipolar batteries. Int. J. Electrochem. Sci. 2011. Iss. 6. Р. 3801—3811.

8. Mojtahedi M., Goodarzi M., Sharifi B., Khaki J.V. Effect of electrolysis condition of zinc powder production on zinc-silver oxide battery operation. Energy Convers. Manag. 2011. Vol. 52. Iss. 4. Р. 1876—1880. DOI: 10.1016/j.enconman.2010.11.001.

9. Nekouei R.K., Rashchi F., Amadeh A.A. Using design of experiments in synthesis of ultra-fine copper particles by electrolysis. Powd. Tech. 2013. Vol. 237. Р. 165—171. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.01.032.

10. Nekouei R.K., Rashchi F., Ravanbakhsh A. Copper nanopowder synthesis by electrolysis method in nitrate and sulfate solutions. Powd. Tech. 2013. Vol. 250. Р. 91—96. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.10.012.

11. Nikolić N.D., Vaštag D.D., Živković P.M., Jokić B., Branković G. Influence of the complex formation on the morphology of lead powder particles produced by the electrodeposition processes. Adv. Powd. Tech. 2013. Vol. 24. Iss. 3. P. 674—682. DOI: 10.1016/j.apt.2012.12.008.

12. Sharifi B., Mojtahedi M., Goodarzi М., Vahdati K.J. Effect of alkaline electrolysis conditions on current efficiency and morphology of zinc powder. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 99. Iss. 1. Р. 72—76. DOI: 10.1016/j.hydromet.2009.07.003.

13. 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.

14. Orhan G., Gezgin J.G.G. Effect of electrolysis parameters on the morphologies of copper powders obtained at high current densities. Serb. Chem. Soc. 2012. Vol. 77. Iss. 5. Р. 651—665. DOI: 10.1016/j.powtec.2010.03.003.

15. Nikolić N.D., Branković G., Popov K.I. Optimization of electrolytic process of formation of open and porous copper electrodes by the pulsating current (PC) regime. Mater. Chem. Phys. 2011. Vol. 125. Iss. 3. Р. 587—594. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2010.10.013.

16. Nikolić N.D., Branković G., Pavlović M.G. Correlate between morphology of powder particles obtained by the different regimes of electrolysis and the quantity of evolved hydrogen. Powd. Tech. 2012. Vol. 221. P. 271—277. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.01.014.

17. Nikolić N.D., Branković G., Maksimović V.M. Influence of potential pulse conditions on the formation of honeycomblike copper electrodes. J. Electroanal. Chem. 2009. Vol. 635. Р. 111—119. DOI: 10.1016/j.jelechem.2009.08.005.

18. Pavlović M.G., Pavlović L.J., Maksimović V.M., Nikolić N.D., Popov K.I. Characterization and morphology of copper powder particles as a function of different electrolytic regimes. Int. J. Electrochem. Sci. 2010. Vol. 5. Iss. 12. Р. 1862—1878.

19. Jagtap R.N., Rakesh N., Zaffar H.S., Malshe V.C. Predictive power for life and residual life of the zinc richprimer coatings with electrical measurement. Prog. Org. Coat. 2007. Vol. 58. Iss. 4. P. 253—258. DOI:10.1016/j.porgcoat.2006.08.015.

20. Kalendová A. Effects of particle sizes and shapes of zinc metal on the properties of anticorrosive coatings. Prog. Org. Coat. 2003. Vol. 46. Iss. 4. P. 324—332. DOI:10.1016/S0300-9440(03)00022-5.

21. Соколовская Е.Е., Осипова М.Л., Мурашова И.Б., Даринцева А.Б., Савельев А.М., Мухамадеев Ф.Ф. Анализ структурных изменений осадка на основе мониторинга промышленного электролиза медных порошков разных марок. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2012. No. 1. С. 7—13. DOI: 10.3103/S1067821213060291.

22. Ostanina T.N., Rudoy V.M., Nikitin V.S., Darintseva A.B., Demakov S.L. Change in the physical characteristics of the dendritic zinc deposits in the stationary and pulsating electrolysis. J. Electroanal. Chem. 2017. Vol. 784. P. 13—24. DOI: 10.1016/j.jelechem.2016.11.063.

23. Nikolić N.D., Branković G., Pavlović M.G., Popov K.I. The effect of hydrogen co-deposition on the morphology of copper electrodeposits. II. Correlation between the properties of electrolytic solutions and the quantity of evolved hydrogen. J. Electroanal. Chem. 2008. Vol. 621. Iss. 1. Р. 13—21. DOI: 10.1016/j.jelechem.2008.04.006.

24. Nicolić N.D., Popov K.I., Pavlović L.J., Pavlović M.G. The effect of hydrogen codeposition on the morphology of copper electrodeposits. I. The concept of effective overpotential. J. Electroanal. Chem. 2006. Vol. 588. Iss. 1. Р. 88—98. DOI: 10.1016/j.jelechem.2005.12.006.

25. 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. Powd. Tech. 2008. Vol. 185. Iss. 3. P. 195—201. DOI: 10.1016/j.powtec.2007.10.014.

26. Якубова Т.В., Мурашова И.Б. Моделирование электрокристаллизации рыхлого осадка из водного раствора. Локализация реакции восстановления водорода и пути его удаления. Электрохимия. 1995. Т. 31. С. 463—486.

27. Осипова М.Л., Мурашова И.Б., Даринцева А.Б., Онучина Д.Л. Выход по току дендритного медного осадка для порошка марки ПМС11 как параметр, определяющий его структуру. Гальванотехника и обраб. поверхности. 2012. Т. 19. No. 3. С. 35—41.

28. Останина Т.Н., Рудой В.М., Никитин В.С., Даринцева А.Б., Залесова О.Л., Поротникова Н.М. Определение поверхности дендритных электролитических порошков цинка и оценка ее фрактальной размерности. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. No. 3. С. 15—20. DOI: 10.3103/S1067821216010120.

29. Diggle J.W., Despić A.R., Bockris J.O. The mechanism of the dendritic crystallization of zinc. J. Electrochem. Soc. 1969. Vol. 116. Iss. 11. Р. 1503—1514. DOI: 10.1149/1.2411588.

30. Р 40.2.028—2003. Государственная система обеспечения единства измерений. Рекомендации по построению градуировочных характеристик. Оценивание погрешностей (неопределенности) линейных градуировочных характеристик при использовании метода наименьших квадратов. М.: Госстандарт, 2003.

31. Jaulin L., Kieffer M., Didrit O., Walter E. Applied interval analysis. London: Springer-Verlag, 2001.

32. Shary S.P. Finite—dimensional interval analysis. URL: http://www.nsc.ru/interval/Library/InteBooks (accessed: 01.09.2019).

33. Kumkov S.I. An estimation problem of chemical process with confluent parameters: An interval approach. Reliable Comput. 2016. Vol. 22. P. 15—25.

34. Kumkov S.I., Mikushina Yu.V. Interval approach to identification of catalytic process parameters. Reliable Comput. 2014. Vol. 19. Iss. 2. P. 197—214.