Questa medodo di preparazione l'avevo messo a punto qualche anno fa, utile a produrre polvere di nichel nel range 50-100µm. Il punto di partenza è un vecchio brevetto americano del 1941-
Patent US 2233103
Avevo replicato quella preparazione ma anche se tutto aveva funzionato a dovere i risultati non mi avevano proprio soddisfatto: polvere metallica difficile da staccare dal catodo e tempi lunghi. Ho quindi eliminato la tradizionale alimentazione del bagno in corrente continua e sostituita con una pulsata alla frequenza di 2,4 KHz. I risultati sono arrivati polvere facile da staccare e possibilità di ottenere setti filtranti metallici.
Materiali e reagenti usati:
- alimentatore stab. in c.c.
- alimentatore in corrente pulsata
- ciotola in vetro pirex da 500ml
- elevatore
- mantello riscaldante "Isomantle" da 150W
- termostato controllato da vertex
- lamina sottile da 1,5 mm in acciaio inox come catodo
- barretta da 10mm di spessore di Ni elettrolitico come anodo
- NH
4Cl soluzione al 20%
- NaOH soluzione al 20%
Replicazione del brevetto US223310
In F1A,B,C l'insieme dell'attrezzatura usata con particolari.
In
F2 barra di nichel elettrolitico da cui è stata tagliata la barretta usata come catodo
Nel recipiente in pirex ho caricato 200ml di NH
4Cl al 20%, aggiungendo lentamente la sol di NaOH al 20% sino a che il pH della soluzione è intorno ad 8 (questo paticolare è importante) il controllo del pH con una cartina indicatrice è sufficiente, per 200ml sono necessari circa 4ml di NaOH 20% l'elettrolita viene portato e mantenuto a 30 ºC.
Seguendo le indicazioni del brevetto la superficie esposta del catodo è la metà di quella dell'anodo, la densità di corrente al catodo deve essere di 21,6 mA/cm
2 ed all' anodo 10,8 mA/cm
2, considerate le superfici esposte all'elettrolita, ho impostato l'alimentatore in continua per una corrente di 80 mA con una tensione di alimentazione di 1,26V e proceduto con l'elettrolisi.
All'nizio nella soluzione sono presenti solo ioni NH
4+ , Cl
-, Na
+, OH
-, al catodo si ha produzione di H
2, all' anodo Cl
- che interagisce con il Ni dell'elettrodo.
Solo dopo 15 min. di funzionamento la soluzione prima trasparente inizia a colorarsi di blu segnale indicante la formazione di ioni di un complesso Ni-ammonio, [Ni(NH
3)
6]
++, contemporaneamente inizia a depositarsi Ni al catodo. Dopo 3 ore di funzionamento fermo l'impianto ed estraggo la lamina del catodo, dopo averla ben lavata con H
2O distillata la faccio asciugare e procedo a staccare la polvere dal catodo aiutandomi con una spatolina.
Riattaccato il catodo all'apparecchio continuo con un secondo ciclo di deposito, dopo una serie di questi cicli il colore della soluzione vira al verde sempre più intenso e questo indica la presenza di ioni Ni
++ in quantità consistente, fermato l'apparecchio secondo le indicazioni del brevetto procedo alla correzione del pH che è sceso di parecchio riportandolo a 8 Con sol. di NaOH. Sostituisco quindi l'anodo di Ni con uno inerte, lastrina di grafite (ricavata da una spazzola di un motore a collettore),
F3 e continuo con l'elettrolisi, il metallo continua a depositasi sul catodo ed il colore della soluzione si schiarisce sempre più riprendendo il colore blu, (il problema piuttosto fastidioso a questo punto e la formazione di Cl
2 all'anodo di grafite quindi o si mette tutto sotto una cappa o si procede ad adeguata ventilazione del locale) alla fine quando la sol. è sufficiente chiara con tonalità sul blu rimetto l'anodo di Ni.
in
F3 l' elettrodo in grafite
Note applicative:
La densità di corrente sopra indicata e quella ottimale per ottenere polvere che aderisce in modo corretto, se è inferiore la polvere non aderisce e precipita sul fondo, se è superiore aderisce in modo eccessivo e diventa quasi impossibile staccarla dall'elettrodo; il pH va sempre tenuto intorno ad 8
Variante introdotta al brevetto US2233103
Siccome la polvere non rientrava nelle caratteristiche da me desiderate ho pensato di utilizzare un alimentatore a corrente pulsata che avevo disponibile ( vedi F1A,B quello superiore).
Questo alimentatore l'avevo usato per la desolfatazione di batterie al Pb (sia pure con mediocri risultati). Il generatore usato lavora su frequenza fissa di 2400 Hz e permette una regolazione dei picchi di tensione in uscita da 0 a 20V. Il bagno elettrolitico resta lo stesso della descrizione precedente e così pure le procedure usate.
Le letture di tensione e corrente assorbite non è più possibile effettuarle con normali strumenti ma viene fatta con un oscilloscopio ai capi degli elettrodi, ed ai capi di uno shunt inserito in serie al circuito per quanto riguarda la misura della corrente.
In
F4 i rilievi oscillografici di V ed I in ingresso alla cella elettrolitica
I valori di V ed I rappresentati nei due grafici rappresentano le condizioni migliori di lavoro della cella che garantisce decisa adesione delle polvere all'elettrodo e nello stesso tempo facilità di estrazione, con questo metodo ho ottenuto polveri di Ni da 50 a 100 µm.
Da notare che i picchi di corrente da 3,9A usati in questa procedura corrispondono ad una densità catodica di 1160 mA/cm
2, anche se di picco, ben superiore ai 21,6 mA/cm
2 della metodologia precedente, i risultati si vedono subito, ora per caricare di polvere l'anodo basta un'ora contro le 3 ore precedenti.
Interessante in questa procedura è che giocando sulle ampiezze degli impulsi di corrente si possono ottenere anche setti porosi metallici.
in
F5A, B, l'anodo caricato di polvere dopo lavaggio ed asciugatura,
A in condizioni standard per la produzione di polvere,
B con impulsi di corrente più elevati i granuli aderiscono strettamente fra di loro, la struttura rimane però permeabile.
in
F6 polvere di Ni ottenuta dall'anodo di
F5A
in
F7 particolari dell' anodo caricato di polvere a 2 diversi ingrandimenti le viste si riferiscono all'anodo di
F5B
Note applicative:
L'aggiunta di 20 ml di acetone ai 200 ml di soluzione aiuta ad ottenere polvere + fine anche se vista la temperatura, non dura tanto in soluzione.
Aumentando ulteriormente i picchi di corrente si arriva ad ottenere una lastrina con i singoli grani di metallo strettamente saldati fra di loro ma nello stesso in una struttura spugnosa, una sorta di sinterizzazione ottenuta per via elettrolitica.
Un esempio di questa applicazione in
F8, un rivestimento di Ni spugnoso su filo di Ni-Cr.
Questo filo portato ad alta temperatura, 300-350ºC e sottoposto ad una serie di cariche di H
2 e successive scariche ha manifestato un' inusuale variazione della sua resistenza elettrica.
Bibliografia:
- Production of nickel powder
- Electrolysis of ammonium chloride
- Electrowinning of nickel from ammoniacal sulphate bath and effect of acetone …
- Investigation of the electrolytic preparation of nickel powder
