Химия и Химики № 1 2022
Журнал Химиков-Энтузиастов
| Оглавление | Видео опыты по химии | Видео опыты по физике | На главную страницу |
|
Химия и Химики № 1 2022 Журнал Химиков-Энтузиастов |
Гальваническая ванна олово-висмут (детективная история) ч.2 Tin-bismuth electroplating bath (detective story) Добрьій Химик |
|
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Начало (ч.1) [ссылка]
Хорошо. Точнее - плохо, поскольку я понял причину - в этот раз правильно. В электролите - много серной кислоты, внешний корпус - дешевая сталь. Проблема не просто в электрическом пробое на корпус, а в том, что серная кислота растворила железо. Дренажа там нет, и все, что растворялось, - попадало в ванну (в основную массу электролита). Железо - одна из нежелательных примесей и не только в ванне олово-висмут: дело в том, что железо создает "электрохимические качели": двухвалентное железо окисляется до трехвалентного на аноде, а оно снова восстанавливается до двухвалентного на катоде. Вместо осаждения олова идет этот бесполезный процесс. Если бы в электролит попал металл, более благородный, чем олово (например, медь) - его можно было бы удалить т.н. проработкой: вместо покрываемых изделий к катоду ванны подключают зигзагообразную пластинку и включают ток. В результате на пластинке в первую очередь осаждаются примеси (более электроположительные металлы), частично и само олово - но ним можно пожертвовать. Когда электролит отчистится, проработку прекращают и вешают к катоду покрываемые детали. Но железо проработкой не удалишь (из данной ванны). Пробовали проработку много раз: и до, и после того, как была установлена причина, - безрезультатно. А как доказать, что мешает именно железо? Для этого я взял с "золота" (из комнаты, где стояла ванна золочения) другой блок питания, который позволял давать ток 0.5 А (наш - от 1 А, я догадывался, что это - слишком много). Мастер показал, как ним пользоваться, но я по дороге в лабораторию забыл. Ничего: загуглил марку - скачал паспорт, пару минут почитал - опять разобрался. Подключил к ячейке Хулла, дал 0.5 А, испробовал разные вариации состава электролита (исходный электролит из большой ванны олово-висмут без корректировок и с корректировками состава). В результате во ВСЕХ вариантах на участке пластинки, которая отвечает низким плотностям тока, не было оловянного покрытия. Никакая проработка электролита в ячейке не помогала. Т.е., в электролите есть примесь, которая не дает покрытию ложиться при низких плотностях тока и никак не устраняется (приемлемыми для большой ванны методами). Вероятнее всего - железо.
Старая ванна не работает, заменить электролит - директор скупится, заказы выполнять надо. Что делать? Я предложил "отрезать коту хвост по частям" - раз одним махом и с минимум страданий нельзя. Закупить реактивы для ванны объемом, скажем 100 л: не так дорого, но в ней можно будет начать делать заказы. Искали, где дешевле, ныли, но таки купили сульфат олова (II), нитрат висмута, выделили серную кислоту. Хлорид натрия и ОС-20 были у меня в кладовке. Притащили пластиковую ванну (без внешнего металлического корпуса). Еще притащили блок питания - он был больше, чем сама ванна раза в 2 (лабораторный блок такую ванночку не потянет). Как готовить электролит - никто не знает и негде прочитать. Впрочем, для меня это была не проблема. Химию я как раз знаю. Сульфат олова и нитрат висмута следует растворять в воде с хорошей добавкой серной кислоты. Стоит ванна. Я без левой мысли начинаю готовить электролит. Сначала - налил воды в ванну, потом - серной кислоты (память подвела - было не совсем так, см. ниже). Потом нужно - растворить нитрат висмута. Для этого в пластиковое ведро налил немного деионизированной воды, добавил серную кислоту, перемешал, после кислоты добавил нитрат висмута. Перемешиваю палкой - растворяется туго. Таки растворилось (полностью или нет - не помню). Беру ведро в руки, чтобы вылить его в ванну. Тут подходит ко мне какое-то чмо (по-моему, начальник электриков) и начинает орать, что ванну следует поставить на полметра дальше: - Не лей в нее ничего, иначе она лопнет, когда ты ее будешь двигать! Тем временем вода от взаимодействия с кислотой сильно нагрелась, и пластиковое ведро начинает плавиться прямо у меня в руках... Мимо воли думаю: "Чтобы стукнуть ему по морде, нужно сначала что-то сделать с ведром. Иначе руки заняты..." Суслик ты перепончатокрылый! Откуда вообще ты тут взялся!? Оттеснил его от ванны и вылил туда содержимое ведра. Ванну действительно нужно было сначала поставить на окончательное место, а потом уже - готовить в ней электролит. Даже 100 л воды - 100 кг, а ванна пластиковая (и хлипкая). В полном виде она нетранспортабельная. Но набрасываться на человека с ведром горячей кислоты в руках - смело, только смелость такая - от глупости (он понятия не имел, что у меня в ведре и какая его температура). Передвинул ванну. Продолжил готовить электролит. Растворяю сульфат олова. Приперлась зав. техбюро. - А вы знаете, что сульфат олова нужно растворять в серной кислоте? - Знаю. Обошлось без грубостей-жесткостей: она сама поняла, что путаться под ногами у человека, который работают с опасными веществами,.. "минздрав не рекомендует". Несмотря на старания "помощников", ванну приготовил. И сразу она стала работать. В этой ванне сначала покрывали детали, чтобы покрытие легло в места, где низкая плотность тока, потом заканчивали процедуру в большой ванне (той, где электролит загрязнен железом). Временное решение найдено, но только временное: большую ванну все равно необходимо заменить - и электролит, и пластиковый корпус ванны (если он раз прохудился, значит, это - только начало). Директор вроде бы согласился, но все равно тянул резину.
Прошел уже месяц, как большую ванну решили заменить. Так и не поменяли, работали по принципу: маленькая ванна, потом большая. В очередной раз мастер просит меня сделать анализ: маленькая ванна тоже вышла из строя. Та же проблема. Рассердился (сколько можно делать этих анализов!) За 2 месяца я больше сделал анализов этой ванны, чем предшественники за 20 все лет до меня. Преимущественно - по указанию директора, но не только. У директора фраза: "Сделай анализ ванны олово-висмут" вообще стала эквивалентом слова "Здрасьте!". Повозмущался, сколько еще бессмысленных анализов делать!? И пошел отбирать пробу. Маленькая ванна: смотрю, а болты, на которых крепятся оловянные аноды, погружены в электролит - в двух анодах их четырех. В электролите - серная кислота и сульфат олова, болты из стали, явно - из черной. Конечно, в электролит будет попадать железо. Удивительно, как вообще болты не растворились (анодное растворение в серной кислоте концентрации около 100 г/л). Вернулся. Сначала ткнул носом зав. техбюро, потом старшего мастера, потом их любимчика - гальваника (того, что хитрый слишком). - Выйдет из строя и эта ванна: сами будете выбивать из директора реактивы и сами готовить новую.
К счастью, в этот раз корректировка маленькой ванны помогла, работу продолжили. Но в результате люди два месяца мучились (бегая между двумя ваннами), а директор пока не решился купить компоненты для приготовления большой ГОСТовской ванны. Еще в самом начале - ДО того, как удалось установить причину, я написал следующее: "Вышла из строя ванна олово-висмут. Решение очевидно - вылить ее и сделать новую, но это дорого, поэтому хотят что-то сделать, чтобы реанимировать покойника. Только реанимация больше похожа на эксгумацию. Хотят разбавить ванну водой в два раза, [потом] вернуть концентрацию кислоты и продолжить работу (даже без проработки - срочные заказы...). А детали не покрываются. В результате мне приходится делать кучу анализов и постоянно работать на ячейке Хулла (такой вариант, такой вариант, а может слить не ванны 50%, а 40, не 40, а 39%...)" Эмоционально, зато почти верно. Ошибка разве что в том, что менять нужно не только электролит ванны, но и сам корпус (иначе новый электролит тоже загрязится железом). Наконец директор-таки согласился купить все необходимое для приготовления нового электролита ванны и заказать новый пластиковый корпус. Корпус изготовили в соседнем городе, привезли. Некоторое время он стоял в проходе, потом слесаря демонтировали старый, установили новый.
Рассчитал, сколько всего нужно для приготовления ванны. Купили, со временем - привезли. Теперь ванну предстояло приготовить - самому. Раньше я такие большие ванны - порядка 1 м3 никогда не готовил, но принципиальных трудностей не видел. Директор выделил на помощь инженера из другого цеха, но я решил, что лучше обойдусь без него. Плюс я уже знал, что в самый неподходящий момент может прибежать куча "помощников" со своими "ценными" указаниями - поэтому морально был готов посылать всех и подальше. Начал с того, что налил в ванну литров 200 воды и шуронул туда две 10-л канистры концентрированной серной кислоты. Перемешал веслом из нержавейки, весло поставил в ванне, опер об корпус. Весло, разумеется, соскользнуло и упало в горячую кислоту. Резиновые перчатки были - в лаборатории (на этаж выше): подняться за ними, разумеется, поленился. Полез рукой в горячую кислоту. Больно, однако: ожог получился шикарный. С горя взял пластиковую лопатку и подцепил край весла. Дальше - растворения нитрата висмута в пластиковом 10-л ведре: сначала вода, потом - серная кислота для подкисления (по памяти - не менее литра), потом добавляешь висмут (нитрат) порциями и перемешиваешь. Потом все это с божьей помощью - в ванну. Ах да, забыл написать: при приготовлении прошлой маленькой ванны (той, что на 100 л) я сначала налил в нее концентрированную серную кислоту, только потом спохватился и добавил воду (поверх тяжелой кислоты). Вскипания не последовало, но полетел едкий аэрозоль - ванночку пришлось накрыть. В этот раз я такой глупости не сделал (в противном случае пластиковый корпус большой ванны не выдержал бы: его и так деформировало от нагрева - слесарь, который проходил мимо, даже испугался). Сульфат двухвалентного олова - просто порциями высыпал в ванну. Потом перемешивал пластиковой лопаткой. Осадок оказался тяжелым и быстро оседал на дно. Ничего: никуда он не денется - постепенно растворится. Пока гонял осадок по дну, пришел начальник. Осторожно заглянул в ванну, что-то спросил, убежал. В этот раз под горячую руку никто не лез... Рабочие подходили, интересовались, но не мешали: они отлично понимали, чего делать не следует. В процессе перемешивания сульфата олова вылил большую часть серной кислоты. Не порциями - залпом: ставишь канистры вверх дном в ряд на катодные и анодные штанги - содержимое выливается в ванну. Всего использовал 4 канистры и почти половину 5-й. Хлорид натрия просто растворил в ведре (можно было и напрямую в ванну высыпать). Неприятная проблема - добавка ОС-20. Что-то вроде столярного клея или полигликолей. Растворять ее надо в горячей подкисленной воде, причем растворяется она медленно. Где я нагрею воду? Ни слова больше: в ведро наливаешь воду, добавляешь концентрированную серную кислоту, перемешиваешь - получаешь ведро горячей воды. Так ведро за ведром я растворял ОС-20. Растворялось не до конца, схватывалось комками, но меня не радовала перспектива сидеть здесь до ночи: выливал одно ведро, готовил новое. Если останутся нерастворенные комки - плохо, т.к. рабочие жалуются, что они прилипают к изделиям. На поверхности ванны образовалось много пены, поэтому комки были плохо заметны. Ничего - до следующего дня растворилось. Часа за полтора ванну приготовил. Воду не стал доливать до уровня - на всякий случай. Решил запускать так. Старший мастер сказала: -Ванна не приготовлена - нужно добавит воды до метки! - Нужно? Где шланг знаете? Вперед! - Та налила в ванну воды. Директор увидел - очень разозлился.
На следующий день ванну олово-висмут попробовали запустить - покрытие получалось с черными точками, причем их видно не сразу, а если провести по покрытию пальцем. Версия была только одна - сульфат олова был с примесями. Ванну я готовил из новой партии. Поставили ванну на проработку. У директора в результате - "немного плохое настроение": вместо поиска причины начался поиск виноватых. За все выгребла старший мастер: ведь ясно, что ванна не работает не из-за того, что она долила туда воды. Я сказал напрямую, что сульфат олова, который мы купили, могли ржавыми лопатами с пола склада соскребать, а потом перефасовали и продали как чистый продукт. Не помогло, аргумент - этот продукт я уже использовал для корректировки действующей ванны (меленькой) - она продолжила работать. Так, то так, но там его 1/5, остальное - старый. Зав. лаб (по факту она - технолог другого цеха) сказала, что новые ванны почти никогда сразу не работают - нужна проработка электролита. И действительно: после нескольких часов проработки ванна начала давать нормальное покрытие олово-висмут. Новая ванна работала, а старый электролит стоял в цеху в открытом "кубике", накрытом полиэтиленовой пленкой. Простоял долго, по правилам его нужно было сдать на утилизацию. В один прекрасный день директор вспомнил про отработанную ванну олово-висмут и дал задание сделать ее анализ. Мало того, что я сколько раз делал анализ, пока эта ванна работала, так теперь еще анализируй отходы... Зачем? Директор захотел, чтобы я добавил известь в отработанную ванну и порциями слил ее в канализацию. Проанализировал, посчитал, что нужно 80 кг негашеной извести. Если я ее добавлю в срезанный кубик - его содержимое будет на полу цеха. Зав. лаб. посоветовала развести известь отдельно и отдельно слить ее в канализацию - чтобы хоть там нейтрализовать. А кислоты в ванне было немало: 121 г/л + 42г/л сульфата олова - при общем объеме 700 л. Только развести известь не в чем (нет подходящих емкостей). Сказал рабочим в конце дня просто откачать в канализацию 300 л. Это до 40 кг чистой кислоты. Рабочие - не сделали. Ладно, думаю: нечего затягивать. На следующий день вылили отработанную ванну олово-висмут в ливневую канализацию. Именно в ливневку лить приказал директор. Ванна была в срезанной кубовой пластиковой емкости. 1-й вопрос: как ее вытащить из цеха: ливневка на улице. Сходил, попросил роклу (тележка гидравлическая). Пока искал, где можно взять роклу, приперся менеджер фирмы (той, где я неофициально работаю) - он пытался меня вызвонить, а я телефон оставил на столе (когда шел к директору). Пришлось идти в лабораторию, чтобы дать ему оборудование, которое он просил. Поднял роклу лифтом, присобачил под "кубик" с ванной. Смотрим с бригадиром - вдвоем не потянем. Для полного счастья, кубик срезан сверху - т.е. открытый. Когда будем везти через порог цеха - разольем все на себя. Если надобрать ведрами и слить в канализацию цеха - загадим весь пол. Пошли на обед. Подумал и решил-таки надобрать ведрами, а потом уже везти. Вынес на улицу и слил в ливневку 40 ведер. Теперь везти стало нормально - до тех пор, пока не застряли на пороге. Пробовали приподнять доской и монтировкой - бесполезно. Помогло только когда опустили роклу - так смогли протолкнуть сквозь порог, но волны в кубике были метровые - а в электролите больше 100 г/л серной кислоты. Залили полдвора. Гальваник был в рабочем костюме, я - в кислотостойком лабораторном халате, ботинках и обычных штанах. Оба мы отошли - иначе бы обрызгало с головы до ног. Дальше по двору - легко. Подкатили к колодцу и открыли нижний сливной кран. Директор сказал слить половину, я слил все содержимое (включая 10 см осадка диоксида олова) - чтобы не растягивать удовольствие. А чтобы разбавить - положил шланг с водой, которую использовали для полива сада, открыл на полную. Потом помыл кубик из шланга и затащил его в цех. 700 л·121 г/л = 85 кг серной кислоты и килограммов 35 сульфата олова (II) в Днепр. Это при том, что олово дорогое. Так что, когда это предприятие перенесут из города, а точнее - закроют, природа станет чище. Какая мораль? Скупой платит не дважды, а постоянно. Кроме двух вышеизложенных правил устранения неполадок в гальванике я бы сформулировал третье: "Гальваническая ванна не может работать вечно". Т.е., если дело точно не в оборудовании и не в надлежащей подготовке поверхности, если корректировка состава электролита не помогает, фильтрация не помогает, различные процедуры по очистке ванны не помогают (например, проработка или попытка осадить вредные примеси) - значит, ванну пора менять.
Дополнение (ч.3) [ссылка] |
|
Комментарии
К1
Я бы старую ванну проработал большим током, чтоб извлечь металлы. Можно получить до 10...20 кг металла олово-висмут. А потом уже нейтрализовать и сливать.
|
