В отличие от платины, на углеродных материалах (рис.3) до процесса выделения кислорода регистрируются токи, вызванные окислением поверхностных функциональных групп (ПФГ), а также электрохимическим внедрением нитрат - ионов в структуру графитовой матрицы:
nC + 3HN03 = СN03 2HN03 + Н+ + е (1)
Минимальные значения анодных токов отмечаются для стеклоуглерода, более высокие токи характерны для упорядоченной структуры пирографита, а максимальные для спектрального графита (СГ)- Электрохимическое внедрение наиболее легко должно протекать на пирографите, и, по-видимому, анодные токи в анализируемой области для данного материала, в основном, обусловлены реакцией 1. Неупорядоченная и достаточно пористая структура СГ будет способствовать окислению электрода, в связи с этим, высокие «токи в анализируемой области потенциалов для данного материала (рис.3) вызваны не только значительным увеличением истинной поверхности, но и параллельным протеканием реакций 1-3:
С + Н20 =(п-1)С +СО+ 2+26 (2)
C + 2H20 = (n-l)C + C02 + 4H4 + 4e (3)
Плавный ход кривой, характерный для суспензионного анода, связан с нивелированием влияния отдельных процессов на ход ПДК, и определяется особенностями макроструктуры электрода. Исследование влияния концентрации азотной кислоты на анодные процессы было проведено из соображения максимального приближения к реальным условиям на суспензионном графитовом электроде.
· Неоднозначная концентрационная зависимость анодных токов вызвана изменением соотношения скоростей электрохимического внедрения и процессов с участием, воды (реакции 2, 3 и образование рг). С ростом содержания воды в растворе последние реакции ускоряются, а процесс внедрения тормозится. Циклирование графита ГСМ-1 с постепенным смещением потенциала реверса в анодную область позволило установить, что необратимые процессы на электроде в 12,55М HNOs начинаются положительнее 1,4В, а в 2,96М растворе - положительнее 1,3В.
Проведенный комплекс экспериментальных исследований указывает на то, что электрохимический синтез образцов нитрата графита следует вести в интервале потенциалов от 1,5 В до потенциала 2,1 В (интенсивное выделение кислорода), с использованием более концентрированных растворов HNO3. Выявленное обратное восстановление СВГ и негативное влияние продуктов катодного разложения HN03 на процесс внедрения требуют обязательного разделения катодного и анодного пространств диафрагмой, как в электролизерах лабораторного назначения, так и в опытно-промышленных реакторах.
В четвертой главе представлены данные по электрохимическому синтезу, на основе дисперсного углеродного материала, соединений внедрения графита с азотной кислотой, влиянию режима анодной обработки и условий ее проведения на кинетику процесса и свойства получаемых соединений.
В связи с тем, что рентгенофазовый анализ при получении СВГ в азотной кислоте с концентрацией менее 65 % не обнаруживает классического ступенного строения, свойства синтезированных нами соединений оценивались по способности к терморасширению (по плотности пенографита) при г = 850...870°С. Именно образование пенографита является неоспоримым доказательством образования СВГ.
Анодная обработка графита ГСМ 1 в электрохимической ячейке (рис.1) при постоянном токе и заданном потенциале анода (Еа) позволила установить, что при потенциостатическом синтезе затраты электроэнергии на 10-50% ниже. При навесках графита в 0,2-0,3 г/см2 с толщиной слоя 0,7-1,1 см в используемом электролизере получали наиболее однородные по составу соединения с наименьшей плотностью пенографита (<1ш). Поэтому в дальнейшем все эксперименты в ячейке проводились с насыпным графитовым электродом в 0,5г (0,2 г/см ).
Ход потенциостатических кривых (рис.4) отображает комплекс последовательно-параллельных реакций: изменение состава ПФГ, электрохимическое внедрение (1), окисление углерода (2, 3), выделение кислорода. Как отмечалось ранее, необратимые реакции (2, 3 и выделение 02) начинаются при потенциалах положительнее 1,3-1,4В. Синтез образцов СВГ при таких потенциалах и даже более положительных (1,5-1,7 В) выявил, что процесс внедрения в 12,55 М НО протекаете очень низкими скоростями (< 5 мА/г) .Обработку в этом случае для получения нитрата графита, способного образовывать пенографит, необходимо вести более 10^-15 часов. Такое время синтеза неприемлемо для разработки технологии, так как в этом случае она становится неконкурентоспособной не только с химическим способом производства СВГ, но и электрохимическим получением БГ. Увеличение Е. приводит к значительному росту токов и повышению сообщаемой емкости в единицу времени. Согласно данным рисунка 5, проведение синтеза при потенциалах положительнее 2,1В нецелесообразно, в связи с этим, основная часть экспериментов по синтезу СВГ с HNC была проведена при указанном потенциале, который обеспечивает получение необходимой плотности пенографита.
Экспериментально была установлена возможность получения СВГ с HNO а широком интервале концентраций азотной кислоты (рис.6). Нитрат графита, обеспечивающий наименьшую плотность ПГ, при одинаковых условиях синтеза, согласно данным (рис.6), образуется в 8...9М растворах. В целом зависимость плотности пенографита от сообщаемой емкости сохраняется во всем исследованном интервале концентраций. Для получения СВГ с одинаковой степенью вспенивания снижение концентрации раствора до 6М практически не изменяет время синтеза, которое в менее концентрированных растворах закономерно увеличивается. Во всем интервале концентраций с переходом к растворам с низкой концентрацией затраты электроэнергии возрастают (табл. 1).
Калориметрические измерения при нагреве гидролизованных образцов нитрата графита выявили два тепловых эффекта (200...210, 250 °С), значения температур которых на 30...60° С ниже, по сравнению с аналогичными данными для бисульфата графита. Это позволяет предполагать более низкие температуры вспенивания нитрата графита (200...250СС), что показано экспериментально для ряда образцов. Микроструктура частиц пенографита (рис.7), выявленная с помощью растрового электронного микроскопа, позволяют утверждать, что получаемый нитрат графита при терморасширении образует пенографит с такими же свойствами, как и бисульфат графита. Это подтверждается и способностью пенографита прессоваться в гибкую графитовую фольгу. Образцы фольги были получены на основе нитрата графита, синтезированного в 9,0М Н по режиму, приведенному в таблице.
В целом оценивая полученные результаты по сравнению с данными синтеза бисульфата графита, можно утверждать, что расходы электроэнергии на синтез СВГ при использовании азотнокислых- растворов несколько возрастают, что объяснимо применением менее концентрированной кислоты. Однако, время синтеза для получения СВГ с одной и той же степенью вспенивания, в этом случае, можно сократить в 1,5 - 2 раза, что создает хорошие предпосылки для создания более производительной электрохимической технологии.
В главе 5 на основании полученных результатов показана принципиальная возможность получения СВГ с HN03 в электролизере барабанного типа, ранее разработанного на кафедре ТЭП ТИ СГТУ для синтеза БГ. Предложены варианты модернизации конструкций с целью увеличения производительности реактора. В частности • показано,- Что применение неподвижной диафрагмы и расположение катода под диафрагмой с освобождением полости барабана приводит к упрощению конструкции в целом и увеличению производительности за счет расширения реакционной зоны на 30-40%. Принципиальная схема одного из вариантов приведена на рисунке 8.
Выбраны возможные конструкционные, электродные и сепарационные материалы для создания опытно-промышленной установки электрохимического синтеза нитрата графита. Как показали экспериментальные исследования, в качестве сепарациоиных материалов применимы тканые и нетканые полотна на основе поливинил- 1 хлорида, микропористый полиэтилен, милормипласт. Конструкционными материалами могут служить титан, его сплавы и ряд нержавеющих сталей. С целью замены платины и металлов платиновой группы на более дешевые материалы было исследовано электрохимическое поведение нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титана ВТ-1 как в катодной, так и в анодной областях в 12.55М растворе HNO3. Сталь в 12,55М растворе азотной кислоты находится в пассивном состоянии, но в области потенциалов синтеза нитрата графита поверхность металла депассивируется и регистрируются достаточно высокие скорости анодного растворения стали. Несмотря на полученные результаты, была предпринята попытка применения стального токоотвода анода для суспензионного графитового электрода. Ранее, в аналогичной ситуации, при синтезе бисульфата графита было обнаружено, что под слоем графита анодное растворение металла практически отсутствует и поведение стального электрода было сопоставимо с поведением платины. При использовании растворов HNO3 подобного результата достичь не удалось. Графитовый слой терял электронный контакт со стальным токоотводом через несколько Минут после включения анодной поляризации и процесс внедрения полностью прекращался. Титан, как и сталь, обнаруживает в анодной области достаточно интенсивное растворение металла, в катодной - восстановление азотной кислоты. обработки поверхности титана, позволяющего практически полностью затормаживать процесс восстановления азотной кислоты, но не препятствующего выделению водорода со значительными скоростями. Полученный эффект можно проиллюстрировать рисунком 9.