Elektroliz Yöntemi İle Toz Üretiminde Anot Yüzey Alanının Toz Boyutu ve Şekline Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 211, Elazığ, Turkey Elektroliz Yöntemi İle Toz Üretiminde Anot Yüzey Alanının Toz Boyutu ve Şekline Etkisi E. Uzun 1 ve M. Boz 2 1 Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Karabük, elifuzun@karabuk.edu.tr 2 Karabük Üniversitesi, TeknTeknoloji Fakültesi, Karabük, mboz@karabuk.edu.tr The Effect Of Anode Surface Area On Powder Particle Size And Shape Of Copper Powder Produced By Electrolysis Method Abstract In this study, the production of copper powders was carried out by using different anode surface area (25, 5, 75, 1 mm 2 ). The effect of anode surface area on powder particle size and shape was examined in detail. Laser particle measurement machine and scanning electron microscope (SEM) were also used to measure particle size and evaluation for particle shape respectively. Experimental results indicated that powder particle size decreased correlatively the anode surface area which was increased from 25 mm 2 up to 75 mm 2. In addition, the powder particle size increased while using 1 mm 2 anode surface area. Moreover, it was observed that the coarse acicular dendritic powders formed as spherical shape by increasing anode surface area. However, the combination of global acicular and dendritic powder particle was evaluated in the 1 mm 2 anode surface area. T Key Words Electrolyze, Powder Metallurgy, Copper Powder I. GİRİŞ OZ metalurjisinde diğer metallere oranla bakır tozu önemli bir yer almaktadır. Hem iyi bir katı yağlayıcı olarak hem de termal ve elektrik iletkenliği yüksek olan bir metal olarak çoğu elektronik aksamlarda ve endüstrinin çeşitli yerlerinde bakır kullanılmaktadır [1,2]. Dünya toz metal piyasası yıllık %12 oranında genişlemektedir. En çok kullanılan metal tozu %85 oranla demir çelik tozudur. İkinci sırada %6 - %7 ile bakır ve alaşımları gelmektedir. Genellikle %9 bakır, %1 kalay alaşımlı bronz tozları kendinden yağlamalı yatak üretiminde kullanılmaktadır [3]. Bakır tozu üretim yöntemlerinden elektrolitik toz üretim metodu %1-2 lik bir değere sahip olsa da genellikle iyi sinterlenebilen, preslenebilen ve yüksek saflıktaki tozların üretilmesine imkân tanır [3, 4]. Bu yüzden özellikle elektronik sanayinde kullanımı çok yaygındır. Bunun yanında son yıllarda, değişik elektroliz yöntemleri sayesinde daha özellikli tozlar elde edebilmenin yanında toz kalitesi ve maksada uygunluk yönünden hayati öneme sahip olan tozların belirleyici özelliklerini tahmin edebilmenin mümkün olduğu görülmüştür [3]. Metal tozlarının fiziksel özelliklerinden olan tane boyutu ve şekli üretim tekniklerine bağlıdır. Bakır tozları birçok yöntemle üretilmektedir. Bakır tozu elektrokimyasal yöntemle, bakır oksitin indirgenmesi yöntemi ile, kimyasal çöktürme yöntemi ve atomizasyon yöntemi ile dört farklı şekilde üretilmektedir [1,2,5,6]. Bu çalışmada bakır tozu üretimi için elektroliz yöntemi kullanılmıştır. Elektroliz kapalı devre çalışan ve çevre kirliliğine duyarlı bir yöntemdir. Kurulum maliyeti ve uygulama maliyeti düşük ve aynı zamanda yüksek saflıkta metal üretimi gerçekleştirilebilen bir yöntemdir. Diğer yöntemlerle kıyaslandığında yüksek mukavemetle ve daha az oksijen içeren toz üretimi için daha avantajlıdır. Diğer bir avantajı ise üretilen tozun yoğunluğu daha geniş bir aralığa sahiptir (,4-4 g/cm 3 ) [7]. Çoğu araştırmacı ve yenilikçiler [8-16] potantiostatik ya da galvanostatik yöntem ile sülfatlı çözeltiden bakır tozunun elektro depolanma yöntemini kullanmaktadırlar. Bir elektrokimyasal proseste kütle taşınımındaki artış çözelti parametrelerinin (konsantrasyon, difüzyon katsayısı, viskozite vb.) ya da elektrotun fiziksel ve geometrik özelliklerinin (yüzey alanı, hacim/alan oranı, elektrot ile elektrolit arasındaki hareketin arttırılması) değiştirilmesi ile sağlanabilir [17]. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE YÖNTEMLER Bu çalışmada elektroliz yöntemi ile toz üretiminde Tablo 1 de verilen anot yüzey alanı ve bakırsülfat miktarı değişken seçilerek bu değişkenlerin üretilen tozların şekil ve boyutlarına etkisi incelenmiştir. Tablo 1: Elektroliz deneyleri değişken parametreleri Elektrolit Çözeltisi Kimyasal Miktarı (g/l) (Bakır Sülfat) 38 (Sülfürik Asit) 15 (Borik Asit) 4 Anot Yüzey Alanı (mm 2 ) Akım Yoğunluğu (Amper/m 2 ) 3 Elektroliz işlemi için 3 litre elektrolit kapasiteli ve tabana doğru huni şeklinde daralan tabut formlu cam malzemeden imal edilmiş elektroliz hücresi kullanılmıştır (Şekil 1). Tablo 2 de görüldüğü üzere hücre, anot, katot, elektrolitik sıvı, ısıtıcı, toz toplama kabı, elektrolitik sıvının karışımını sağlayan pompa ve akımı sağlayan ayarlanabilir bir güç 83

2 E.Uzun, M. Boz kaynağından oluşmaktadır. Elektrolit sıvısı için sülfürik asit, bakırsülfat ve borik asitin saf su ilavesi ile elde edilen çözelti kullanılmıştır. Bakır sülfat çözünerek bakır iyonu sağlarken, sülfürik asit asidik ortam oluşturarak hidrojen iyonları ile elektrik iletkenliğini artırmak üzere ve borik asit ise bakır tozlarının katot yüzeyine soğurulmasını engellemek amacı ile kullanılmıştır. Kullanılan kimyasalların konsantreleri bakır sülfat için 38g/l, sülfürik asit için 15g/l, borik asit için ise 4 g/l değerlerindedir. Tablo : Elektroliz cihazı ekipmanları. Kullanılan Malzemeler Özellikleri 1 Alt Tabla Yüzeyi Plastik Kaplı 2 Elektroliz Kabı Altlığı Demir Malzemeden Yap. 3 Elektroliz Kabı Cam (3*3*45mm) 4 Güç Kaynağı 1,5 kw 5 Bakır Elektrotlar (Anot ve Φ2*2mm Katot) 6 (+) Kutup 7 (-) Kutup 8 Filtre 2 W 9 Filtre Hortumları Tablo 3: Artan anot yüzey alanı ile azalan toz miktarları. Anot Yüzey Alanı (mm 2 ) Üretilen Toz Miktarı (g) 25 45, , ,1 1 4, 4 Şekil 1: Elektroliz cihazı şematik görünümü. Anodun yüzey alanı 25 1 mm 2 arasında değişmektedir. Elektrolitik sıvının sıcaklığı (42 ± 3) C arasında tutulmuştur. Deneylerde çözeltinin katı-sıvı ayırımını gerçekleştirmek üzere filtreleme için polipropilen filtre tercih edilmiştir. Elektroliz süresi ise 3dk olarak belirlenmiştir. Toz üretimi işleminin ardından üretilen tozların ağırlığı anodun ağırlık kaybına göre hesaplanmıştır (Tablo3). Elde edilen tozlar, elektrolitten çıkarıldıktan sonra ph değeri 7,5 ve 9 olan amonyum hidroksit (NH 4 OH) banyolarında yıkandıktan sonra, tozların oksitlenmesini engellemek amacı ile %,4 derişimli benzotriazol (C 6 H 5 N 3 ) içeren sulu çözeltiye alınmıştır. Oda sıcaklığında ve atmosferik koşullarda kurutulduktan sonra aglomera olmuş tozlar üç eksenli Turbula T2C marka karıştırıcı ile taneler homojenize edilmiştir. Tozların karakterizasyonu amacı ile toz tane şeklini belirleyebilmek için SEM görüntüleri alınmış ve toz tane boyutunun belirlenebilmesi amacı ile de boyut analizi yapılmıştır. Üretilen tozların SEM görüntüleri Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Malzeme laboratuarında Jeol 66 LV marka cihazdan alınmıştır. Deneylerde elde edilen tozların toz tane dağılımı ise Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya laboratuarında Malvern marka lazer parçacık ölçme cihazında tespit edilmiştir. III. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Anot yüzey alanının toz şekli ve boyutuna etkisinin araştırıldığı deney serilerinde bakır sülfat konsantresi 38g/l olarak sabit tutulmuş, anot yüzey alanı ise ve 1 mm 2 olarak dört farklı değerde alınarak deneyler yapılmıştır. Elde edilen tozların SEM görüntüleri Şekil 2a, 2b, 2c ve 2d de verilmiştir. Şekil 2(a, b, c, d) de SEM analizlerinden görüldüğü gibi bakır toz partikülleri genel olarak asiküler dendritik ve küresel dentritik yapıdan oluşmaktadır. Şekil incelendiğinde anot yüzey alanının artmasına bağlı olarak asiküler dendritik yapıdan küresel dentritik yapıya dönüşüm olduğu görülmektedir. Ancak 1 mm 2 anot yüzey alanına sahip numunede iri küresel dentritik bir yapının hakim olduğu görülmektedir. Diğer yandan anot yüzey alanına bağlı olarak toz partiküllerinin spesifik yüzey alanları Şekil 3 te verilmiştir. Anot yüzey alanı ile elektrolitik toz partiküllerinin spesifik yüzey alanlarının lineer olarak arttığı ancak 1 mm 2 yüzey alanına sahip olan numunede ise spesifik yüzey alanının düştüğü Şekil 3 te görülmektedir. Toz boyutunun küçülmesi ile spesifik yüzey alanının arttığı bilinmektedir[16,17]. Bu sonucun da literatürle paralel olduğu görülmüştür. Şekil 4 incelendiğinde her bir parametre için toz boyutu,5µm ile 6 µm arasında değiştiği tespit edilmiştir. Deneylerde daha ince tozların olduğu görülmüş, ancak,5 mikron un altındaki tozların elektrolitten alınması şimdilik mümkün olmamıştır. 84

3 Spesifik Yüzey Alanı (m 2 /g) Elektroliz Yöntemi İle Toz Üretiminde Anot Yüzey Alanının Toz Boyutu ve Şekline Etkisi a 38g/l CuSO 4-25mm 2 b 38g/l CuSO 4-5mm 2 c 38g/l CuSO 4-75mm 2 d 38g/l CuSO 4-1mm 2 Şekil 2: Anot yüzey alanının toz şekline etkisi (a) 38g/l CuSO 4-25mm 2, (b) 38g/l CuSO 4-5mm 2, (c) 38g/l CuSO 4-75mm 2 ve (d) 38g/l CuSO 4-1mm 2.,6,5,4,3,2, Anot Yüzey Alanı (mm 2 ) Şekil 3: Elektrolitik tozların spesifik yüzey alanına anot yüzey alanının etkisi. 85

4 M. Boz ve E. Uzun 2 1 a 38 g/l CuSO 4 38 g/l CuSO 4 25 mm² b c d 38 g/l CuSO 4 5 mm² 38 g/l CuSO 4 75 mm² Şekil 4: Anot yüzey alanının toz partikül dağılımına etkisi, (a) 38g/l CuSO 4-25mm 2, (b) 38g/l CuSO 4-5mm 2, (c) 38g/l CuSO 4-75mm 2 ve (d) 38g/l CuSO 4-1mm g/l CuSO 4 1 mm² Akım yoğunluğu, anot-katot arası mesafe (12 cm) ve elektrolitin sıcaklığının bütün deneylerde sabit kalması şartıyla, anot yüzey alanı 25 mm² iken ortalama toz boyutu 19,43 µm olarak belirlenmiştir. Anot yüzey alanının artmasına bağlı olarak sırasıyla 5 mm² anot yüzey alanında 17,19 µm, 75 mm² anot yüzey alanında 16,53 µm, 1 mm 2 anot yüzey alanında ise 35,65 µm olduğu tespit edilmiştir. Anot yüzey alanının 75 mm² ye kadar artmasına bağlı olarak toz boyutunda düşüş olduğu, fakat 1 mm² anot yüzey alanında ise katot yüzey alanın arttığı tespit edilmiştir. 1 mm² anot yüzey alanında toz boyutundaki artışın sebebi olarak, anot yüzey alanı ile katot yüzey alanının eşit olması iyonlaşma enerjisinde düşüşe buna bağlı olarak da toz boyutunda bir artış olmasına sebep olduğu düşünülmektedir. IV. SONUÇ VE ÖNERİLER Elektroliz yöntemi ile bakır tozu üretiminde yapılan deneyler de aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır. Elektroliz yöntemi ile toz üretimi laboratuar şartlarında gerçekleştirilerek, farklı şekil ve boyutlarda tozlar elde edilmiştir. Anot yüzey alanının artmasına bağlı olarak toz boyutunun 25 mm 2 den 75 mm 2 anot yüzey alanına kadar küçüldüğü, 1 mm 2 de ise toz boyutunun arttığı tespit edilmiştir. Anot yüzey alanının artmasına bağlı olarak iri asiküler dendritik tozların küresel dendiritik şekil aldığı ve 1 mm 2 yüzey alanın da ise iri asiküler ve küresel dendritik tozların bir arada olduğu gözlenmiştir. Gelecekte bu konu ile ilgili çalışmalarda yararlanılması için şu önerilerde bulunulması uygun görülmüştür. Laboratuar şartlarında tasarımı ve imalatı yapılan elektroliz cihazı ilerideki çalışmalarda sanayi boyutuna da uyarlanabilir. 1 mm 2 anot yüzey alanında toz boyutunun neden arttığı araştırılabilir. Bu amaçla 75 1 mm 2 arasında anot yüzey alanlarının toz boyutuna etkisi araştırılmalıdır. Yapılan bu cihazla bakırdan başka alaşım elementlerinin de toz üretimi çalışılabilir. 86

5 Elektroliz Yöntemi İle Toz Üretiminde Anot Yüzey Alanının Toz Boyutu ve Şekline Etkisi KAYNAKLAR [1] A. Agrawal, S. Kumari, D. Bagchi, V.B. Kumar, D. Pandey, Hydrogen reduction of copper bleed solution from an Indian copper smelter for producing high purity copper powders, Hydrometallurgy 84 (26) [2] P.W. Lee, W.B. Eisen, B.L. Ferguson, R.M. German, R. Iacocca, D. Madan, H. Sanderow, Y.T. Hardbound, 9th Edition, ASM Metals Handbook Powder Metallurgy, vol. 7, ASM International, Ohio, [3] German, R. M. Powder Metallurgy&Particule Metarials Procsessin Çeviri Editörleri, Süleyman SARITAŞ, Mehmet TÜRKER, Nuri DURLU, Türk Toz Metalurjisi Derneği, Temmuz, 27. [4] 4. Markovic, R., Songacilovic, V., Radisavljevic, L., Influence of Cell Geometry on Powder Chaacteristics, 3. International Powder Metallurgy Conference, Copper Institute Bor, pp , 22. [5] Kurt, A., Toz metalden bronz yatağın düşük karbonlu çeliğe difüzyon kaynağı ile birleştirilmesi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (1996). [6] J.L. Everhart, Copper and Copper Alloy Powder Metallurgy Properties and Applications, [7] M.G. Pavlović, K.I. Popov, Metal Powder Production by Electrolysis,, 25 [8] M.G. Pavlović, J.L. Pavlović, I.D. Doroslovački, N.D. Nikolić, The effect of benzoic acid on the corrosion and stabilisation of electrodeposited copper powder, Hydrometallurgy 73 (24) [9] N.D. Nikolić, Lj.J. Pavlović, M.G. Pavlović, K.I. Popov, Morphologies of electrochemically formed copper powder particles and their dependence on the quantity of evolved hydrogen, Powder Technology 185 (28) [1] N.D. Nikolić, K.I. Popov, Lj.J. Pavlović, M.G. Pavlović, The effect of hydrogen codeposition on the morphology of copper electrodeposits. I. The concept ofeffective overpotential, Journal of Electroanalytical Chemistry 588 (26) [11] N.D. Nikolić, K.I. Popov, Lj.J. Pavlović, M.G. Pavlović, Morphologies of copper deposits obtained by the electrodeposition at high overpotentials, Surface & Coatings Technology 21 (26) [12] R. Walker, S.J. Duncan, The morphology and properties of electrodeposited copper powder, Surface Technology 23 (1984) [11] A. Agrawal, S. Kumari, D. Bagchi, V. Kumar, B.D. Pandey, Recovery of copper powder from copper bleed electrolyte of an Indian copper smelter by electrolysis, Minerals Engineering 2 (27) [12] N.D. Nikolić, K.I. Popov, Lj.J. Pavlović, M.G. Pavlović, Determination of critical conditions for the formation of electrodeposited copper structures suitable for electrodes in electrochemical devices, Sensors 7 (27) [13] N.D. Nikolić, G. Branković, M.G. Pavlović, K.I. Popov, The effect of hydrogen codeposition on the morphology of copper electrodeposits. II. Correlation between the properties of electrolytic solutions and the quantity of evolved hydrogen, Journal of Electroanalytical Chemistry 621 (28) [14] N.D. Nikolić, Lj.J. Pavlović, M.G. Pavlović, K.I. Popov, Effect of temperature on the electrodeposition of disperse copper deposits, Journal of the Serbian Chemical Society 72 (12) (27) [15] Durisinova, A., Factors influencing quality of elektrolitic copper powder Technial Note Powder Metalurgy, (1991). [16] M. Boz, A. Kurt, The Effect Of Time Of Powder Removal On Powder Particle Size And Shape Copper Powder Produced By Electrolysis Method, 4th International Conference on Powder Metallurgy RoPM 29, July 8-11, Craiova, Romania. [17] G. Hapçı and G. Orhan, Effect of electrolysis parameters on the morphologies of copper powder obtained in a rotating cylinder electrode cell, Powder Technology 21 (21)