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        EIS技術(shù)研究鎵對鋁鋅合金的活化作用

        2018-10-29 08:14:12雷英春郝小軍
        山東化工 2018年19期
        關(guān)鍵詞:污染

        雷英春,郝小軍

        (1.太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系,山西 太原 030008;2.中北大學 材料學院,山西 太原 030051)

        鋁具有電位較負、電容量高、價格低廉等特點,作為陰極保護用犧牲陽極發(fā)展較快。隨著航海、石油工業(yè)的發(fā)展,沿海污染變得嚴重。保護港口、碼頭鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽極實際上在含有油污的海水中工作,原油儲罐、輸油管線、船舶機艙內(nèi)部等的犧牲陽極也在油污海水中工作,犧牲陽極表面覆蓋的油膜阻擋了陽極的活化。為此,對能在油污污染介質(zhì)中應用的犧牲陽極的要求加強了。

        鋅是活化鋁最常用的添加元素,鋁鋅合金在3%NaCl溶液中的溶解性能較好,但在模擬油污污染3%NaCl溶液中不能活化。鎵對鋁的活化作用較強,合金中的鎵元素在鈍化膜下面局部富集,導致氧化膜局部變薄,鋁通過富集的鎵擴散至溶液界面,發(fā)生溶解,使陽極表面電荷發(fā)生偏移,促進鹵離子吸附,使陽極表面更易破壞,鎵的沉積與氧化膜上鹵離子的吸附二者導致鋁的活化可以[1-13],含鎵鋁合金犧牲陽極的性能較好[14-20]。但有關(guān)鎵對鋁鋅合金的活化作用需要進一步研究。

        在另文中研究了鋁鋅合金在3%NaCl溶液中的電化學阻抗譜特征,鋅含量2.3%的鋁鋅合金3Zn溶解性能較好[16]。通常含鎵的犧牲陽極中,鎵的含量一般為0.01%~0.05%,本文對鋅含量2.3%的鋁鋅合金3Zn分別添加0.01%及0.05%的鎵,熔煉成鋁鋅鎵合金,以研究鎵對鋁鋅合金的活化作用。通過測試鋁鋅鎵合金在3%NaCl溶液及模擬油污污染3%NaCl溶液中的電化學阻抗譜,研究鎵對鋁鋅合金的活化作用,為新型犧牲陽極和化學電源陽極的研制提供必要依據(jù)。

        1 實驗方法

        鋁鋅合金及鋁鋅鎵合金合金試樣,尺寸φ13×65mm,由純鋁(A00)、高純鋅(>99.99%)及鎵(純度≥99.999%)在實驗室熔煉,坩堝和模具等工具均為石墨制品,試樣的化學成分列于表1。試樣測試面為橫截面,用環(huán)氧樹脂涂封非工作面,使有效測試面積為1.33 cm2,經(jīng)水砂紙逐級打磨至600#,蒸餾水沖洗,無水乙醇脫脂,置于干燥器中24h后待用。試樣表面有油膜狀態(tài),試驗時在處理好的試樣工作面上均勻涂一層10#機油,試驗結(jié)束后,試樣表面仍然附著油膜。

        表1 鋁鋅合金的化學成分Table 1 Chemical composition of aluminum zinc alloys (wt %)

        用電位臺階法[14]測定鋁鋅銦合金,在不同陽極極化電位下,表面狀態(tài)不同時,3.0%NaCl溶液中的EIS。測試系統(tǒng)為PARSTAT 2263,測試軟件PowerSuite。施加正弦擾動幅值為5mV,測試頻率范圍為35kHz~35MHz,對數(shù)掃頻共測40個點。采用三電極系統(tǒng),輔助電極為石墨棒,參比電極為SCE。試驗介質(zhì)為3%NaCl溶液,實驗在室溫(20±2)℃下進行。

        2 結(jié)果與討論

        實驗測定了鋁鋅在-0.85V下的電化學阻抗譜圖1。實驗結(jié)果表明,Al-Zn合金在介質(zhì)不同時呈現(xiàn)的阻抗譜特征不同。

        由圖1可以看出,在3%NaCl溶液中,鋁鋅合金EIS高頻段呈現(xiàn)表征試樣溶解的多個容抗弧,低頻段呈現(xiàn)表征中間產(chǎn)物沉積、吸附的多個感抗弧。在模擬油污污染3%NaCl溶液中,試樣3Zn的EIS經(jīng)K-K變換至3.5μHz,高頻段呈現(xiàn)表征試樣溶解的兩個容抗弧,表征中間產(chǎn)物沉積、吸附的感抗弧并未出現(xiàn),阻抗幅值較在3%NaCl溶液中的大了近3個數(shù)量級,此時合金活化溶解速度很小。

        3Zn在3%NaCl溶液中-0.85V下極化后,試樣表面眾多的蝕孔表明,鋅的作用是使試樣表面不斷的出現(xiàn)活性蝕點,使合金溶解。在模擬油污污染3%NaCl溶液中-0.85V下極化后試樣表面沒有變化,說明表面附著的油膜已經(jīng)阻止了鋅的這種作用。

        鋁鋅鎵合金在-0.85V下的電化學阻抗譜如圖2,結(jié)果表明,Al-Zn-Ga合金在兩種介質(zhì)中呈現(xiàn)的阻抗譜特征基本相同。由圖2,在模擬油污污染3%NaCl溶液中,兩個不同鎵含量合金EIS高頻段呈現(xiàn)表征試樣溶解的多個容抗弧,低頻段呈現(xiàn)表征中間產(chǎn)物沉積、吸附的多個感抗弧。

        試驗結(jié)束后,在兩種介質(zhì)中,Al-Zn-Ga合金表面隨著鎵含量的增加而發(fā)烏,沒有蝕孔,說明鎵的加入使試樣表面氧化膜的破壞更為完全,合金的溶解變得均勻。

        由此鋅的作用是使試樣表面不斷的出現(xiàn)活性點蝕點,試樣表面附著的油膜可以完全阻止這種作用。鎵的作用是使這些點蝕點向周圍擴散,使鋁鋅合金均勻溶解,0.01%的鎵加入鋁鋅合金中,就能起到這個作用,試樣表面有油膜附著時,對鎵的作用影響不大。有關(guān)鎵活化鋁的機理文章較少,目前認為鎵的富集而使鋁表面不能形成致密氧化膜,導致鋁的活化[4-5]。

        根據(jù)在中性水溶液中的化學性質(zhì),采用“溶解-沉積-再溶解”機理,在鋅溶解的同時,鎵開始溶解。鎵活化鋁的機理分為三步:

        根據(jù)鋅活化鋁的機理,在模擬油污污染3%NaCl溶液中,鋅原子活性較差,其溶解反應不能穿透試樣表面附著的油膜,表征中間產(chǎn)物沉積、吸附的感抗弧不會出現(xiàn)。

        a,in 3%NaCl solution;b,imitate oil polluted 3%NaCl solution

        圖1 Al3Zn在-0.85V不同電解質(zhì)中的EIS

        Fig.1 EIS of Al3Zn at -0.85V in different electrolyte

        a,in 3%NaCl solution;b,imitate oil polluted 3%NaCl solution圖2 AlZnGa合金在-0.85V不同電解質(zhì)中的EISFig.2 EIS of Al-Zn-Ga alloys -0.85V in different electrolyte

        3 結(jié)論

        (1)由EIS特征,含鋅量2.3%的鋁鋅合金在模擬油污污染3%NaCl溶液中不能活化。

        (2)根據(jù)鋁鋅鎵合金的EIS特征,0.01%的鎵加入鋁鋅合金中,就可以使鋁鋅合金在模擬油污污染3%NaCl溶液中活化。

        (3)鎵的作用是使鋁鋅合金表面均勻溶解,合金中含0.01%的鎵就能起到這個作用,試樣表面有油膜附著時,對鎵的活化作用影響不大。

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