Сравнение катодных основ: нержавеющая сталь, титан и свинцовый сплав

Катод — место, где оказывается каждый грамм извлечённого металла, и самая ответственная расходуемая деталь электролизёра. Ошибка с основой оплачивается дважды: выходом по току и чистотой катода, потому что железо с растворяющейся пластины незаметно, пока покупатель не забракует партию.

Три материала, три роли

316L — катод для 180–250 А/м²: снимается после лёгкого травления, при питтинге даёт железо, стоит 1 и служит сотни циклов. Титан работает катодом или основой, снимается чисто с кромочными полосами, практически не загрязняет, терпит хлориды уровня морской воды и служит тысячи циклов; стоит в 3–5 раз дороже, а меньший модуль упругости делает подвес критичным. Свинцовый сплав Pb-Sn-Ca или Pb-Ag принадлежит только аноду, где образует слой PbO₂, выделяющий кислород; там он работает при 200–400 А/м² и стоит в 2–3 раза дороже нержавеющей основы того же размера.

Поводка и зарастание кромок

Нержавеющие основы уходят не потому, что растворились, а потому, что выгнулись. Выгнутая пластина смыкает зазор в одной точке и раскрывает в другой, и ток идёт по зазору: точка греется, осадок растёт, образуются дендриты, и один касается анода. Такое замыкание стоит выхода по току и может прожечь пластину; обычный порог — выше 250 А/м². Второй механизм — кромка: осадок, выходящий за маску, шунтирует зазор. На титане это решают полосы, выступающие минимум на 10 мм с каждой стороны, на нержавеющей стали — маска, обновляемая каждый цикл.

Хлориды, никель и свинец

Для меди и цинка 316L — обычная рекомендация: молибден лучше сопротивляется кислому сульфату, чем 304, и это самый дешёвый вариант. Предел — около 30 ppm хлорида; выше начинается питтинг по линии воды, под маской и на царапинах, и намеренная добавка хлорида входит в этот итог. Титан оправдан при высоком хлориде или смешанных сульфатно-хлоридных электролитах, где нержавеющая сталь питтингует за дни, и в никелевом электроэкстракционном процессе с основой-матрицей. Свинец же только на аноде: на катоде он загрязняет осадок. Если технологическая схема требует «свинцовых катодов», ей почти всегда нужен свинцовый анод с нержавеющим или титановым катодом.

Плотность тока и расчёт площади

Выше 250 А/м² плоскостность становится лимитирующим требованием. Закон Фарадея даёт расчёт: при 200 А/м² и 100 % выхода квадратный метр катода осаждает около 0,24 кг меди в час, примерно 5,7 кг в сутки; в лаборатории используют пластины 0,01–0,03 м². Держите 20–30 мм между анодом и катодом: более узкий зазор делает напряжение чувствительным к шламу и несоосности и превращает малую поводку в замыкание.

Стоимость пластины чаще в пользу нержавеющей стали; стоимость кампании зависит от съёма, травления и расхода основ. Сообщите металл, электролит, хлориды, плотность тока и длительность кампании — предложим основу и анод.