Večplastna prevleka titanove anode za stabilno delovanje elektrolize

Ena najboljših lastnosti več{0}}plastnih premazov je, da lahko ustvarijo več zaščitnih ščitov. Ko titanova anodna palica deluje v elektrolizi natrijevega hipoklorita, je zgornja plast prevleke neposredno izpostavljena močnim radikalom klora in visokim nivojem toka. Tudi če ena sama prevleka iz rutenijevega oksida dobro deluje kot katalizator, se po nekaj časa uporabe razvijejo mikrorazpoke, ker se njena toplotna rast ne ujema s titanovo osnovo.

Več{0}}plastne strukture imajo povezovalne plasti na sredini, ki se počasi premikajo od osnovne kovine titana do katalitičnega premaza na zunanji strani. Te prehodne cone prevzamejo mehanske obremenitve in preprečijo širjenje razpok na podlago. Raziskovalci v programih elektrokemijskega inženiringa so ugotovili, da gradientne sestave iridija-rutenija znižajo strižno napetost na vmesniku za približno 35 % v primerjavi z nenadnimi eno-slojnimi spoji.

Podatki s terena iz čistilnih sistemov za bazene kažejo, da elektrode z gradientnimi prevlekami po treh letih uporabe ohranjajo stopnje nastajanja klora na približno 5 % prvotne ravni. V istem času je bilo izgubljenih 20 do 30 odstotkov zmogljivosti eno-plastnih elektrod z istih mest. Boljša stabilnost izhaja iz dejstva, da več-plastna struktura preprečuje prehitro pasivacijo titanovega substrata, kar ohranja katalitska mesta na voljo.

V napravah za elektrolizo je količina porabljene energije neposredno povezana s tem, kako stabilna je napetost. Ko se prevleke elektrod obrabijo, se napetost celice počasi dviguje, da ohrani izpust klora na ciljni ravni, kar zviša stroške električne energije. Prenos napetosti se z več-arhitekturami prevlek na titanovih anodnih palicah zmanjša na dva načina: ohranjajo električno prevodnost z debelino prevleke in katalitično aktivnostjo na meji elektrolita.

Primerjalni testi v industrijskih sistemih s tekočo vodo so pokazali, da več-plastne elektrode delujejo pri 3,2 do 3,8 kWh na kilogram klora, ki je na voljo ves čas njihove uporabe. Po dveh letih zvišanje napetosti v tradicionalnih uniformnih plaščih povzroči, da porabijo od 4,5 do 5,2 kWh energije na kilogram. Ta razlika v zmogljivosti pomeni, da bodo naprave, ki izvajajo neprekinjene cikle elektrolize 24 ur na dan, prihranile denar pri svojih stroških.

Glavna zamisel več-slojne tehnologije je, da se razmerja plemenitih kovin načrtovano spreminjajo, ko postaja prevleka debelejša. Običajna gradientna arhitektura se začne s plastjo lepila,-bogatega z iridijem, ki se nanese neposredno na titanovo podlago, ki je že bila obdelana. Zaradi dobrih oprijemljivih lastnosti iridija in stopnje temperaturnega raztezanja, ki je blizu titanu, je močna podlaga za poznejše plasti.

V srednjih conah prevleke se količina rutenija poveča, da postanejo reakcije nastajanja klora bolj katalitične. Posebne dopante, kot so tantalovi ali kositrovi oksidi, so lahko v zgornji plasti. Ti še dodatno povečajo učinkovitost prenosa elektronov. Ta sprememba sestave prepreči nastajanje visoko{3}}obremenjenih površin, kar je tisto, kar razgradi običajne enakomerne mešane prevleke iz kovinskega oksida.

Kako dobro deluje gradient, je odvisno od tega, kako natančno je bil izdelan. Najboljša podjetja, ki izdelujejo palice iz titanove anode, uporabljajo metode nadzorovane toplotne razgradnje, ki vključujejo večkratno žganje palic pri temperaturah med 380 in 520 stopinjami. Vsak vmesni korak ognja sprosti napetost pred dodajanjem naslednje plasti premaza. Zaradi tega so strukture bolj trdne z malo preostale obremenitve.

Kloridni ioni v raztopinah za elektrolizo napadejo površine titana, ki so vidne na zelo silovit način. Ustvarjajo nepre{1}}prevodne pasivne plasti, ki preprečujejo delovanje elektrode. Več{3}}plastne prevlečne strukture ustvarjajo difuzijske poti, ki so zelo vijugaste, zaradi česar klorid veliko počasneje doseže podlago. Vsak vmesnik prevleke deluje kot delna pregrada, in ko je plasti več kot ena, traja dlje, da jedke vrste dosežejo titanovo podlago.

Titanove anodne paličaste elektrode s tremi ali več različnimi prevlečnimi plastmi ohranjajo celovitost substrata 8–10 let v generatorjih natrijevega hipoklorita, glede na pospešeno testiranje življenjske dobe, izvedeno v okoliščinah z visokim kloridom. Pri istih preskusnih nastavitvah eno-slojne elektrode kažejo pasivacijo podlage po 3 do 5 letih. Dodatna zaščita prihaja iz dveh sklopov tesnilnih mehanizmov, ki nadomestita neizogibne napake v vsaki plasti.

Okvara elektrode se običajno zgodi, ko se premaz nenadoma odlepi, ne pa, ko se delovanje sčasoma počasi slabša. Takoj ko se delaminacija začne na mestih napake, ima visoko{1}}prevodni titanov substrat, ki je izpostavljen, lokalizirano koncentracijo toka, ki hitro razširi okvaro po površini elektrode. Naprave za upogibanje razpok na mejah plasti v več-slojnih prevlekah preprečujejo tovrstne napake.

Preizkušanje mejne žilavosti to kažetitanova anodna palicaGradientni premazi, ki so pravilno zasnovani, porabijo tri do štirikrat več energije za luščenje kot eno-slojne različice. Ta večja odpornost na katastrofalne okvare neposredno vodi do bolj zanesljivih sistemov in manj potreb po vzdrževanju v nujnih primerih pri pomembnih aplikacijah za čiščenje vode.

Temperaturne spremembe v elektrolitskih celicah so odvisne od količine toka, ki teče, in od tega, kako dobro raztopina prevaja elektriko. Titanove anodne paličaste elektrode morajo ohraniti svojo obliko, tudi če delajo pri temperaturah od sobne do 80 stopinj. Več plasti premazov s skrbno usklajenimi koeficienti toplotnega raztezanja v vseh slojih preprečuje kopičenje napetosti, ki jo povzroča toplota.

Z modeliranjem porazdelitve toplotne napetosti s končnimi elementi je bilo dokazano, da arhitekture z gradientnim premazom znižajo najvišjo medfazno napetost za 40–55 % v primerjavi z eno-slojnimi zasnovami, ko se temperature spremenijo s 25 stopinj na 75 stopinj. Ta računalniška napoved se ujema s tem, kar vidimo v resničnem svetu, to je, da več-plastne elektrode ne izgubijo veliko svoje učinkovitosti po tisočih toplotnih ciklih v samodejnih testnih metodah.

Količina klora, ki jo je mogoče proizvesti, je odvisna od tega, kako dobro se oblika in površina elektrode ohranjata skozi čas. Ko sistemi niso dobro zasnovani, erozija prevleke in korozija podlage počasi zmanjšujeta velikost učinkovite elektrode. Več-slojne strukture titanovih anodnih palic ne spremenijo velikosti, ker imajo na zunanji strani zaščitne plasti, ki se ne obrabijo.

Študije, ki so uporabljale natančne meritve za sledenje velikosti elektrod v petih letih delovanja, kažejo, da gradientno-prevlečene elektrode izgubijo manj kot 0,5 % svoje debeline. Ta fizična stabilnost zagotavlja, da stopnja proizvodnje klora ostane enaka, ne da bi bilo treba redno spreminjati gostoto toka, kar lahko oteži uporabo avtomatskih krmilnih sistemov.

Današnji generatorji natrijevega hipoklorita uporabljajo sklope-pretočnih elektrod, ki imajo boljše hidravlične lastnosti. Izdelki iz titanovih anodnih palic morajo biti sposobni prenašati visoke linearne hitrosti in grobe pogoje toka, ne da bi poškodovali prevleko. Ker so dobro-spojene in utrjene, so več-slojne zgradbe zelo odporne proti eroziji v teh težkih hidravličnih okoliščinah.

Proizvajalci uporabljajo tehnologijo več{0}}slojnega premaza za izdelavo elektrod v različnih oblikah in velikostih, kot so cevaste, ploščate in mrežaste. Zaradi tega lahko sistemski integratorji najdejo najboljše nastavitve elektrod za različne stopnje pretoka in potrebe proizvodnje klora, ki segajo od 50 gramov na uro za sisteme majhnih bazenov do 5000 gramov na uro za javne instalacije.