Palica iz titanove anode: Kako deluje tehnologija prevleke MMO

Tehnologija premazov z mešanim kovinskim oksidom (MMO) je tiho preoblikovala, kako elektrokemični sistemi obravnavajo obdelavo vode, dezinfekcijo in nastajanje klora. V središču tega premika jepalica iz titanove anode- komponenta, ki je videti varljivo preprosta, vendar ima izjemno zasnovano površino, ki lahko leta vzdržuje agresivne elektrokemične pogoje. Ta članek podrobno opisuje, kako nanos MMO deluje, zakaj je priprava substrata pomembna in kaj posebne kombinacije oksidov naredijo v sloju premaza.

Kako deluje prevleka MMO na titanovi anodni palici?

Prevleka MMO je več kot le barva ali prevleka. To je oksidni film, ki je bil izdelan pri visokih temperaturah in nato vezan neposredno na titanovo podlago s postopkom, imenovanim kalcinacija. Za izdelavo obloge se uporabljajo kovinski oksidi, ki so katalitično aktivni. Ti oksidi so običajno rutenijev dioksid (RuO₂), iridijev dioksid (IrO₂) in titanov dioksid (TiO₂). Zmešajo se skupaj v predhodni raztopini in nato žgejo pri temperaturah med 400 in 500 stopinjami.

Kaj se zgodi med postopkom premazovanja

Spojine kovinske soli se razgradijo in kristalizirajo v stabilne oksidne faze, ko raztopino prekurzorja ščetkamo ali potopimo na površino titana in nato segrejemo. Med vsakim ciklom nanosa se doda tanka plast oksida in ta cikel se večkrat nadaljuje, dokler nista dosežena želena debelina nanosa in dragocena kovinska obremenitev. Pod mikroskopom ima končna površina obliko razpokanega blata, kar je visoka-površinska-hrapavost, zaradi katere je za elektrokemične reakcije na voljo ogromno število aktivnih katalitičnih mest.

Zakaj se premaz MMO tako dobro veže na titan

Titanova površina tvori naravni oksidni sloj (TiO₂), ko pride v stik z zrakom. Ko se segreje na visoko temperaturo, se prevleka MMO pomeša s plastjo oksida in ustvari močno kemično vez namesto mehanske. Ta integracija na atomski ravni je tisto, zaradi česar je pravilno izdelana palica iz titanove anode tako odporna na izgubo prevleke in razslojevanje, tudi če je pod mehanskimi obremenitvami neprekinjenega delovanja.

Priprava podlage titanove anode pred nanosom MMO

Vsaka elektroda s prevleko-MMO bo dobro delovala še dolgo po prvem ciklu prekrivanja. Večina kupcev ne posveča dovolj pozornosti koraku priprave substrata, ko gledajo specifikacije elektrode, vendar ta korak neposredno vpliva na to, kako dobro se premaz drži in kako dolgo deluje anoda.

Protokoli za čiščenje in jedkanje površin

Titanov substrat gre skozi vrsto mehanskih in kemičnih procesov. Alkalno razmaščevanje odstrani organsko umazanijo s površine. Po tem jedkanje s kislino, pri katerem se običajno uporablja oksalna kislina ali mešanica oksalne kisline in fluorovodikove kisline, naredi površino titana bolj hrapavo na mikroskopski ravni. Zaradi te nadzorovane hrapavosti se podlaga in prevleka MMO lažje zlepita, kar zmanjša napetost na vmesniku med toplotnim ciklom. Za to metodo je najboljši titan z visoko-čistostjo stopnje 1 ali 2, ker titan z nizko{9}}čistostjo stopnje 1 ali 2 povzroča neenakomerno oksidiranje na stiku.

Modifikacija podlage za podaljšano življenjsko dobo

Sodobni proizvajalci naredijo več kot le jedkanje. Preden nanesemo kakršno koli prevleko, metode za menjavo podlage, kot je anodizacija ali predhodna -obdelava s termično oksidacijo, naredijo nadzorovano oksidno vmesno plast na površini titana. Med dolgotrajno-elektrolizo ta dvosloj upočasni gibanje kloridnih ionov proti goli kovini titana tako, da prekrije njihovo pot. Če te ovire ni, lahko klorid hitreje prodre v substrat,

kar vodi do pasivizacije substrata, tipičnega načina okvare, pri katerem površina titana preneha prevajati elektriko in anoda preneha delovati. vsakpalica iz titanove anodeki ga izdeluje NAVI Titanium, ima vgrajene izboljšane protokole za spreminjanje podlage, ki posebej ciljajo na to pot odpovedi.

RuO₂ in IrO₂ v sistemih prevlek titanovih anod

Oksidi, ki so znotraj prevleke MMO, niso izbrani naključno. RuO₂ in IrO₂ sta elektrokemično različna, vendar dobro delujeta skupaj. Celotna učinkovitost titanove anodne palice je določena z razmerjem med njihovimi vlogami.

Katalitska vloga RuO₂

V prevlekah MMO, izdelanih za elektrolizo slanice in proizvodnjo natrijevega hipoklorita, je RuO₂ glavni katalizator za nastajanje klora. Ker ima nizek prenapetost za nastajanje klora (približno 1,36 V v primerjavi z običajno vodikovo elektrodo), lahko dobro poganja reakcijo klora pri nižjih napetostih. Glede na študije, objavljene v Journal of the Electrochemical Society, je RuO₂ glavna aktivna faza v anodah, ki so stabilne glede velikosti in se uporabljajo za klor-alkalne in hipokloritne reakcije. Večja obremenitev RuO₂ običajno povzroči boljšo začetno katalitično aktivnost, a ker nima stabilizacijskih komponent, pospeši tudi razgradnjo prevleke.

Stabilizacijska vloga IrO₂

IrO₂ je večinoma odgovoren za dolgo življenjsko dobo premaza in ne za njegovo surovo katalitično aktivnost. Ker ima enako kristalno strukturo rutila kot RuO₂, se lahko oba oksida zmešata, da nastane trdna raztopina v premazu. Ta strukturna združljivost zmanjša napetost, ki jo povzroči neusklajenost rešetke, in naredi prevleko stabilnejšo pri visokih temperaturah med kalcinacijo.

IrO₂ se med delovanjem ne pokvari zlahka, kot to počnejo čisti sloji RuO₂, ker ne reagira s postopkom elektrolitske korozije. Študije s hitrim testiranjem življenjske dobe kažejo, da prevleke iz RuO₂ in IrO₂ redno delujejo bolje kot eno-slojne elektrode iz čistega RuO₂ v smislu skupnega naboja, ki je prešel pred odpovedjo.

Kako prevleka MMO nadzoruje razvoj klora na palici titanove anode

Električni proces, ki omogoča delovanje generatorja natrijevega hipoklorita, se imenuje reakcija razvijanja klora (CER). Ugotavljanje, kako prevleka MMO upravlja to reakcijo, pomaga razložiti, zakaj imajo izbire glede oblikovanja elektrod neposreden učinek na njihovo delovanje.

Elektrokemija razvoja klora na površini prevleke

Kloridni ioni (Cl⁻) iz raztopine soli se oksidirajo na površini anode, da nastane plin klor (Cl₂). Ta plin se raztopi v vodi in z njo reagira, da nastane hipoklorova kislina (HOCl) in hipokloritni ioni (OCl⁻). Plast MMO zmanjša reakcijsko aktivacijsko energijo tako, da daje reakcijskim vmesnim mestom mesta, da se zlepijo. Vzorec razpokane{3}}blatne površine žgane prevleke kaže zelo veliko število teh aktivnih mest na enoto geometrijske površine. To omogoča visoko proizvodnjo klora pri uporabnih gostotah toka.

Konkurenčne reakcije in selektivnost

Nastajanje kisika (OER) in nastajanje klora se vedno nasprotujeta na anodi. Vsak elektron, ki se uporabi za proizvodnjo kisika namesto klora, zmanjša učinkovitost procesa. Pri uporabi v običajnih okoljih, kot so slane tekočine s pH blizu nevtralnega, prevleke MMO s pravimi količinami RuO₂ in IrO₂ preprečijo pojav OER v primerjavi s CER. Za ta izbor obstaja razlog;

izhaja iz skrbnega prilagajanja sestavin premaza in temperaturnega profila kalcinacije. Rutenij-iridijpalica iz titanove anodeIzdelovalci NAVI Titanium so zasnovani za neprekinjeno delovanje v-okoljih z veliko soli z zmogljivostjo generatorja natrijevega hipoklorita od 50 g/h do 5000 g/h.

Struktura prevleke titanove anode za stabilno elektrokemično delovanje

Osnovna zasnova elektrode MMO je ena plast enakomernega oksida, ki se nanese na titanov substrat. Pri naprednejših zasnovah so strukturni gradienti namerno dodani v sklad prevlek, da ustavijo štiri dobro-znane mehanizme odpovedi: mikrorazpoke, razslojevanje, pasivacijo podlage in prodiranje kloridnih ionov.

Arhitektura gradientnega kompozitnega premaza

Pri gradientni kompozitni prevleki se oksidna sestava postopoma spreminja od mesta, kjer se prevleka sreča s podlago, proti zunanji strani. Notranje plasti imajo več TiO₂ in IrO₂, da je stik s titanom čim bolj odporen proti vezavi in ​​koroziji. Zgornje plasti osredotočajo nalaganje RuO₂, da ohranijo katalitično aktivnost na površini, ki je obrnjena proti raztopini. Ta nastavitev razširja mehansko obremenitev na več plasti, namesto da bi jo koncentrirala na enem vmesniku, kar običajno povzroči razslojevanje pri enotnih prevlekah.

Lajšanje stresa in dolgoročna-stabilnost

Ko se elektroda med delovanjem segreje in med zaustavitvijo ohladi, pride do ciklične napetosti, ker se oksidna plast in titanova osnova ne širita in krčita z enako hitrostjo. To obremenitev obvladajo večplastne gradientne strukture, ki postopoma spreminjajo lastnosti med plastmi. To prepreči širjenje razpok, kar se sčasoma zgodi pri eno-plastnih premazih. Dokazano je, da ima gradientni postopek premazovanja NAVI Titanium življenjsko dobo 8–10 let pod nadzorovanimi pogoji delovanja.

Prav tako porabi med 3,2 in 3,8 kWh energije na kilogram razpoložljivega klora, kar je velik padec v primerjavi z merili standardnih elektrod.

Zaključek

S tehnologijo premaza MMO, preprostopalica iz titanove anodese lahko spremeni v natančno elektrokemično orodje, ki lahko v težkih pogojih več let ohranja procese razvijanja klora. Vsak rezultat delovanja, kot so oprijem premaza, selektivnost klora, ekonomičnost energije in življenjska doba, je mogoče izslediti nazaj do posebnih inženirskih odločitev, ki jih je mogoče narediti: kakovost priprave substrata, zasnova premaza, razmerje sestave oksida in parametri kalcinacije. Trenutni standard za-visoko zmogljivo elektrolizo natrijevega hipoklorita v komunalnih, industrijskih in komercialnih aplikacijah za čiščenje vode je titanova anodna palica, izdelana z gradientno kompozitno prevleko MMO in titanovim substratom, ki je bil ustrezno spremenjen.

Partner z NAVI Titanium - Vaš zaupanja vreden dobavitelj titanovih anodnih palic

Ko delovanje elektrod vpliva na čas delovanja in cene vašega sistema, sepalica iz titanove anodeponudnik, ki ga izberete, je pomemben. NAVI Titanium izdeluje rutenijeve-iridijeve MMO anode z uporabo tehnologije gradientne kompozitne prevleke in protokolov za modifikacijo podlage visoke-čistosti. Te tehnike proizvajajo elektrode, ki lahko prenesejo 24-urno neprekinjeno elektrolizo v okoljih z veliko soli in močno oksidacijo. Naše elektrode zmanjšajo količino energije, ki je potrebna za proizvodnjo klora, za 3,2 do 3,8 kWh/kg, znižajo stroške delovanja sistema za 10 do 25 odstotkov in trajajo 8 do 10 let, zaradi česar je vzdrževanje veliko lažje. NAVI Titanium ima prave specifikacije za vaš projekt, ne glede na to, ali potrebuje 50 g/h ali 5000 g/h natrijevega hipoklorita.

Obrnite se na našo tehnično ekipo in zahtevajte prilagojeno rešitev elektrod za vašo aplikacijo:sales@navititanium.com.

Reference

1. Trasatti, S. (1987). Elektrokataliza pri anodni evoluciji kisika in klora. Electrochimica Acta, 32(3), 369–382.

2. Pivo, HB (1972). Izum in industrijski razvoj kovinskih anod. Journal of The Electrochemical Society, 127(8), 303C–307C.

3. Comninellis, C. in Vercesi, GP (1991). Karakterizacija elektrod-tipa DSA-kisika, ki izločajo kisik: Izbira prevleke. Journal of Applied Electrochemistry, 21(4), 335–345.

4. Kötz, R. in Stucki, S. (1986). Stabilizacija RuO₂ z IrO₂ za anodno sproščanje kisika v kislem mediju. Electrochimica Acta, 31 (10), 1311–1316.

5. Panič, VV, & Nikolić, BZ (2007). Aktivne ternarne oksidne prevleke na titanu, pripravljene s sol-gelom: strukturne, morfološke in elektrokatalitske značilnosti. Revija Srbskega kemijskega društva, 72(8–9), 1065–1082.

6. Santana, MHP in De Faria, LA (2006). Izločanje kisika in klora na mešanih oksidnih elektrodah RuO₂ + TiO₂ + CeO₂ + Nb₂O5. Electrochimica Acta, 51 (17), 3578–3585.