Kui veetöötlusinsenerid räägivad naatriumhüpokloriti tootmisest kohapeal-, kerkib pidevalt esile üks komponent: titaananoodi varras. See on iga elektrolüütilise raku keskmes ja ilma selleta ei toimi kloori eraldumise reaktsioon lihtsalt nii, nagu tänapäevased desinfitseerimissüsteemid nõuavad. See artikkel kirjeldab täpselt, kuidas see reaktsioon toimib, miks anoodimaterjal nii oluline on ja mis eristab usaldusväärset elektroodi elektroodist, mis ebaõnnestub enne tähtaega.
Kuidas titaananoodvarras juhib kloori evolutsiooni reaktsiooni?
Kloori tootmise taga olev elektrokeemiline mehhanism
Elektrolüütilise naatriumhüpokloriti valmistamiseks kasutatakse lihtsat elektrokeemilist põhimõtet. Kloriidiioonid liiguvad anoodi pinna poole, kui soolvee lahust läbib alalisvool. Sellel pinnal toimuvas oksüdatsiooniprotsessis loobuvad nad elektronidest, moodustades kloorigaasi (Cl₂). Gaas lahustub kohe katoodi lähedal olevas aluselises lahuses, moodustades hüpokloorhappe (HOCl) ja hüpokloritioonid (OCl⁻), mis desinfitseerivad.
Kaks Cl⁻ aatomit muutuvad Cl2 ja kaks e⁻ aatomit. Naatriumhüpoklorit tekib siis, kui vedelik Cl2 seguneb katoodil valmistatud naatriumhüdroksiidiga. Kogu protsess sõltub sellest, kui hästi anoodi pind kiirendab kloriidi oksüdatsiooni esimest etappi.
Miks anoodimaterjal määrab reaktsiooni efektiivsuse?
Tööstuslikes tingimustes ei saa see reaktsioon alati toimuda kõigi juhtivate materjalidega.
Anood peab suutma töötada kloriidis- ja tugevalt oksüdeerivas keskkonnas, hoides selle ülepotentsiaali madalana. See on lisapinge, mis on reaktsiooni käivitamiseks vajalik üle teoreetilise miinimumi. Segametalloksiididega (MMO) kaetud titaananoodi varras võib tekitada kloori tootmiseks ülepotentsiaali vahemikus 40–80 mV, mis on palju väiksem kui teistel võimalustel. Ülepotentsiaali alandamine toob kaasa otseselt väiksema energiakulu ühe kilogrammi kasutatava kloori kohta.
Titaananoodi varras ja kloriidioonide oksüdeerimine anoodi pinnal
Mis juhtub elektroodi-elektrolüüdi liideses
Anoodi pinnal on keemia väga selge. Kui kloriidiioonid jõuavad elektroodi ja lahuse kohtumispunkti, kleepuvad nad kihi aktiivsetesse katalüütilistesse kohtadesse. Ruteeniumdioksiidi (RuO₂) osa ruteenium-iriidiumi MMO kihis on reaktsioonide katalüüsimisel väga hea, kuna see vähendab Cl⁻ oksüdatsiooniprotsessi käivitamiseks vajalikku energiat. Iriidiumdioksiid (IrO₂) hoiab katte stabiilsena pika oksüdatsiooniperioodi jooksul ja peatab konkureeriva hapnikueraldusreaktsiooni (OER), mis kulutaks voolu ilma kasulikku kloori tekitamata.
Ajakirjas Journal of The Electrochemical Society avaldatud uuring näitab, et RuO₂ ja IrO₂ segatud oksiidkatted toimivad alati paremini kui ühekomponendilised oksiidikihid nii voolutõhususe kui ka katte stabiilsuse osas, kui neid ikka ja jälle soolases vees elektrolüüsitakse.
Kuidas katte koostis kujundab selektiivsust
Üks viis edu mõõtmiseks on vaadata kloori eraldumise selektiivsust, mis on vooluhulk, mis voolab O2 asemel Cl2-sse. Sõltuvalt temperatuurist ja voolutihedusest on hästi-tehtud MMOtitaananoodi varrasvõib kontsentreeritud soolvees saavutada kloorivoolu efektiivsuse üle 85–95%. See kõrge valik pole viga. Ruteeniumi ja iriidiumi kogus, katte paksus ja pinna kuju töötavad koos, muutes Cl⁻ adsorptsiooni tõenäolisemaks kui vee oksüdatsiooni. Suure jõudlusega-MMO anood erineb oluliselt standardtootest, kuna see optimeerib neid parameetreid.
Kuidas MMO titaananoodvardad soodustavad soolvees kloori eraldumist
Metalloksiidide segukatted moodustavad suure tihedusega pinna, mis reageerib otse kloriidirikka lahusega. Oksiidvõre pindalaühiku kohta on palju aktiivseid kohti, mis kiirendab laengu ülekande etappi kloriidioonide ja elektroodi vahel.
Elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia uuringud on näidanud, et MMO-ga kaetud titaanelektroodidel on palju väiksem laengu{0}}ülekandetakistus kui elektroodidel, mis ei ole kaetud ega valmistatud grafiidist, kui neid kasutatakse samas soolvees.
Kõrge soolsusega{0}}olukordades, nagu ookeanide saastumisvastane või tööstuslik tsirkuleeriva vee töötlemine, hoiab MMO titaananoodi varras kloori väljundi konstantsena, ilma pinna saastumise või oksiidide passiveerimiseta, mis takistab teiste materjalide töötamist.
Kuna termiliselt lagunenud MMO-katted on poorse{0}}muda morfoloogiaga, suureneb tegelik aktiivne pind veelgi. See suurendab katalüütilist läbilaskevõimet ilma elektroodi suuremaks muutmata.
Titaananoodi varda pinnaaktiivsus ja naatriumhüpokloriti teke
Pinna aktiivsus ja valmistatud naatriumhüpokloriti kogus on otseselt seotud. Kui pinnaaktiivsus on suurem, siis oksüdeerub rohkem kloriidioone ajaühikus pindalaühiku kohta. See tähendab, et lahusesse lahustub rohkem Cl2 ja desinfitseerimiseks on rohkem HOCl/OCl⁻. Raskem inseneriülesanne on hoida seda tegevust käigus tuhandeid töötunde.
Selle probleemi lahendab gradientkomposiitkatte tehnoloogia, mis hajutab katalüütilised oksiidid mitme kihi peale, selle asemel et koondada need ühele kontaktile. Sisemised kihid kleepuvad kokku ja leevendavad stressi, väliskihid aga teevad katalüütilist tööd. See struktuur peatab delaminatsiooni ja mikropragude levimise, mis lasevad kloriidi -indutseeritud passiivsusel jõuda titaanaluseni.
Kui substraat passiveerub, suureneb elemendi laeng kiiresti, energiatarbimine suureneb ja kloori väljund väheneb. Kui ehitate atitaananoodi varrasõigesti, see ei lagune sel viisil ja säilitab oma kõrge pinnaaktiivsuse pikka aega.
Kuidas titaananoodvarras toetab stabiilset kloori tootmist elektrolüüsis
Sama oluline kui tippvõimekus on järjepidevus. Munitsipaalreoveepuhastid ja -süsteemid, mis hoiavad basseinid puhtana, töötavad alati. Igasugune eralduva kloori koguse muutus mõjutab seda, kui hästi see desinfitseerub ja kui hästi see järgib reegleid.
Titaananoodi vardaga, mis on mõeldud pidevaks-elektrolüüsiks, püsib kloori tootmise määr stabiilsena. Selleks segatakse madal ja stabiilne elemendi pinge, kõrge katte adhesioon ja aluse korrosioonikindlus.
Titaani looduslik oksiidikiht (TiO₂) on kloriidi{0}}rohkes keskkonnas korrosioonile väga vastupidav. See oksiidikiht võib aga muutuda probleemiks, kui see MMO katte all liiga palju kasvab, mida nimetatakse passiveerimiseks.
Täiustatud substraadi eeltöötlus, nagu söövitamine, pinna karestamine ja vahepealsed sidumiskihid, peatab TiO₂ kasvu kohas, kus kate puutub kokku aluspinnaga. Lõpptulemuseks on elektroodikoost, mis hoiab elemendi pinge kitsas vahemikus isegi pärast aastatepikkust pidevat kasutamist. See hoiab ühiku energiatarbimist 3,2–3,8 kWh ühe kilogrammi kasutatava kloori kohta.
Järeldus
Kloori eraldumise protsess tundub lihtne, kuid tegelikult on seda üsna raske teha. Selle pinnaltitaananoodi varras, saavad kõik toimivusmuutujad kokku. Nende hulka kuuluvad ülepotentsiaal, voolutõhusus, katte vastupidavus ja substraadi stabiilsus. Selle reaktsiooni toimimise väljaselgitamine muudab selgemaks, miks hoolikalt kavandatud MMO-kattega titaan on ainus viis elektrolüütilise naatriumhüpokloriti valmistamiseks, mida kasutatakse kommunaalveepuhastuses, basseinide desinfitseerimiseks, tööstuslikuks tsirkulatsiooniveeks ja merevee saastumisvastaseks vahendiks.
KKK
1.Mis muudab titaananoodi varda kloori eraldumise rakendustes vastupidavamaks kui grafiidist või roostevabast terasest elektrood?
+
-
Titaan on kloriidirikkas{0}}oksüdeerivas keskkonnas korrosioonile palju vastupidavam kui grafiit või roostevaba teras. Anoodilise oksüdatsiooni käigus laguneb grafiit ja saastab elektrolüüdi. Aktiivse klooriga kokkupuutel roostevaba teras roostetab väga kiiresti. Titaan hoiab struktuuri tugevana ja MMO kiht tagab katalüütilise pinna. See võimaldab elektroodil töötada kontrollitud tingimustes 8–10 aastat.
2. Kuidas mõjutab voolutihedus MMO titaananoodi varda jõudlust?
+
-
Liiga suur voolutihedus kiirendab katte kulumist ja tõstab raku temperatuuri, mis muudab selektiivsust hapniku eraldumise suhtes ja vähendab kloorivoolu efektiivsust. Enamik MMO titaananoodi vardaid on heaks kiidetud teatud voolutiheduse vahemikele -, tavaliselt 200–500 A/m² soolvee elektrolüüsiks - ning sellesse vahemikku jäämine kaitseb katet ja hoiab kloori väljavoolu stabiilsena.
3. Kas titaananoodi varda saab kasutada madala{{1}soolsusega veepuhastussüsteemides?
+
-
Kui kloriidi kontsentratsioon langeb, muutub reaktsioon hapniku eraldumisega konkurentsivõimelisemaks, mis muudab kloori eraldumise vähem tõhusaks. Seevastu hästi-häälestatud ruteenium-iriidium MMO kate võib töötada väiksemas koguses kloriidi kui puhas ruteenium või standardne oksiidkate. Joogivee või madala soolasisaldusega kasutamisel tuleb muuta elektroodi kuju ja voolutihedust ning valida õige katteretsept.
Kas olete valmis hankima suure jõudlusega{0}}titaananoodvarda? Rääkige teenusega NAVI Titanium
Ettevõte NAVI Titanium Metal Technology Co., Ltd. loob ja valmistab ruteenium-iriidiumiga kaetud elektroode, mis on loodud töötama kõrge-soolasisaldusega, tugevalt-oksüdeerivates ja pideva elektrolüüsiga keskkondades 24 tundi ööpäevas. Pühendatunatitaananoodi varrastarnija NAVI Titanium kasutab gradientkatte tehnoloogiat, kõrge{0}}puhtusastmega substraadi modifitseerimist ja liidese katalüüsi optimeerimist, et valmistada elektroode, mis kestavad 8–10 aastat ja kasutavad nii vähe energiat kui 3,2 kWh/kg kasutatava kloori kohta. Ükskõik, kas projekti jaoks on vaja väikest seadet, mis suudab taluda 50 g/h, või suurt süsteemi, mis talub 5000 g/h, on NAVI Titaniumil selleks oskused ja oskused. Võtke ühendust juba täna ja laske insenerimeeskonnal luua teie süsteemi jaoks õige elektroodilahendus.
Kontakt:sales@navititanium.com.
Viited
1. Trasatti, S. (1987). Elektrokatalüüs hapniku ja kloori anoodsel eraldumisel. Electrochimica Acta, 32(3), 369–382.
2. Consonni, V., Trasatti, S., Pollak, F., & O'Grady, WE (1987). Kloori eraldumise mehhanism oksiidanoodidel: pH mõjude uurimine. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 228(1–2), 393–406.
3. Õlu, HB (1980). Metallanoodide leiutamine ja tööstuslik arendamine. Journal of The Electrochemical Society, 127(8), 303C–307C.
4. Karlsson, RKB ja Cornell, A. (2016). Selektiivsus hapniku ja kloori eraldumise vahel kloor-leelise- ja kloraadiprotsessides. Chemical Reviews, 116(5), 2982–3028.
5. Panic, VV, Dekanski, AB, Miskovic-Stankovic, VB ja Nikolic, BZ (2005). Sol{12}}geel- valmistas titaanil RuO₂/TiO₂ katete elektrokatalüütilise aktiivsuse kloori eraldumise reaktsiooni jaoks ette. Journal of Solid State Electrochemistry, 9 (9), 614–619.
6. Moradi, F. ja Dehghanian, C. (2014). IrO₂ lisamine RuO₂ + TiO2 kaetud anoodidele ja selle mõju anoodide elektrokeemilisele jõudlusele kloor- leelismembraani rakkudes. Progress in Natural Science: Materials International, 24(2), 134–141.
