Cực dương titan để xử lý và khử trùng nước uống

Nước uống an toàn không phải là một thứ xa xỉ - nó là nhu cầu cơ bản của con người. Tuy nhiên, con đường từ nước thô đến nước uống sạch lại liên quan đến kỹ thuật điện hóa nghiêm trọng. Một bộ phận lặng lẽ thực hiện những công việc nặng nhọc trong các nhà máy xử lý nước hiện đại, các thiết bị khử trùng tại chỗ và các hệ thống-sử dụng{4}}điểm sử dụng làthanh anode titan. Nhỏ gọn, bền và ổn định về mặt hóa học, điện cực này đã định hình lại cách các kỹ sư tiếp cận phương pháp khử trùng trên quy mô lớn.

Hướng dẫn này trình bày cách hoạt động của thanh cực dương titan bên trong hệ thống nước uống, nơi nó được triển khai và lý do tại sao các đặc tính điện hóa của nó khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên hơn các vật liệu điện cực cũ.

Thanh Anode Titan được sử dụng như thế nào trong xử lý nước uống điện phân?

 

Cơ chế điện hóa đằng sau nước sạch

Quá trình điện phân bắt đầu khi một thanh cực dương titan được đặt vào dung dịch nước muối hoặc nước muối yếu và nối với nguồn điện một chiều. Trong chất điện phân, các ion clo di chuyển lên đỉnh cực dương, mất electron và liên kết với nhau tạo thành khí clo. Clo phản ứng ngay với nước tạo thành axit hypochlorous (HOCl) và ion hypochlorite (OCl⁻). Đây là hai loài hoạt động được kết hợp để tạo thành “clo sẵn có”.

Clo có sẵn là chất diệt vi trùng rất tốt. Axit hypochlorous phá vỡ màng tế bào của vi khuẩn và tiêu diệt mầm bệnh như vi khuẩn, vi rút và động vật nguyên sinh ở nồng độ thấp tới 0,2 đến 0,5 mg/L. Toàn bộ vòng phản ứng được cung cấp năng lượng bằng điện nên không cần bình chứa khí clo hoặc kho chứa hóa chất tại-tại chỗ.

Tại sao Titanium là chất nền được lựa chọn

Titan nguyên chất (Cấp 1 hoặc Cấp 2) tạo ra một lớp oxit ngăn chặn rỉ sét trong điều kiện nước khắc nghiệt. Nhưng lớp thụ động đó làm cho điện trở cao hơn, đó là lý do tại sao lớp phủ oxit kim loại có giá trị được phủ lên trên lớp đế titan. Lớp phủ oxit kim loại hỗn hợp Ruthenium-iridium (Ru-Ir) làm giảm đáng kể khả năng tạo ra clo quá mức. Điều này làm giảm điện trở tế bào xuống Nhỏ hơn hoặc bằng 0,02 Ω và cho phép mật độ dòng điện hiệu dụng từ 10 A/m2 đến 5.000 A/m2.

Cực dương than chì phân hủy nhanh chóng trong dung dịch muối đang bị oxy hóa, để các hạt carbon xâm nhập vào nước. Cực dương làm bằng sắt và thép không gỉ ăn mòn, làm thay đổi màu của nước và bổ sung thêm ion sắt. Cả hai vật liệu đều không thể hoạt động không ngừng nghỉ 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần như hệ thống nước uống của thành phố cần làm. Thanh cực dương bằng titan được-chế tạo tốt và có lớp phủ MMO có thể chạy liên tục trong 8–10 năm trong môi trường được kiểm soát mà không bị hỏng.

Ứng dụng thanh Anode Titan để khử trùng nước tại chỗ-

Thành phố và Cộng đồng-Quy mô sản xuất Natri Hypochlorite

-Các phương pháp tạo natri hypoclorit (OSHG) tại chỗ ngày càng trở nên phổ biến ở các công ty nước lớn. Thay vì di chuyển và lưu trữ một lượng lớn chất tẩy lỏng có thể gây nguy hiểm và{2} tốn thời gian, công nhân hòa tan muối trong nước, cho nước muối chạy qua một tế bào điện phân chứa đầy các thanh cực dương titan và tạo ra dòng dung dịch natri hypoclorit đều đặn ngay tại nhà máy.

Hệ thống OSHG sử dụng ruthenium-iridiumthanh anode titansử dụng khoảng 3,2 đến 3,8 kWh năng lượng cho mỗi kg clo có sẵn. Ở mức độ hiệu quả đó, một hệ thống phục vụ một thành phố cỡ trung bình-có thể giảm chi phí cho chất khử trùng đồng thời loại bỏ những nguy hiểm khi xử lý lượng lớn clo. Hình dạng thanh linh hoạt cho phép các kỹ sư xếp chồng nhiều tế bào lên nhau và thay đổi sản lượng clo từ 50 g/h thành 5.000 g/h, do đó, nó có thể được sử dụng ở nhiều nơi, từ giếng cộng đồng nhỏ đến các nhà máy xử lý khu vực lớn.

Điểm-của-Hệ thống nước uống dân dụng và sử dụng

Hộp khử trùng điện phân nhỏ gọn và thiết bị lọc nước sử dụng thanh cực dương bằng titan ở quy mô hộ gia đình và cộng đồng-nhỏ. Một số máy nước nóng gia đình có thanh cực dương được phủ titan-để bảo vệ bình chứa khỏi tác hại của catốt và khử trùng nhẹ nước được lưu trữ thông qua phương pháp điện hóa, ngăn chặn sự hình thành màng sinh học và giảm mùi hôi.

Bởi vì nó tận dụng tối đa diện tích bề mặt điện cực trong một tế bào dòng chảy nhỏ nên hình dạng que đặc biệt phù hợp với các thiết kế hộp mực nội tuyến. Mật độ dòng điện thấp, thường từ 50 đến 200 A/m2 để sử dụng trong gia đình, giúp quá trình tạo hypochlorite đủ nhẹ nhàng để tránh tạo ra quá nhiều sản phẩm phụ clorat trong khi vẫn tiêu diệt vi khuẩn một cách hiệu quả.

Mức độ clo được tạo ra bởi thanh cực dương titan hỗ trợ quá trình khử trùng

Cơ chế bất hoạt mầm bệnh

Khi độ pH nhỏ hơn 7,5, axit hypochlorous tạo ra trên bề mặt thanh cực dương titan là một phân tử trung tính. Nó có thể xuyên qua thành tế bào vi khuẩn dễ dàng hơn nhiều so với ion hypochlorite tích điện âm vì nó có điện tích trung tính. Nó thay đổi các nhóm sulfhydryl trong enzyme thành oxy, ngăn chặn quá trình sao chép DNA và làm phẳng gradient proton trên màng tế bào khi nó xâm nhập vào bên trong. Việc tiêu diệt mầm bệnh trong nước-nhanh và rộng rãi này không tạo ra các sản phẩm phụ có hại như một số hóa chất khử trùng khác có thể gây ung thư.

Tổ chức Y tế Thế giới có các nghiên cứu cho thấy rằng 0,5 mg/L axit hypochlorous có thể tiêu diệt 99,9% vi khuẩn E. coli trong vòng vài giây sau khi chạm vào. Rotavirus cần nồng độ cao hơn một chút, thường là 1–2 mg/L, vẫn nằm trong phạm vi mà các tế bào điện phân dựa trên ruthenium-iridium anode-có thể tạo ra.

Khử trùng dư lượng thông qua mạng lưới phân phối

Một điều tuyệt vời về natri hypoclorit được tạo ra bằng phương pháp điện hóa là nó có thể duy trì cùng một lượng chất khử trùng trong nước xuyên suốt mạng lưới phân phối. Rất nhiều nơi, chẳng hạn như Quy tắc xử lý nước bề mặt của EPA Hoa Kỳ, có quy định nói rằng phải có ít nhất 0,2 mg/L clo trong nước mà mọi người uống. Bằng cách sử dụng máy phát OSHG dựa trên thanh cực dương titan-, các hệ thống có thể thêm dung dịch hypochlorite ở đầu ra của nhà máy xử lý và giữ cho lượng dư cố định trong suốt quá trình chạy đường ống dài. Điều này bảo vệ chất lượng nước từ nhà máy đến nơi sử dụng.

Lựa chọn thanh Anode Titan cho các hệ thống xử lý nước uống khác nhau

Kết hợp hóa học lớp phủ với ma trận nước

Nhiệt độ, độ pH và lượng clorua trong nước nguồn đều ảnh hưởng đến lớp phủ MMO nào hoạt động tốt nhất. Đối với các hệ thống nước ngầm có nồng độ muối thấp cần thêm muối thực phẩm{1}}vào chất điện phân, hỗn hợp ruthenium-iridium với chất ổn định tantalum (gốc IrO₂-Ta₂O₅ với lớp phủ Ru) mang lại sự cân bằng tốt nhất cho hoạt động tiến hóa clo và tuổi thọ của lớp phủ.

Đối với hệ thống thức ăn nước lợ hoặc nước mặn có nhiều muối, việc bổ sung thêm ruthenium sẽ đẩy nhanh quá trình oxy hóa clorua và giảm lượng năng lượng cần thiết để tạo ra một đơn vị clo.

Độ dày lớp phủ trên bề mặt cũng rất quan trọng.thanh anode titanlà. Ở mật độ dòng điện vừa phải, lớp MMO 6–10 micron trên titan Loại 1 tồn tại trong 8–10 năm. Đối với các mục đích sử dụng với dòng điện cao trong thời gian ngắn, chẳng hạn như chu trình định lượng sốc-được sử dụng trong quá trình khởi động hệ thống hoặc tăng cường khử trùng hàng năm, các lớp dày hơn (lên đến 15 micron) hoạt động tốt nhất.

Cấu hình vật lý: Thanh so với lưới so với tấm

Hình dạng que hoạt động tốt nhất trong các tế bào dòng chảy hình ống, trong đó điện cực cần vừa khít bên trong một đoạn ống hoặc lò phản ứng hình trụ-. Các định dạng lưới và tấm hoạt động tốt với bố cục ô-phẳng phổ biến ở các địa điểm thành phố lớn hơn. Do sự kết hợp của độ cứng cấu trúc, phân bố dòng điện đồng đều dọc theo chiều dài và việc thay thế đơn giản mà không làm cạn kiệt toàn bộ vỏ tế bào, thanh cực dương titan vẫn là dạng phổ biến nhất cho các thiết bị khử trùng nội tuyến nhỏ phục vụ các tòa nhà dân cư, trường học hoặc trạm y tế nông thôn.

Thiết kế hệ thống thanh Anode Titan để khử trùng nước liên tục

Quản lý mật độ hiện tại và tối ưu hóa tuổi thọ

Mức dòng điện hoạt động liên quan trực tiếp đến tuổi thọ của điện cực. Khi bạn tiếp tục chạy thanh cực dương titan ở mức cao nhất trong phạm vi định mức của nó, chẳng hạn như 3.000 đến 5.000 A/m2, lớp phủ sẽ mòn nhanh hơn và nguy cơ thụ động của chất nền sẽ tăng lên.

Lớp phủ MMO tổng hợp gradient, một công nghệ mới được cải tiến nhờ nghiên cứu gần đây trong giới học thuật và công nghiệp, phân tán ứng suất trên nhiều lớp phủ. Điều này ngăn chặn các vết nứt nhỏ và sự phân tách từng làm giảm tuổi thọ của điện cực ở mật độ dòng điện cao.

Một hệ thống-được cân nhắc kỹ lưỡng{1}}có khả năng điều khiển dòng điện tự động giúp giảm dòng điện khi nhu cầu thấp và tăng dòng điện khi nhu cầu cao. Điều này giữ cho sản lượng clo khả dụng nằm trong phạm vi ±5% điểm đặt và bề mặt cực dương nằm trong cửa sổ mật độ dòng điện lý tưởng của nó. Phương pháp này làm tăng đáng kể tuổi thọ hữu ích và rút ngắn thời gian giữa các lần sửa chữa.

Tích hợp và giám sát hệ thống

Tế bào điện phân được kết hợp với máy dò clo, bộ điều khiển dòng chảy và đầu dò pH trong các thiết bị OSHG hiện đại. Vòng lặp dữ liệu cho phép người vận hành thay đổi lượng muối đưa vào và lượng dòng điện rút ra trong thời gian thực. Điều này bù đắp cho những thay đổi về nhiệt độ xảy ra theo mùa và ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của quá trình điện phân.

Các thanh cực dương bằng titan có điện thế điện hóa ổn định-chất lượng quan trọng của lớp phủ MMO tốt-giữ cho lượng clo đầu ra không bị trôi, giúp việc kiểm soát quy trình trở nên đáng tin cậy hơn.

Là một phần của quá trình bảo trì thường xuyên, bề mặt điện cực được làm sạch bằng axit-thường xuyên để loại bỏ cặn canxi và magie tích tụ trong nước cứng. Nếu bạn làm theo hướng dẫn, việc xả axit clohydric loãng trong 15 đến 30 phút sẽ khôi phục hoạt động bề mặt mà không làm tổn thương lớp phủ MMO.

Phần kết luận

cácthanh anode titanlà một phần quan trọng trong quá trình khử trùng nước uống hiện đại vì nó có hiệu quả điện hóa, không rỉ sét và có thời gian sử dụng lâu dài. Nó có thể được sử dụng trong mọi thiết bị, từ một hộ gia đình đến máy tạo natri hypoclorit cho cả thành phố. Bằng cách sử dụng lớp phủ MMO, đặc biệt là hỗn hợp ruthenium{2}}iridium, bạn có thể đạt được hiệu suất sản xuất clo cần thiết để đáp ứng các yêu cầu về dư lượng theo quy định trong khi vẫn duy trì mức sử dụng năng lượng trong phạm vi có thể chi trả được. Khi các kỹ sư và nhóm mua hàng xem xét công nghệ điện cực, titan phủ ruthenium-iridium-luôn được chứng minh là lựa chọn đáng tin cậy nhất và tiết kiệm chi phí-để khử trùng nước mọi lúc.

Hợp tác với NAVI Titanium để có các giải pháp khử trùng nước uống đáng tin cậy

Điện cực hoạt động tốt với nước sạch là những gì NAVI Titanium cung cấp. NAVI Titanium được thành lập vào năm 2008 và có trụ sở tại Khu công nghệ cao Baoji-, Trung Quốc, là trung tâm chế biến titan lớn nhất thế giới. Trong hơn 15 năm, công ty đã thiết kếthanh anode titangiải pháp sử dụng trong xử lý nước đô thị,-sản xuất natri hypoclorit tại chỗ và khử trùng nhà cửa. Các điện cực được phủ ruthenium-iridium MMO- của chúng tôi có điện trở tế bào chỉ ở mức 0,022 Ω, giữ cho dòng clo đầu ra ổn định trong phạm vi mật độ dòng điện rộng và đã được thử nghiệm cho độ bền sử dụng liên tục từ 8–10 năm.

Là nhà cung cấp cam kết về thanh cực dương titan, NAVI Titanium giúp khách hàng mọi thứ từ thiết kế quy trình đến sản xuất, tùy chỉnh và giao các thanh cực dương. Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn có thể được nhìn thấy trên các mẫu miễn phí. Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẵn sàng trợ giúp bạn với bất kỳ câu hỏi kỹ thuật nào mà bạn có, bất kể bạn cần bao nhiêu clo (50 g/h hoặc 5.000 g/h).

Hãy liên hệ ngay hôm nay để có được lựa chọn phù hợp với hệ thống xử lý nước của bạn: gửi email tớisales@navititanium.com.

Tài liệu tham khảo

1. Tổ chức Y tế Thế giới. Hướng dẫn uống nước-Chất lượng nước, tái bản lần thứ 4. Nhà xuất bản WHO, Geneva, 2017.

2. Kraft, A. "Khử trùng nước bằng điện hóa: Đánh giá ngắn gọn." Tạp chí Kim loại Bạch kim, tập. 52, số. 3, 2008, trang. 177–185.

3. Bergmann, MEH và cộng sự. "Sản xuất điện hóa clo và hypochlorite từ dung dịch natri clorua." Tạp chí Điện hóa ứng dụng, tập. 32, 2002, trang. 1173–1182.

4. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ. -Sản xuất Natri Hypochlorite tại chỗ để khử trùng nước uống. EPA/600/R-16/236, Văn phòng Nghiên cứu và Phát triển, 2016.

5. Comninellis, C. và G. Chen, biên tập. Điện hóa học cho môi trường. Springer, New York, 2010.

6. Trasatti, S. " Xúc tác điện trong quá trình tiến hóa anốt của oxy và clo." Electrochimica Acta, tập. 29, no. 11, 1984, pp. 1503–1512.