Sự phát triển của thanh cực dương titan: Từ điện cực-năng lượng cao đến lớp phủ chuyển màu

Trước đây, các thiết bị điện phân sử dụng điện cực làm bằng than chì, thép không gỉ hoặc kim loại đơn giản nên gặp rất nhiều vấn đề. Các điện cực than chì nhanh chóng bị hỏng ở những nơi tạo ra clo nên phải thay thế ba đến sáu tháng một lần. Khi nồng độ clorua cao, cực dương làm bằng thép không gỉ bị ăn mòn nặng, trong khi các vật liệu thay thế làm bằng đồng và sắt hoàn toàn không lý tưởng cho việc sử dụng điện phân liên tục.

Bước tiến lớn đầu tiên là khi titan được sử dụng làm vật liệu cơ bản. Titan có khả năng chống ăn mòn rất cao trong môi trường khắc nghiệt, giúp có thể thực hiện các hoạt động điện phân lâu dài-. Mặt khác, titan nguyên chất tạo thành một lớp oxit cách điện trong quá trình điện phân, có nghĩa là nó không thể được sử dụng làm vật liệu cực dương. Vì vấn đề này, các bề mặt xúc tác phải được tạo ra để có thể giữ được khả năng dẫn điện đồng thời có thể chịu được môi trường điện hóa khắc nghiệt.

Bốn loại hư hỏng chính mà các điện cực cũ gặp phải đã được khắc phục bằng công nghệ phủ gradient hiện đại: nứt vi mô, tách lớp phủ, thụ động hóa chất nền và thâm nhập ion clorua. Kiến trúc chuyển màu khác với lớp phủ đồng nhất vì thành phần thay đổi dần dần từ nền titan sang bề mặt xúc tác ở bên ngoài.

Phương pháp nhiều lớp này có vùng chuyển tiếp ở giữa giúp khắc phục các sự cố gây ra bởi sự khác biệt về tốc độ giãn nở nhiệt độ giữa lớp nền titan và lớp xúc tác hoạt động. Các nghiên cứu trên các tạp chí kỹ thuật điện cho thấy các lớp gradient làm giảm ứng suất cơ học bên trong từ 40–60% so với các bề mặt một lớp quá đột ngột. Điều này làm cho độ bám dính và khả năng chống hư hỏng lớp phủ tốt hơn nhiều trong các chu kỳ nhiệt độ và những thay đổi về mật độ dòng điện.

Có bốn phương pháp phủ khác nhau được sử dụng trong sản xuất hiện đại và mỗi phương pháp có đặc tính hiệu suất riêng. Lớp phủ một lớp ruthenium{1}}tinh khiết ban đầu có nhiều hoạt tính xúc tác nhưng chúng không tồn tại lâu vì ruthenium bị phân hủy khi lớp phủ được anod hóa. Các lớp đơn ruthenium{3}}iridium tiêu chuẩn giúp mọi thứ ổn định hơn nhưng chúng vẫn có thể bị nứt do áp lực cơ học.

Lớp phủ MMO đồng nhất tiêu chuẩn trải đều các oxit kim loại khác nhau dọc theo độ dày của lớp phủ, mang lại hiệu suất cân bằng cho hầu hết các mục đích sử dụng. Mặt khác, lớp phủ composite gradient hiện đang là công nghệ tiên tiến nhất. Họ đặt các thành phần oxit khác nhau một cách cẩn thận ở các độ sâu khác nhau để cải thiện cả hiệu quả xúc tác và tuổi thọ cơ học.

Thử nghiệm tăng tốc tuổi thọ trong phòng thí nghiệm cho thấy kiến ​​trúc gradient giữ được hơn 85% hoạt động xúc tác ban đầu sau 10.000 giờ hoạt động liên tục với mật độ-dòng-cao. Điều này trái ngược với các lớp phủ đồng nhất, chỉ giữ được 60–70% hoạt tính của chúng trong cùng điều kiện.

Trong các quy trình oxy hóa nâng cao điện hóa (EAOP) dùng để làm sạch nước thải công nghiệp phức tạp, thanh cực dương titan được phủ-gradient hoạt động tốt hơn các vật liệu khác. Bề mặt xúc tác được cải tiến khuyến khích sản xuất các gốc hydroxyl đồng thời giảm số lượng phản ứng cạnh tranh gây lãng phí điện năng. So với các điện cực thông thường, khả năng chọn lọc này giúp giảm lượng bùn tạo ra từ 30–45%, nghĩa là nhu cầu xử lý rác thứ cấp ít hơn.

Tổng chi phí sở hữu liên quan trực tiếp đến tuổi thọ của thiết bị điện cực. Công nghệ phủ gradient sử dụng khả năng giải phóng ứng suất được thiết kế để khắc phục nguyên nhân chính gây ra lỗi là lớp phủ bị bong tróc. Trong quá trình vận hành, các vùng chuyển tiếp thành phần chịu ứng suất cơ học xuất phát từ sự khác biệt về sự giãn nở nhiệt và thay đổi thể tích điện hóa.

Khi mô phỏng 10 năm vận hành tại hiện trường, các quy trình lão hóa tăng tốc cho thấy rằng độ dốc-được phủthanh anode titangiữ tính toàn vẹn cấu trúc của chúng mà không có bất kỳ hư hỏng lớp phủ nào có thể nhìn thấy được. Mặt khác, các lớp tương đương-có một lớp, cho thấy sự tách lớp ở cạnh và vết nứt vi mô trên bề mặt sau 4-5 năm tiếp xúc. Tuổi thọ hoạt động dài hơn có nghĩa là các điện cực không cần phải thay thế thường xuyên, giúp giảm thời gian ngừng hoạt động của hệ thống và chi phí nhân công sửa chữa.

Các nhà vận hành trong ngành xử lý nước cho biết rằng các điện cực được phủ gradient-có tuổi thọ từ 8 đến 10 năm trong các hệ thống tạo ra natri hypoclorit 24 giờ một ngày, 7 ngày một tuần và ở mức hiện tại là 1000 đến 2000 A/m². Hiệu suất này tốt hơn ba lần so với các phiên bản công nghệ MMO trước đây.

Khi ngày càng có nhiều cơ sở ngừng xử lý khí clo, thị trường sản xuất natri hypoclorit đã phát triển rất nhanh. Các hệ thống tạo-hiện đại tại chỗ có công suất từ ​​50 g/h đến 5000 g/h chỉ sử dụng công nghệ thanh cực dương titan để biến natri clorua thành natri hypoclorit thông qua điện hóa học. Các điện cực được phủ-gradient giúp các hệ thống này có thể hoạt động đáng tin cậy trong nhiều môi trường khác nhau, từ các nhà máy xử lý nước nhỏ ở vùng sâu vùng xa đến các tòa nhà thành phố lớn.

Lớp phủ cực dương tiên tiến đủ chắc chắn để xử lý các điều kiện-độ mặn cao bên trong tế bào điện phân trong khi vẫn duy trì cùng mức hiệu quả sản xuất clo. Các nhà thiết kế hệ thống sử dụng các điện cực được phủ gradient{2}}trong các tình huống nghiêm trọng khi độ tin cậy vận hành có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Những tình huống này bao gồm hệ thống nước bệnh viện, cơ sở cung cấp nước uống công cộng và các nhiệm vụ xử lý nước khẩn cấp.

Ngày càng có nhiều khu công nghiệp xử lý nước dằn, xử lý dòng nước, nước làm mát tuần hoàn sử dụng hệ thống điện hóa clo hiện đại.thanh anode titantập hợp. Đối với những mục đích sử dụng này, các điện cực cần có khả năng hoạt động liên tục ở cài đặt-nhiệt độ cao (lên đến 45–50 độ ) với nhiều ô nhiễm sinh học.

Công nghệ phủ gradient giúp ngăn chặn tình trạng mất hiệu suất nhanh chóng xảy ra khi các hợp chất hữu cơ dính vào bề mặt điện cực. Lớp vật liệu xúc tác trên cùng giữ cho quá trình sản xuất clo hoạt động tốt và ngăn ngừa sự tắc nghẽn. Trong những tình huống khó khăn này, các nhà máy điện, nhà máy dầu khí và tàu thủy cho biết rằng các điện cực được phủ gradient{2}}có tuổi thọ từ 7 đến 10 năm giữa các lần ngừng sử dụng.

Nghiên cứu liên tục đang được thực hiện để tìm ra hàm lượng kim loại quý tốt nhất cho lớp phủ cực dương vì lý do kinh tế. Iridium và ruthenium là hai yếu tố chi phí quan trọng trong việc chế tạo điện cực. Công nghệ phủ gradient cho phép bạn đặt những vật liệu đắt tiền này ở nơi chúng hoạt động tốt nhất làm chất xúc tác trong khi sử dụng các oxit kim loại chuyển tiếp ít tốn kém hơn trong các lớp cấu trúc.

Các công thức phủ mới hoạt động tốt hơn hoặc tốt hơn các thiết kế cũ hơn trong khi giảm tổng lượng kim loại quý được sử dụng từ 20 đến 35%. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình máy tính để xem xét đường đi của các phản ứng điện hóa và các thí nghiệm với các điện cực đĩa quay để đảm bảo các mô hình là chính xác. Kết quả cuối cùng là các điện cực vừa tiết kiệm chi phí-mà vẫn hoạt động ở hiệu suất cao.