Титаниев аноден прът- с висока чистота: Как работи модификацията на субстрата

Титаниеви субстрати с висока-чистота се различават от търговските{1}}алтернативи, тъй като съдържат 99,7% или повече титан в тях. Това ниво на чистота има пряк ефект върху това колко добре нещо издържа на корозия в тежки електролитни среди с нива на хлоридни йони над 3000 ppm. Титанът с висока -чистота има кристална структура с равномерни граници на зърната, които разпределят електрическото напрежение равномерно по повърхността на субстрата. Когато нивата на тока достигнат 1000–3000 A/m² по време на производството на натриев хипохлорит, тази равномерност спира образуването на горещи точки, които иначе биха повредили електрода. Тестването, извършено в съоръжения, които работят през цялото време, показва, че титаниеви субстрати от степен 1 ​​запазват формата си в рамките на 0,02 mm вариация след 50 000 часа употреба, докато алтернативите от степен 2 губят формата си в рамките на 0,15 mm вариация.

Първоначално графитните аноди изглеждат като добра цена, но се разграждат бързо в условия на дългосрочно-отделяне на хлор. Тъй като графитът е порест, хлоридните йони могат да преминат през него и да причинят промени в размера, които нарушават структурата на електрода след 2000 до 4000 часа употреба. Пасивирането е различен начин, по който неръждаемата стомана може да се счупи. Тъй като съдържа хром за защита от ръжда, неръждаемата стомана образува защитни оксидни слоеве, когато влезе в контакт с разтвори на хипохлорит. Това повишава напрежението на клетката с 0,8 до 1,5 V и спира работата на системата. Електродите на базата на мед и{10}желязо се разрушават с времето. Медта отделя йони, които замърсяват пречистената вода, което може да причини проблеми със спазването на изискванията за използване на питейна вода. Желязото непрекъснато се окислява, образувайки утайки, които често трябва да се почистват от системата. Титанът е единственият метал, който може да се използва за непрекъснато електролитно хлориране, тъй като е неутрален в алкални условия и проводим при прилагане на напрежение.

Ширината на основата оказва влияние върху механичната якост и устойчивост на топлина. Прътите от 6 до 25 mm имат различни характеристики на тока и топлопреминаване. По-дебелите субстрати могат да издържат по-високи нива на ток, без да натоварват термичната система. По-дебелите дизайни губят материал и не се представят по-добре. Оптималната дебелина балансира механичната твърдост, топлопроводимостта и икономичността на материала според приложението. Спецификациите за грапавост на повърхността също имат значение. Идеалните основи за залепване на покритие имат средна грапавост от 0,8 до 1,6 μm. Покритията не могат да се прикрепят към гладки повърхности, защото им липсват места за механично фиксиране, но грапавите повърхности създават зони на концентрация на напрежение, които предизвикват пукнатини. За да се постигне този диапазон на грапавост, контролираното бластиране или ецване трябва да модифицира топографията на повърхността, без да въвежда примеси или ефекти на-втвърдяване, които биха направили следното покритие да се прикрепи по-бавно.

Пасивният оксиден слой върху титанови повърхности трябва да бъде отстранен преди смяна на субстрата. Това дебело покритие от TiO2 предпазва при нормални условия, но изолира, предотвратявайки адхезията на покритието. Химическото ецване премахва оксида и прави повърхността грапава чрез контролирани киселинни операции. Техниката увеличава използваемата повърхност с 35–60%, позволявайки механично заземяване и електрохимична активност. При регулирани температури ецването с оксалова киселина създава малки, равномерни вдлъбнатини върху субстрата. Този процес създава отвори от 2–5 микрометра, за да осигури три{10}}основа за следващия слой покритие. След правилната процедура на ецване контактното съпротивление на повърхността намалява от 0,12 Ω·cm² до 0,03 Ω·cm². Намаляването на контактното съпротивление намалява напрежението на клетката и потреблението на енергия.

Контролираните температурни цикли модифицират вътрешната кристална структура на титановия субстрат, подобрявайки механичните и електрохимичните свойства. Повърхностите се нагряват до 650–750 градуса в контролирана среда и постепенно се охлаждат, за да се промени разпределението на производственото налягане. Поради диференциалното термично разширение, когато температурата на електрода варира по време на работа, това облекчаване на напрежението предотвратява загубата на покритие. Границите на зърната на целия субстрат се изравняват чрез термична обработка. Равномерно разпръснатите форми на зърната дифузират плътността на тока, предотвратявайки прегряване и влошаване на покритието. Оптимизираните термични цикли правят субстратите с 40% по-устойчиви на умора-при ситуации на циклично натоварване като стартиране-спиране на работа на пречиствателна станция. След това лечение, титанов аноден прътдиаметрите са по-стабилни и могат да се очакват коефициенти на разширение. Това запазва покритието непокътнато при всички работни температури.

Повърхностната енергия се повишава от около 35 до 40 dynes/cm до между 60 и 72 dynes/cm, когато се използват методи за плазмено почистване и коронен разряд. Тази по-висока повърхностна енергия улеснява намокрянето на прекурсорните разтвори за покритие, което гарантира, че покритието е равномерно покрито без никакви ефекти на обезвлажняване или разпръскване, които променят дебелината на покритието. Проучването с рентгенова фотоелектронна спектроскопия показва повече Ti-O-Ru мостово свързване на границата между основата и покритието. Това прави възможно свързването-на молекулярно ниво, което само механичното закрепване не може да направи. Този механизъм на химическо свързване обяснява защо правилно модифицираните субстрати поддържат покритието залепено дори след 70 000 часа употреба, докато немодифицираните субстрати започват да се разслояват след 15 000 до 20 000 часа употреба при същите условия.

Контролираното бластиране с песъчинки създава формата на повърхността, необходима за адхезията на покритието. Средата от алуминиев оксид или силициев карбид при 4–6 бара създава хомогенна повърхност без примеси. Ъгълът на удара, размерът на носителя и продължителността на експозицията трябва да са правилни. Дори незначителни промени в ъгъла на взривяване или налягане от 15 градуса или 10 psi могат да предизвикат неравномерни профили на повърхността и преждевременна повреда на покритието. Усъвършенствана механична обработка, shot peening, увеличава налягането на натиск върху горния слой на субстрата. Методът използва кръгли частици с регулирани скорости, за да изкриви титана до 100 до 250 микрометра, което го прави по-гъвкав. Този слой от напрежение на натиск балансира напреженията на опън, причинени от нанасянето на покритието и промяната на температурата, предотвратявайки счупвания в интерфейса на основното-покритие. Правилно шлифованите субстрати издържат на силите на разслояване, които биха разкъсали покритията по време на процесите на отделяне на хлор.

Химическите процеси, протичащи на етапи, подготвят повърхностите за най-добро свързване на покритието. Използването на алкални разтвори или органични разтворители за обезмасляване премахва промишлените отпадъци и органичните замърсители. Ако не отстраните напълно смазката, оставяте след себе си малки слоеве замърсяване, които спират химическото свързване на основата и покритието. След това киселинното почистване премахва ръждата и котления камък, като същевременно спира абсорбцията на водород, което може да отслаби титановия основен материал.

Активиращите обработки добавят тънки слоеве оксид, които помагат на титановия субстрат и функционалните покрития да се слепят. Контролираното окисление при определена температура и въздушно налягане прави рутил-фазови TiO₂ слоеве с дебелина точно от 50 до 200 нанометра. Този слой в средата е химически съвместим както с титановия субстрат, така и със смесените покрития от метален оксид. Създава степенуван интерфейс, който намалява концентрацията на напрежение и увеличава якостта на сцепление.

Усъвършенстваните техники за измерване гарантираттитанов аноден прътматериалната промяна отговаря на критериите. Профилометрията на повърхността гарантира, че стойностите на Ra са в диапазона от 0,8 до 1,6 μm чрез измерване на повърхностните фактори. Контактният ъгъл измерва повърхностната енергия. Повърхността е достатъчно влажна за нанасяне на покритие при стойности под 20 градуса. Микроструктурните характеристики при сканираща електронна микроскопия разкриват замърсяване, неравномерно ецване и неадекватно повърхностно активиране.

Тестът за адхезия може да бъде опасен или не-разрушителен. Тестването за издърпване измерва силата, необходима за отстраняване на тестовите покрития от основите. По-високо от 15 MPa е подходящо за променени повърхности. Пробите бяха покрити при две екстремни температури по време на теста за термичен шок. Години на реалистичен топлинен стрес бяха възпроизведени в по-кратък период. Тези строги тестове за сертифициране показват, че даден субстрат е готов за дългосрочна-полева употреба.

В анода хлорът се трансформира чрез множество фази на сложни процеси. Хлоридните йони от солевия разтвор се окисляват върху повърхността на електрода, създавайки разтворени хлорни и хипохлоритни йони. Активиращата енергийна бариера на тази реакция е чувствителна към повърхностните характеристики на електрода. Каталитичната активност зависи от субстрата и покритието.

Титаниеви пластини с висока-чистост осигуряват постоянни канали за трансфер на електрони за равномерен поток на тока по повърхността на електрода. Тази еднаквост предотвратява струпването от образуването на хлор на ограничени места. pH и напрежението в слоя на определени места намаляват. Постоянното състояние на окисление на титана поддържа характеристиките на електрода постоянни, за разлика от реактивните метали, които създават подвижни оксидни слоеве, които влияят на електрохимията.

Субстратът провежда електричество и поддържа каталитичното покритие. Когато основата е модифицирана за оптимални повърхностни условия, слоевете от рутениев-иридиев оксид се прилепват и са най-плътни. Електролитите имат проблеми с достигането на интерфейсите на субстрата чрез дебели покрития. Това предотвратява пасивирането, което повишава напрежението на клетките и намалява ефективността.

Неподготвена основа, замърсяване от неправилно почистване или концентрации на напрежение от неконтролирана обработка създават слаби зони в покритието. Микропукнатини, разслояване и локализирана корозия са резултат от тези грешки. Ефективните електроди върху модифицирани субстрати поддържат клетъчно напрежение под 4,5 V при 2000 A/m² плътност на тока при внедряване на място. Лошата подготовка на субстрата води до нарастване на напрежението на електрода до 5,5–6,5 V след 12–18 месеца, което води до разрушаване на покритието и намаляване на ефективността на отделяне на хлор.

При електрохимично образуване на хлор количеството използвана енергия е пряко свързано с напрежението на клетката. Около 12 до 15 процента по-малко енергия се използва за всеки 0,5 V спад на работното напрежение, което спестява много пари през целия живот на електрода. Титаниеви субстрати, които са правилно сменени, дават 0,3 до 0,5 V по-малко напрежение от опции, които не са били правилно подготвени. Това спестява от 7 до 12% енергия, което добавя до хиляди долари годишно за бизнес инсталации. Theтитанов аноден прътс най-добрата промяна на субстрата запазва своите стабилни електрохимични свойства, което спира изместването на напрежението, което се случва с лоши електроди. Съоръженията, които използват усъвършенствана технология за модификация на субстрата, казват, че използват 3,2 до 3,8 kWh енергия на килограм хлор, докато системите със стандартни електроди използват 4,5 до 6 kWh. Това предимство на ефективността расте през 8–10-годишния полезен живот на електрода, осигурявайки възвръщаемост на инвестицията чрез по-ниски разходи за електроенергия, които са много по-високи от допълнителните разходи за правилна смяна на субстрата.

Процесът започва с-титанов тръбен материал с висока чистота, който отговаря на изискванията на ASTM B348 степен 1. Сертифицирането на материала проверява химичния-състав, като се обръща специално внимание на интерстициалните елементи като кислород, азот и въглерод, които влияят на това колко гъвкав е материалът и колко добре е устойчив на корозия. Суровината се измерва, за да се гарантира, че е права в рамките на 0,5 mm на метър и че ширината е винаги една и съща, в рамките на 0,1 mm. Окончателните размери на пръта се задават по време на първите стъпки на обработка, което също предпазва повърхността. В процесите на рязане се използват остри инструменти и контролирани скорости на подаване, за да се сведе до минимум втвърдяването при работа и увреждането на повърхността. Преди смяна на повърхността се извършват операции като нарязване на резба, пробиване за монтажен хардуер и довършване на размерите. Това е така, защото те създават механични натоварвания и повърхностни промени, които трябва да бъдат фиксирани чрез по-късни обработки.

Етапите на повърхностна обработка се извършват върху готови пръти. Първо използвайте горещи алкални разтвори, за да елиминирате маслото и греста. Ултразвуковото разбъркване премахва машинните течности и остатъците от дръжката. Киселинното ецване елиминира оксидните слоеве с помощта на киселини с контролирана-концентрация при определени температури и периоди на потапяне след обезмасляване. Съставките на разтвора за ецване и параметрите на процеса определят качествата на повърхността, поради което те трябва да бъдат регулирани, за да изпълнят изискванията. След ецване субстратите се подлагат на топлинна обработка, химическо активиране или механични обработки, в зависимост от конструкцията на електрода. Всяка терапия следва доказани методи със стандарти за качество и наблюдавани параметри. Цялостното измиване отстранява замърсителите от процеса, които могат да попаднат в следващите процедури за обработка. След модификацията на повърхността субстратът отговаря или надвишава критериите за грапавост, чистота и повърхностна енергия и може да бъде покрит.

Методите на термично разлагане се използват за нанасяне на покрития от смесени метални оксиди, които съдържат съединения на рутений и иридий. Върху готовите субстрати прекурсорните разтвори с разтворени метални соли се нанасят с четка, напръскват или потапят, за да се направят тънки течни листове, които покриват всички активни повърхности. Покритите повърхности се изсушават при контролирани температури, за да се отърват от разтворителите, без да се разграждат металните съединения.

Когато изсушените прекурсори се изпичат при високи температури, те се превръщат в оксидни покрития, които провеждат електричество. Изпичането се извършва в специални пещи, които могат прецизно да контролират температурата и-напълването на въздуха вътре. Покритието става по-дебело с времето, преминавайки през няколко кръга на нанасяне, сушене и изгаряне. Всеки слой е с дебелина само от 1 до 3 микрометра. Постепенното натрупване прави покрития, които са плътни и равномерни, без напукване под напрежение, което би се случило с едно дебело нанасяне. Крайният слой покритие обикновено е между 8 и 15 микрометра, което осигурява достатъчно каталитична активност и защита от корозия, без да се използва твърде много ценен метал.

Преди да бъдат изпратени, готовите електроди преминават през много тестове. Визуалната инспекция открива дефекти в покритието, проверката на размерите гарантира, че отговарят на изискванията, а електрическите тестове проверяват съпротивлението на покритието и проводимостта на основата. Ускореното тестване на живота в симулирани работни условия може да предвиди колко добре ще работи нещо на полето. Стандартите за приемане се основават на това колко стабилно е напрежението и колко добре залепва покритието след същия брой часове употреба.

Електрохимичният тест в стандартни електролитни разтвори проверява колко добре се отделя хлорът, напрежението на клетката при определени нива на ток и електрохимичната активност на покритието. Тези измервания ни дават отправна точка за сравняване на производителността в полето, което ни позволява бързо да открием всякакви разлики в производството. Само електроди, които отговарят на всички стандарти за ефективност, накрая се опаковат и изпращат. Това гарантира, че клиентите получават стоки, които могат да работят според обещанията и да издържат толкова дълго, колкото е обещано.