Титанов аноден прът: Как много{0}}слойните покрития предотвратяват пукнатини и разслояване

Когато се прави натриев хипохлорит, той едновременно натоварва електродите, което ускорява разрушаването им. По време на процесите на отделяне на хлор повърхността на анода е изложена на сурови окислителни условия, докато се обработват богати на хлорид-флуиди, които са токсични. Еднослойните-слоеве от рутений или иридиев оксид са реактивни, но не са структурно здрави. Когато температурата се промени по време на работа, разликата в коефициентите на топлинно разширение между покритието и титаниевата основа причинява напрежение на интерфейса.

Електрохимичните инженерни изследвания показват, че повредата на покритието обикновено започва при много малки дефекти, където хлоридните йони могат да попаднат в основния метал на титана. Основата прави изолационен слой от титанов диоксид, който повишава напрежението на клетката и намалява ефективността на тока, след като се разкрие. Този процес на пасивиране означава, че електродът вече не е полезен, дори ако покритието изглежда добре.

Композиционните наклони, които се движат от основата към контакта с разтвора, се използват в системи с много-слойни покрития. Най-тънкият слой прилепва силно към титан, който вече е обработен, и често съдържа титанови оксиди, които правят слоевете химически съвместими и механично свързани. Средните слоеве намират добра комбинация между електрическа проводимост и устойчивост на корозия. Най-горният слой, наречен каталитичен слой, прави генерирането на хлор възможно най-бързо.

Тази -базирана на слоеве структура разпространява механичното напрежение между интерфейсите, вместо да го концентрира в единия край. Когато се появят малки пукнатини в горния слой, което се случва естествено по време на температурни цикли, слоевете отдолу спират хлорида да стигне до основния метал. Титановият аноден прът има много "животи", защото всеки защитен слой поддържа електрода работещ дори след като е бил повреден отвън.

Освен че правят нещата по-дълготрайни, градиентните покрития намаляват свръхпотенциала, необходим за отделяне на хлор. Проучвания, които тестват ефективността на MMO (смесен метален оксид) аноди, разкриват, че подобрените много-слойни структури понижават напрежението на клетката с 0,2 до 0,4 волта в сравнение със стандартните конструкции. Ако това спадане на напрежението се случи за хиляди часове употреба, това ще спести много енергия.

Каталитичното подобрение идва от контролиране на кристалната структура и увеличаване на електрохимично активната повърхност. Към средните слоеве на покритието могат да се добавят проводящи добавки, за да се ускори потокът от електрони, а горният слой остава в правилното съотношение на рутений-към-иридий за отделяне на хлор. Това разделение на функции позволява на всеки слой да изпълнява специфични задачи, които не биха били възможни в планове само с един слой.

Три до пет различни слоя покритие обикновено се използват в професионален-кластитанов аноден прътсистеми и всички те се прилагат чрез контролирани методи на термично разлагане. Основният слой има много титаниеви оксиди, които се образуват, когато субстратът е предварително обработен. Тези оксиди правят повърхността грапава и осигуряват микроскопични места за закрепване. Този основен слой е с дебелина само няколко микрометра и образува важната връзка между субстрата и покритието, която влияе върху общата здравина на лепилото.

Средните слоеве включват смесени оксиди с равни количества иридий и рутений. Често се добавя калаен оксид или танталов оксид, за да се направи структурата стабилна. Тези средни слоеве са с дебелина около 3–5 микрометра и работят както като стени за дифузия, така и като електрически носители. Композиционният градиент гарантира, че няма внезапни промени в материала, които биха могли да причинят натрупване на напрежение или да направят пукнатините по-вероятно да се разпространят.

По време на електролиза разликата в термичното разширение причинява голямо напрежение на интерфейса. По време на работа с висок-ток температурите на разтвора се повишават и покритието и субстратът се разширяват с различна скорост. Традиционните едно-слойни покрития не се справят добре с този неравномерен растеж, което води до образуването на малки пукнатини, които се разпространяват по цялата дебелина на покритието.

Тази термична деформация се разпространява върху много интерфейси в градиентни много{0}}слойни структури. Всяка преходна зона е като гъвкав слой, който поема част от разликата в растежа. Кумулативният резултат е като проектирани материали с градирани свойства, които се освобождават от концентрациите на напрежение чрез бавни промени в свойствата. Тази концепция за механичен дизайн, която идва от термичните бариерни покрития, използвани в самолетите, работи също толкова добре в електрохимични ситуации.

Хлоридните йони, попаднали в титановата основа, често причиняват отлепване на покритието. Когато хлоридите стигнат до основния метал, те причиняват локализирана корозия, която затруднява залепването на покритието, дори ако самото покритие е химически твърдо. Много{2}}слоевите модели правят дифузионните пътища много криволичещи, което прави движението на хлорида много по-бавно.

Плътни слоеве от междинни оксиди с малко дупки в тях работят добре като дифузионни бариери. Композитната структура балансира скоростта на реакциите със своята защитна роля, когато е поставена заедно с каталитично активни, но леко порести външни слоеве. Полевите данни от пречиствателни станции за отпадъчни води показват, че градиентните покрития, които са правилно проектирани, могат да увеличат експлоатационния живот на електродите с 60 до 120% в сравнение с нормалните варианти с един-слой, когато се използват по същия начин.

По време на електролиза повърхността на титановия аноден прът остава силно окислена, което означава, че металите, които не са покрити, бързо биха ръждясали. Покритията от оксид на благороден метал предпазват от анодно увреждане, като са най-доброто място за окисляване вместо титана отдолу. Когато рутениевите и иридиевите оксиди се окисляват, те стават много проводими. Това позволява на електричеството да тече през слоя, без титанът да трябва първо да се окислява.

Тази функция за безопасност зависи от това дали слоят е плътен. Титанът може да бъде окислен дори от малки дефекти като дупки, което започва процес, наречен локализирана пасивация. Много-слойните системи намаляват този риск, като гарантират, че дефектите на повърхността засягат по-късните нива на защита вместо самата основа. Градиентните покрития имат допълнителни слоеве, които работят заедно, за да направят-сигурна система, при която дори малка повреда не се отразява незабавно на това колко добре работи електродът.

Когато електродите се развалят, енергията в клетката се повишава, което ускорява вериги за обратна връзка при повреда. По-високите напрежения създават по-агресивни окисляващи видове и по-високи температури, което прави разпадането на покритието по-бързо. По време на експлоатационния си живот много-слойните покрития поддържат работните напрежения по-ниски и по-стабилни.

Каталитичната ефективност на добре-проектираните външни слоеве поддържа първоначалното напрежение на клетката ниско, а защитната функция на вътрешните слоеве поддържа напрежението фиксирано с добавянето на повече часове на употреба. Над 40 000 часа употреба данните от мониторинга от генератори на натриев хипохлорит с градиентно-покрити електроди показват отклонение на напрежението от по-малко от 0,1 волта. Това е в контраст с опциите с един-слой, при които напрежението се повишава от 0,3 до 0,5 волта през същия период от време.

През повечето време устройствата за пречистване на водата не поддържат стабилна температура. Електродите непрекъснато се разширяват и свиват при температура поради ежедневни цикли, промени във времето и смущения в процеса. Това механично износване е основен начин за повреда на покритията, тъй като напрежението при въртене започва пукнатини и ги разпространява по-бързо от статичното натоварване.

Градиентните покривни структури се отърват от топлинния стрес чрез тяхната слоеста структура, която е подобна на начина, по който ламинираните материали спират разпространението на пукнатини. Когато пукнатина започне в горния слой, тя удря композиционен интерфейс, който спира по-нататъшното му разпространение. На всяка граница на слоя енергията, необходима за разширяване на пукнатината, се повишава, спирайки разцепването, преди да стигне до субстрата.

Внимателната подготовка на субстрата е първата стъпка за укрепванетитанов аноден прътелектроди. За да се направят малки фиксиращи елементи, повърхността на търговски-клас титан се грапави чрез химическо ецване или абразивно бластиране. Контролираното киселинно ецване се използва в усъвършенствани методи за почистване, за да се направят повърхности, които са гладки и имат необходимото количество грапавост.

Повърхността, която вече е била обработена, след това се нагрява, за да се получи тънък слой от титанов оксид, който е химически съвместим с първото нанесено покритие. Този среден оксиден слой, който се получава чрез бавно нагряване на титан във въздух или кислород, прави промяната от метален титан към покритие от керамичен оксид по-плавна. Тази стъпка е много важна, тъй като проблемите със свързването обикновено се причиняват от неправилна подготовка на основата, а не от проблеми със самия покривен материал.

За да се направят много{0}}слойни градиентни покрития, процесите на термично разлагане трябва да бъдат внимателно контролирани. Прекурсорните разтвори с разтворени метални соли се нанасят с четка, напръскват се или се потапят върху повърхности, които вече са били подготвени. След като се покрие, основата се нагрява до 400–500 градуса, което разгражда прекурсорите до стабилни метални оксиди.

За да направите форми с повече от един слой, трябва да извършите стъпките на нанасяне в определен ред, давайки на всеки слой собствена термична обработка. Този групов процес ви позволява да променяте композицията между слоевете, което прави възможно получаването на градиентната архитектура, която искате. Производствената дисциплина е много важна, тъй като отбранителните предимства на много-слойния дизайн могат да бъдат загубени, ако дебелината на покритието не е еднаква, термичното разрушаване не е пълно или има замърсяване между слоевете.

Само визуалната проверка не е достатъчна, за да се докаже качеството на даден слой. Ефективността на полето може да се предвиди чрез тестване за по-кратко време в синтетични електролити с по-висока плътност на тока. Електрохимичната импедансна спектроскопия е не-разрушителен начин да разберете за порите на покритието и качеството на свързване. Производителите с добра репутация използват тези аналитични методи, за да се уверят, че всяка партида от техните продукти отговаря на стандартите за производителност.

Инвестирането в пълен контрол на качеството е това, което отличава професионалните{0}}кабели от по-евтините варианти. Някои производители пропускат стъпките за потвърждение, за да спестят пари, но това е лоша идея, която става ясна, когато се появят грешки в полето твърде рано. Оперативният риск и общата цена на притежание са по-ниски, когато електродите се купуват от доставчици с подробни системи за качество.

Електродните покрития трябва да отговарят на различни нужди за различни електрохимични приложения. Общинските системи за пречистване на отпадъчни води използват умерена плътност на тока и променлива соленост. От друга страна, електродите при промишлена електролиза на солен разтвор са изложени на много висока плътност на тока и много високи концентрации на хлорид. Дезинфекциращите системи за плувни басейни имат по-ниска плътност на тока, но тежки работни цикли с много старт-стоп операции.

Разширенотитанов аноден прътрешенията използват покриващи формули, които са пригодени за всяка цел. Повърхностни слоеве,-богати на иридий, които не се износват добре при приложения с-висок ток, докато доминиращите покрития с-рутений работят добре в-целесъобразни приложения с разумни работни условия. Многослойната -структура позволява на външните слоеве да работят най-добре при определени условия на реакция, докато вътрешните слоеве запазват своята защитна роля във всички ситуации.

Когато хората решават какво да купят, те често се фокусират твърде много върху първоначалната цена на капитала, недостатъчно върху текущите разходи и колко често артикулът трябва да бъде заменен. Пълно проучване за целия живот, което взема предвид разходи като потребление на енергия, труд за поддръжка и резервни части, показва, че първокласните много-слойни електроди са по-рентабилни-, въпреки че струват повече за покупка.

Икономиите на енергия от по-ниското напрежение на клетката продължават да се натрупват, докато електродът се използва. Около 15 до 20 процента от цената на енергията за електролиза се спестява чрез използване на електрод, който работи 8000 часа годишно при 0,3-волта по-ниско напрежение. Когато се добави към удвоен или утроен работен живот, ползите от разходите са големи. Когато съоръженията преминаха от обикновени едно-слойни аноди към алтернативи с инженерно градиентно покритие, те видяха период на изплащане от 18 до 30 месеца и след това продължиха да пестят пари от операции.

Освен самата технология за покритие, успехът на електрода зависи от това колко добре е сглобена цялата система. Как се разпределя токът, какво има в средата, как се контролира температурата и как се управлява потокът, всичко това влияе върху продължителността на живота на един електрод. Дори най-модерният титанов аноден прът не помага много в електролизни клетки, които не са настроени правилно и не могат да контролират добре температурата или потока на тока.

Успешните внедрявания съчетават първокласни електроди с подходящо проектирани системи. Плътността на тока трябва да остане в рамките на спецификациите на производителя, обикновено 100-300 A/m² за генериране на натриев хипохлорит. Контролът на температурата поддържа разтвора под 40 градуса, за да се сведе до минимум термичният стрес. Редовният анализ на електролита гарантира подходяща соленост, като същевременно се избягват прекомерни концентрации на хлорид, които ускоряват износването на покритието. Тези съображения на системно ниво увеличават предимствата на усъвършенстваната електродна технология.