Ако някога сте се сблъсквали с разграждане на електроди, неочаквани пикове на напрежението или преждевременна повреда на покритието в електролизна система, вече знаете колко разрушителни могат да бъдат тези проблеми. Theтитанов аноден прътседенето във вашата електролитна клетка носи по-голямо бреме, отколкото повечето хора си представят - и как повърхността й е подготвена преди нанасяне на покритие определя почти всичко относно това колко дълго издържа и колко добре работи.
Тази статия разглежда науката и практиката на повърхностната предварителна обработка на титаниеви анодни пръти, като обяснява защо тази стъпка не-подлежи на обсъждане за високо-ефективни електрохимични системи.
Защо предварителната обработка на повърхността има значение за титанов аноден прът?
Проблемът с пасивен оксиден слой
Титанът е метал, който реагира. Веднага щом влезе в контакт с въздуха, той натрупва дебел слой титанов диоксид (TiO₂). Това, което прави титана толкова устойчив на корозия при тежки условия, е този слой. Това обаче прави много трудно каталитичното покритие да се залепи добре към основата.
Всяко покритие от оксид на благороден метал, поставено върху този пасивен слой, няма да залепне добре, освен ако този слой не бъде отстранен или сменен. Вместо да създава истинска химическа или метална връзка, покритието просто седи върху повърхност, която не реагира с химикали. Когато топлинният цикъл, отделянето на газ и постоянният поток на ток поставят напрежение върху тази слаба повърхност, тя се счупва. Появяват се пукнатини, последва разслояване и полезният живот на електрода приключва.
Защо пропускането на тази стъпка струва повече с времето
Титанов аноден прът, който не е добре почистен, може да работи на пръв поглед. Проблемите с адхезията на покритието обикновено не се проявяват веднага;
те се показват след стотици или хиляди часове употреба. Повредата на контакта между основата и покритието вече е далеч, когато може да се види.
Проучване в Journal of Applied Electrochemistry показва, че качеството на подготовката на субстрата преди нанасяне на покритието е пряко свързано с това колко дълго издържа един електрод. Електродите, чиито повърхности са правилно подготвени, обикновено имат по-ниски работни напрежения, по-стабилно разпределение на плътността на тока и измеримо по-дълъг живот от тези, чиито повърхности не са правилно подготвени.
Подготовка на основата на титанов аноден прът за по-добра адхезия на покритието
Механично и химическо кондициониране на повърхността
Подготовката на субстрат за титанов аноден прът включва както механични, така и химични стъпки. Едното не може да бъде пропуснато в полза на другото. Повърхността на титана е физически грапава чрез стъпки като шлайфане или повърхностно шлайфане. Това прави повече контактна площ, към която слоят да се залепи. По-грапавата повърхност има повече точки на закрепване и покритие, което залепва към повърхността, вместо да се отлепи.
След механично кондициониране натитанов аноден прътидва химическо ецване. Потапянето в контролиран разтвор на оксалова киселина или флуороводородна киселина разгражда неактивния слой TiO₂ и надрасква ръбовете на зърната на титановия субстрат. Това прави повърхността микро-текстурирана, което улеснява механичното слепване на субстрата и нанесения каталитичен слой.
Протоколи за избор и почистване на субстрат с висока{0}}чистота
Много зависи от вида титан, който се използва за основата.
Титан от клас 1 е най-чистият и най-гъвкав тип, така че е най-добрият избор за аноди, които ще се използват в условия с високо-сол, непрекъснато-натоварване, като двигатели с натриев хипохлорит или системи за електролиза на солена вода. Започването с основа с висока -чистота е от съществено значение, тъй като примесите и междинните елементи в металната матрица могат да създадат локализирани зони на напрежение, които ускоряват повредата на покритието.
Предотвратяването на кръстосано-замърсяване се извършва чрез следване на протоколи за почистване между механични и химически стъпки. Шлайфането може да остави след себе си абразивни частици или метални частици, които могат да се вградят в повърхността и да направят покритието по-малко равномерно. Професионалните производители на електроди винаги използват ултразвукови почистващи вани и изплаквания с дейонизирана вода, за да се уверят, че повърхността е чиста, преди да започнат да прилагат каквато и да е покривна химия.
Модифициране на повърхността и електрохимични характеристики на титанов аноден прът
Как състоянието на повърхността влияе върху кинетиката на реакцията
Не само покритието влияе върху това колко добре работи електрохимично една титанова анодна пръчка; състоянието на интерфейса между субстрата и покритието също играе роля. На границата между електрода и електролита съпротивлението на пренос на заряд се понижава чрез промяна на повърхността, за да включва контролирана микропорьозност и места за химическо активиране.
Когато съпротивлението на пренос на заряда е ниско, електродът достига своя целеви работен потенциал по-бързо. В реалния живот това означава по-ниско напрежение на клетката, по-малко потребление на енергия и по-стабилна продукция, независимо дали правите натриев хипохлорит, почиствате промишлени отпадъчни води или управлявате система за дезинфекция на плувен басейн.
Изследователи по електрохимия в китайските университети са открили, че правилно променени титаниеви субстрати имат до 15% по-нисък свръхпотенциал за генериране на хлор в сравнение с контролите, които не са били модифицирани и са покрити със същите материали.
Това е реално увеличение на скоростта, което се натрупва за 24-часово бягане.
Стабилност при непрекъснато високо{0}}натоварване
Титановият аноден прът трябва да работи усилено в среда с постоянна електролиза. Движението на газовите мехурчета създава малки количества механично напрежение върху повърхността на покритието. Промените в температурата на електролита карат субстрата и покривните слоеве да се разширяват и свиват с различна скорост. Хлорните йони се опитват да преминат през всякакви малки дупчици в покритието и атакуват материала отдолу.
И трите точки на напрежение могат да бъдат преодолени чрез правилна промяна на повърхността на титана. Химическото активиране прави основа, която расте със същата скорост като каталитичния оксиден слой при нагряване. Променената зърнеста структура е по-добра за задържане на хлоридни йони, отколкото повърхност, която не е била променена. В резултат на това електродът остава електрохимично стабилен за хиляди часове употреба, вместо да се влошава с течение на времето, както някои електроди правят през първите няколко седмици.
Много{0}}слойни покрития за по-стабилна работа на титанов аноден прът
Архитектурата на градиентното покритие
Има някои проблеми при нанасянето на един слой покритие директно върху добре-подготвен титанов субстрат. Когато температурата се промени, разликата в коефициентите на топлинно разширение между титановата основа и покритието от рутений или иридиев оксид, което е по-скоро като керамика, причинява напрежение вътре в материала. С течение на времето тези налягания се натрупват в точката, където основата се среща с покритието, което причинява образуването на малки пукнатини.
Този проблем е решен чрез много-архитектурата на многослойно градиентно покритие натитанов аноден прът, който добавя средни слоеве, които променят свойствата на материала постепенно от субстрата навън. С градиентен дизайн има структурна зона на възглавница между титановия метал и напълно окисления каталитичен слой вместо остър преход между тях. Всеки слой има малко по-високо съдържание на оксид и малко по-ниско съдържание на метален титан.
Това означава, че топлината и механичното напрежение се разпространяват по цялата дебелина на покритието, вместо да се концентрират в един ръб.
Четири болезнени точки, които градиентният дизайн решава
Известно е, че дълго време покритията на електродите се развалят по четири често срещани начина: появяване на микро-пукнатини, разслояване на покритието, пасивиране на субстрата и проникване на хлоридни йони. Градиентните композитни покрития действат върху всички тези видове повреди едновременно.
Микропукнатините започват да се образуват там, където има голямо напрежение. Градиентните слоеве разпределят напрежението и намаляват концентрацията. Когато адхезията към интерфейса-покритие на субстрата е неуспешна, се получава разслояване. Границата на слабата -връзка се премахва чрез комбиниране на правилно модифициран субстрат с композиционно степенуван интерфейсен слой. Пасивирането на субстрата се случва, когато кислородът преминава през пукнатини в покритието и повторно -окислява титана. Дебелите слоеве в средата спират преминаването на кислорода.
Подобни дефекти затрудняват хлоридните йони да стигнат до субстрата през същите дебели слоеве, които спират движението на йони там.
Подобряване на отделянето на хлор с обработена повърхност на титанов аноден прът
Каталитична активност и реакция на отделяне на хлор
Реакцията на отделяне на хлор (CER) е основният електрохимичен процес, използван за получаване на натриев хипохлорит, разграждане на морска вода и получаване на хлор-алкали. За да направите това, повърхността на анода трябва да благоприятства отделянето на хлор пред отделянето на кислород. Това предпочитание е пряко свързано с каталитичните свойства на повърхността.
На титанов аноден прът рутениевият оксид (RuO₂) е основният катализатор, който контролира отделянето на хлор. Иридиевият оксид (IrO₂) играе паралелна роля, като поддържа покритието стабилно при оксидативен стрес при дългосрочна-използване. Общата CER ефективност на електрода зависи от това колко добре са балансирани тези две части и как са поставени върху правилно подготвен субстрат.
Проучване в списание Electrochimica Acta показва, че смесени оксидни покрития от RuO₂ и IrO₂ върху титаниеви субстрати, които вече са били обработени, могат да освободят повече от 95% хлор, когато се използват при най-добри условия.
Тъй като е толкова селективен, той намалява количеството паразитно отделяне на кислород, което губи електроенергия и не помага за дезинфекцията на въздуха.
Реално-световно въздействие върху производителността на системата за дезинфекция
Качеството на титановия аноден прът влияе както върху цената на експлоатация, така и върху надеждността на системата при пречистване на обществени води и дезинфекция на басейни. Електродът с висока-производителност поддържа изхода на хипохлорит постоянен през целия си експлоатационен живот, така че не е необходимо постепенно да увеличава тока, за да компенсира загубата на активност.
Съоръженията, които използват титанови аноди, които са правилно изградени и предварително обработени, отчитат по-равномерна ефективност на дезинфекция, по-малко работа по поддръжката и по-ниска единица консумация на енергия на килограм създаден активен хлор. Тези резултати не са само предположения; те показват добавената стойност на всяка правилно извършена стъпка в процеса на производство на електроди, от избора на субстрата до смяната на повърхността и накрая нанасянето на покритието.
Заключение
Подготовката на повърхността не е малка част от производствототитанов аноден прът; това е първата стъпка, която решава колко добре залепва покритието, колко добре работят електродите и колко дълго ще издържат пръчките. Всяка стъпка от подготвителния процес, от премахване на пасивни слоеве и смяна на субстрата до използване на архитектура на градиентно много-слойно покритие, има пряк ефект върху това колко добре работи електродът при тежки, непрекъснати-настройки. Когато купувате електроди за пречистване на вода, дезинфекция или промишлена електролиза, инженерите по закупуване, системните дизайнери и работниците в съоръженията могат да направят по-добър избор, когато познават този процес.
ЧЗВ
1. Какво прави титановия субстрат по-добър от графит или неръждаема стомана за анодни приложения?
+
-
Титанът предлага уникална комбинация от устойчивост на корозия, стабилност на размерите и съвместимост с покрития от каталитичен оксид, с които графитът и неръждаемата стомана не могат да се сравнят. Графитът ерозира прогресивно при анодна поляризация в среда, богата на -хлорид. Неръждаемата стомана разтваря и въвежда метално замърсяване в електролита. Титанът запазва своята структурна цялост, като същевременно осигурява стабилна основа за каталитичното покритие, което задвижва реакцията на отделяне на хлор.
2. Колко дълго издържа правилно предварително обработен титанов аноден прът при непрекъсната работа?
+
-
При контролирани работни условия - подходяща плътност на тока, концентрация на електролита и управление на температурата - високо-качествен титанов аноден прът с градиентно композитно покритие може да постигне експлоатационен живот от 8–10 години. Дълготрайността на електродите е силно чувствителна към качеството на предварителната обработка, поради което модификацията на субстрата е критична производствена стъпка, а не незадължително подобрение.
3. Могат ли титаниеви анодни пръти да се използват както в прясна вода, така и в среда с висока-соленост?
+
-
Титаниевите анодни пръти са подходящи за широк диапазон от електролитни условия, от системи за питейна вода с ниска-проводимост до промишлени солеви разтвори с висока-соленост и приложения против замърсяване на морска вода. Специфичният състав на покритието и класът на субстрата се избират въз основа на химията на електролита и работните параметри на всяко приложение.
Готови ли сте да надстроите производителността на вашия електрод? Свържете се с NAVI Titanium днес
NAVI Titanium е проектирал високо{0}}ефективни рутениеви-иридиеви-титанови аноди за електролизни среди, в които е трудно да се работи през цялото време. Като топ доставчик натитанов аноден прътs, NAVI Titanium използва рафинирана предварителна-чистота на субстрата, собствена технология за градиентно композитно покритие и строг контрол на качеството, за да направи електроди, които издържат 8–10 години и използват 3,2–3,8 kWh/kg налична хлорна енергия за единица време. Инженерният екип на NAVI Titanium е готов да ви помогне да намерите персонализирани решения, които ще намалят текущите ви разходи с 10–25%, независимо дали трябва да пречиствате градска вода, да дезинфекцирате плувни басейни или да почиствате отпадъчни води от фабрики.
Можете незабавно да изпратите имейл до екипа на NAVI Titanium наsales@navititanium.comда говорите за нуждите на вашия проект и да получите подробности за продукта.
Референции
1. Burke, LD, & Mulcahy, JK (1976). Електрохимично поведение на рутениеви-оксидни електроди в киселинен разтвор. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 73(2), 207–220.
2. Чен, X. и Чен, Г. (2005). Стабилни Ti/RuO₂-Sb₂O₅-SnO₂ електроди за отделяне на O₂ с нисък свръхнапрежение. Electrochimica Acta, 50 (20), 4155–4159.
3. Comninellis, C. & Vercesi, GP (1991). Характеризиране на отделящи кислород електроди тип DSA-: избор на покритие. Journal of Applied Electrochemistry, 21 (4), 335–345.
4. De Battisti, A., & Trasatti, S. (1979). Електрохимично поведение на RuO₂+IrO₂ смесени оксидни електроди в киселинен разтвор. Journal of Electroanalytical Chemistry, 100 (1–2), 697–713.
5. Панич, В. В., Декански, А., Милонич, С. К., Мишкович-Станкович, В. Б. и Николич, Б. Ж. (2005). Влиянието на времето на стареене на RuO₂ и TiO₂ золите върху електрохимичните свойства и поведението на активираните титанови аноди. Electrochimica Acta, 50 (21), 4276–4284.
6. Трасати, С. (2000). Електрокатализа: разбиране на успеха на DSA. Electrochimica Acta, 45 (15–16), 2377–2385.
