Evolució de la vareta d'ànode de titani: des d'elèctrodes d'alta-energia fins a recobriments degradats

Antigament, els dispositius d'electròlisi utilitzaven elèctrodes de grafit, acer inoxidable o metalls simples, que tenien molts problemes. Els elèctrodes de grafit es van trencar ràpidament als llocs que feien clor, de manera que s'havien de substituir cada tres o sis mesos. Quan els nivells de clorur eren alts, els ànodes d'acer inoxidable es van corroir malament, mentre que les alternatives de coure i ferro no eren gens ideals per a usos d'electròlisi en curs.

El primer gran pas endavant va ser quan es va utilitzar el titani com a material base. El titani és molt resistent a la corrosió en entorns durs, cosa que va permetre fer operacions d'electròlisi a llarg termini-. El titani pur, d'altra banda, forma una capa d'òxid aïllant durant l'electròlisi, el que significa que no es pot utilitzar com a material d'ànode per si sol. A causa d'aquest problema, es van haver de crear superfícies catalitzadores que poguessin mantenir la seva capacitat de conduir l'electricitat alhora que poguessin suportar el dur entorn electroquímic.

Quatre tipus principals de fallades que tenien els elèctrodes més antics es solucionen mitjançant la tecnologia moderna de recobriment de gradient: microcracking, delaminació del recobriment, passivació del substrat i penetració d'ions clorur. Les arquitectures de gradient són diferents dels recobriments uniformes perquè la composició canvia gradualment des de la base de titani fins a la superfície catalítica de l'exterior.

Aquest mètode multi-capes té una zona de transició al mig que ajuda a solucionar els problemes causats per les diferències en les velocitats d'expansió de temperatura entre la base de titani i la capa catalítica activa. Els estudis en revistes d'enginyeria elèctrica mostren que les capes de gradient redueixen la tensió mecànica a l'interior entre un 40 i un 60% en comparació amb les superfícies d'una-capa que són massa abruptes. Això fa que l'adhesió i la resistència a la fallada del recobriment sigui molt millor durant els cicles de temperatura i els canvis en la densitat de corrent.

Hi ha quatre mètodes de recobriment diferents utilitzats en la fabricació moderna, i cadascun té les seves pròpies característiques de rendiment. Els recobriments d'una-capa de ruteni pur tenen una gran activitat catalítica al principi, però duren poc perquè el ruteni es descompon quan s'anoditza el recobriment. Les capes simples estàndard de ruteni-iridi fan que les coses siguin més estables, però encara poden trencar-se per l'estrès mecànic.

Els recobriments MMO uniformes estàndard distribueixen diferents òxids metàl·lics de manera uniforme a través del gruix del recobriment, donant-li un rendiment equilibrat per a la majoria d'usos. Els recobriments compostos degradats, d'altra banda, són l'avantguarda de la tecnologia ara mateix. Col·loquen diferents composicions d'òxids amb cura a diferents profunditats per millorar tant l'eficiència catalítica com la longevitat mecànica.

Les proves de vida accelerades al laboratori mostren que les arquitectures de gradient mantenen més del 85% de la seva activitat catalítica inicial després de 10.000 hores d'operació contínua d'alta densitat de corrent--. Això contrasta amb els recobriments uniformes, que només mantenen el 60-70% de la seva activitat en les mateixes condicions.

En els processos d'oxidació avançada electroquímica (EAOP) utilitzats per netejar aigües residuals industrials complexes, les barres d'ànode de titani recobertes de gradient-funcionen millor que altres materials. La superfície catalítica millorada fomenta la producció de radicals hidroxil alhora que redueix el nombre de reaccions competidores que malgasten electricitat. En comparació amb els elèctrodes normals, aquesta selectivitat redueix la creació de fangs entre un 30 i un 45%, la qual cosa significa menys necessitat de manipulació secundària d'escombraries.

Els costos totals de propietat estan directament relacionats amb la durada d'un dispositiu d'elèctrode. La tecnologia de recobriment degradat utilitza l'alliberament d'estrès dissenyat per solucionar la principal causa de fallada, que és la delaminació del recobriment. Durant el funcionament, les zones de transició de la composició assumeixen una tensió mecànica que prové de les diferències en l'expansió de calor i els canvis de volum electroquímics.

Quan es simulen 10 anys d'operació de camp, els protocols d'envelliment accelerat mostren que el gradient-revestitvaretes d'ànode de titanimantenir la seva integritat estructural sense cap dany visible al recobriment. Els equivalents d'una-capa, en canvi, mostren delaminació de les vores i microesquerdes superficials després de 4-5 anys d'exposició. Aquesta vida útil més llarga significa que els elèctrodes no s'han de substituir amb tanta freqüència, la qual cosa redueix el temps d'inactivitat del sistema i el cost de la mà d'obra de reparació.

Els operadors de la indústria del tractament d'aigua diuen que els elèctrodes recoberts de gradient{0}}duren entre 8 i 10 anys en sistemes que produeixen hipoclorit de sodi les 24 hores del dia, els 7 dies de la setmana i als nivells actuals de 1.000 a 2.000 A/m². Aquestes quantitats de rendiment són tres vegades millors que les versions anteriors de la tecnologia MMO.

A mesura que més instal·lacions deixen de manipular gas clor, el mercat de fabricació d'hipoclorit de sodi ha crescut molt ràpidament. Els sistemes moderns de generació-in situ amb capacitats de 50 g/h a 5000 g/h només utilitzen la tecnologia de varetes d'ànode de titani per canviar el clorur de sodi en hipoclorit de sodi mitjançant l'electroquímica. Els elèctrodes recoberts de gradient-permeten que aquests sistemes funcionin de manera fiable en una àmplia gamma de configuracions, des de petites plantes de tractament d'aigua en zones remotes fins a grans edificis municipals.

Les capes d'ànode avançades són prou resistents com per suportar les condicions d'alta-salinitat dins de les cèl·lules electrolítices alhora que mantenen el mateix nivell d'eficiència de producció de clor. Els dissenyadors de sistemes utilitzen elèctrodes recoberts de gradient-en situacions greus en què la fiabilitat de funcionament té un efecte directe sobre la salut pública. Aquestes situacions inclouen sistemes d'aigua dels hospitals, instal·lacions públiques d'aigua potable i missions de tractament d'aigua d'emergència.

Cada cop més llocs industrials que tracten aigua de llast, corrents d'aigua de procés i aigua de refrigeració recirculada utilitzen sistemes d'electrocloració ambvareta d'ànode de titaniassemblees. Per a aquests usos, els elèctrodes han de poder funcionar contínuament en entorns d'alta-temperatura (fins a 45-50 graus) amb molta contaminació biològica.

La tecnologia de recobriment degradat atura la ràpida pèrdua de rendiment que es produeix quan els compostos orgànics s'adhereixen a les superfícies dels elèctrodes. La capa superior de material catalític fa que la producció de clor funcioni bé i prevé la contaminació. En aquestes situacions difícils, les centrals elèctriques, les plantes petrolieres i els vaixells diuen que els elèctrodes recoberts de gradient-duren entre 7 i 10 anys entre interrupcions de servei.

S'està fent una investigació constant per trobar el millor contingut de metalls preciosos per als recobriments d'ànodes per raons econòmiques. L'iridi i el ruteni són dos factors de cost importants en la fabricació d'elèctrodes. La tecnologia de recobriment degradat us permet posar aquests materials cars on funcionen millor com a catalitzadors mentre s'utilitzen òxids de metalls de transició menys costosos a les capes d'estructura.

Les noves fórmules de recobriment funcionen tan bé o millor que els dissenys més antics alhora que redueixen la quantitat total de metalls preciosos utilitzats entre un 20 i un 35 per cent. Això es fa utilitzant models informàtics per mirar els camins de les reaccions electroquímiques i experiments amb elèctrodes de disc giratori per assegurar-se que els models són correctes. El resultat final són uns elèctrodes que són rendibles-i encara funcionen a un alt nivell.