وقتی مهندسان تصفیه آب در مورد تولید هیپوکلریت سدیم در سایت- صحبت می کنند، یک جزء مدام مطرح می شود: میله آند تیتانیوم. این در قلب هر سلول الکترولیتی قرار دارد و بدون آن، واکنش تکامل کلر به سادگی آنطور که سیستم‌های ضدعفونی مدرن می‌خواهند انجام نمی‌دهد. این مقاله دقیقاً نحوه عملکرد آن واکنش، اینکه چرا ماده آند بسیار مهم است و چه چیزی یک الکترود قابل اعتماد را از الکترودهایی که زودتر از موعد از کار افتاده جدا می کند، توضیح می دهد.
چگونه یک میله آند تیتانیوم واکنش تکامل کلر را تحریک می کند؟
مکانیسم الکتروشیمیایی پشت تولید کلر
یک اصل ساده الکتروشیمیایی برای ساخت هیپوکلریت سدیم الکترولیتی استفاده می شود. هنگامی که جریان مستقیم از محلول آب نمک عبور می کند، یون های کلرید به سمت سطح آند حرکت می کنند. در یک فرآیند اکسیداسیون در آن سطح، الکترون ها را از دست می دهند و گاز کلر (Cl2) می سازند. گاز بلافاصله در محلول اصلی نزدیک به کاتد حل می‌شود و یون‌های هیپوکلرو اسید (HOCl) و هیپوکلریت (OCl-) را می‌سازد که ضدعفونی می‌کنند.
دو اتم Cl- به Cl2 و دو اتم e- تبدیل می شوند. هیپوکلریت سدیم زمانی ساخته می شود که Cl2 مایع با هیدروکسید سدیم ساخته شده در کاتد مخلوط شود. کل فرآیند بستگی به این دارد که سطح آند تا چه حد به مرحله اول اکسیداسیون کلرید سرعت می بخشد.
چرا ماده آند بازده واکنش را تعیین می کند؟
در محیط های صنعتی، این واکنش همیشه نمی تواند با همه مواد رسانا اتفاق بیفتد.
آند باید بتواند در محیطی کلرید{0}} و بسیار اکسید کننده کار کند و در عین حال پتانسیل مازاد خود را پایین نگه دارد. این ولتاژ اضافی است که بیش از حداقل نظری برای هدایت واکنش مورد نیاز است. یک میله آند تیتانیوم که با اکسیدهای فلزی مخلوط (MMO) پوشانده شده است، می تواند مازاد پتانسیل بین 40 تا 80 میلی ولت برای تولید کلر تولید کند که نسبت به سایر گزینه ها بسیار کمتر است. کاهش مازاد پتانسیل مستقیماً منجر به مصرف انرژی کمتر به ازای هر کیلوگرم کلر قابل استفاده می شود.
میله آند تیتانیوم و اکسیداسیون یون کلرید در سطح آند
آنچه در رابط الکترود-الکترولیت اتفاق می افتد
شیمی روی سطح آند بسیار واضح است. هنگامی که یون های کلرید به نقطه ای می رسند که الکترود و محلول به هم می رسند، به سایت های کاتالیزوری فعال روی لایه می چسبند. بخش دی اکسید روتنیم (RuO2) یک لایه MMO روتنیم{2}}ایریدیم در کاتالیزور واکنش ها بسیار خوب است زیرا انرژی لازم برای شروع فرآیند اکسیداسیون کلر را کاهش می دهد. دی اکسید ایریدیوم (IrO2) پوشش را در طول دوره های طولانی اکسیداسیون پایدار نگه می دارد و واکنش تکاملی اکسیژن رقابتی (OER) را متوقف می کند، که بدون تولید کلر مفید، جریان را مصرف می کند.
مطالعه‌ای در مجله The Electrochemical Society نشان می‌دهد که پوشش‌های اکسید مخلوط RuO2 و IrO2 همیشه بهتر از لایه‌های اکسید تک جزیی از نظر راندمان جریان و پایداری پوشش زمانی که بارها و بارها در آب نمک الکترولیز می‌شوند، عمل می‌کنند.
چگونه ترکیب پوشش، گزینش پذیری را شکل می دهد
یکی از راه‌های اندازه‌گیری موفقیت، نگاه به گزینش‌پذیری تکامل کلر است، که مقدار جریانی است که به جای O2 به Cl2 می‌رود. بسته به دما و چگالی جریان، یک MMO خوب- ساخته شده استمیله آند تیتانیومراندمان جریان کلر بالای 85 تا 95 درصد در آب نمک غلیظ است. این انتخاب بالا یک اشتباه نیست. مقدار روتنیوم به ایریدیوم، ضخامت پوشش و شکل سطح همگی با هم کار می کنند تا جذب کلر را بیشتر از اکسیداسیون آب ایجاد کنند. یک آند MMO با کارایی بالا با یک محصول استاندارد بسیار متفاوت است زیرا این پارامترها را بهینه می کند.
چگونه میله های آند تیتانیوم MMO باعث تکامل کلر در آب نمک می شود
پوشش اکسیدهای فلزی مخلوط، سطحی با چگالی زیاد ایجاد می کند که مستقیماً با محلول غنی از کلرید واکنش نشان می دهد. تعداد زیادی سایت فعال در واحد سطح در شبکه اکسیدی وجود دارد که باعث سرعت بخشیدن به مرحله انتقال بار بین یون های کلرید و الکترود می شود.
مطالعات طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی نشان داده‌اند که الکترودهای تیتانیوم پوشیده شده با MMO نسبت به الکترودهایی که پوشش داده نشده یا از گرافیت ساخته نشده‌اند، مقاومت انتقال{0} بسیار کمتری دارند.
در شرایط{0}}شوری بالا مانند ضد رسوب اقیانوس یا تصفیه آب در گردش صنعتی، یک میله آند تیتانیوم MMO خروجی کلر را بدون رسوب سطحی یا غیرفعال شدن اکسید که مانع از کارکرد مواد دیگر می‌شود، ثابت نگه می‌دارد.
از آنجایی که پوشش‌های MMO تجزیه‌شده حرارتی دارای مورفولوژی گلی{0}}ترک متخلخل هستند، سطح فعال واقعی حتی بیشتر می‌شود. این باعث افزایش توان کاتالیزوری بدون بزرگتر کردن الکترود می شود.
فعالیت سطحی میله آند تیتانیوم و تولید هیپوکلریت سدیم
فعالیت سطحی و مقدار هیپوکلریت سدیم ساخته شده به طور مستقیم با هم مرتبط هستند. اگر فعالیت سطحی بیشتر باشد، یون های کلرید بیشتری در واحد زمان در واحد سطح اکسید می شوند. این بدان معنی است که کل2 بیشتر در محلول حل می شود و HOCl/OCl- بیشتری برای ضدعفونی وجود دارد. کار مهندسی سخت‌تر این است که آن عمل را برای هزاران ساعت کار ادامه دهیم.
این مشکل با فناوری پوشش کامپوزیت گرادیان حل می شود، که اکسیدهای کاتالیزوری را به جای متمرکز کردن آنها در یک تماس، در چندین لایه پخش می کند. لایه‌های داخلی به هم می‌چسبند و استرس را از بین می‌برند، در حالی که لایه‌های بیرونی کار کاتالیزوری را انجام می‌دهند. این ساختار مانع از لایه برداری و گسترش میکروترک می شود که باعث می شود غیرفعال شدن{2}}کلرید به پایه تیتانیوم برسد.
هنگامی که بستر غیرفعال می شود، بار در سلول به سرعت بالا می رود، مصرف انرژی افزایش می یابد و خروجی کلر کاهش می یابد. اگر بسازیدمیله آند تیتانیومبه درستی به این ترتیب خراب نمی شود و فعالیت سطحی بالای خود را برای مدت طولانی حفظ می کند.
چگونه میله آند تیتانیوم از تولید پایدار کلر در الکترولیز پشتیبانی می کند
به همان اندازه که توانایی اوج مهم است ثبات است. تصفیه خانه ها و سیستم های تصفیه فاضلاب شهری که استخرهای شنا را تمیز نگه می دارند همیشه فعال هستند. هر گونه تغییر در مقدار کلر آزاد شده بر میزان ضدعفونی و رعایت قوانین آن تأثیر می گذارد.
سرعت تولید کلر با یک میله آند تیتانیوم که برای الکترولیز مداوم- طراحی شده ثابت می ماند. این کار با مخلوط کردن ولتاژ سلول کم و پایدار، چسبندگی پوشش بالا و مقاومت در برابر خوردگی پایه انجام می شود.
لایه اکسید طبیعی تیتانیوم (TiO2) در برابر خوردگی در محیط‌های غنی از کلرید بسیار مقاوم است. با این حال، اگر این لایه اکسیدی در زیر پوشش MMO بیش از حد رشد کند، می تواند مشکل ساز شود که به آن غیرفعال سازی می گویند.
پیش تصفیه پیشرفته بستر، مانند اچ کردن، زبری سطح، و لایه های پیوند میانی، از رشد TiO2 در جایی که پوشش با بستر برخورد می کند، متوقف می کند. نتیجه نهایی یک مجموعه الکترود است که ولتاژ سلول را حتی پس از سال ها استفاده مداوم در محدوده باریکی نگه می دارد. این باعث می شود مصرف انرژی واحد در 3.2-3.8 کیلووات ساعت به ازای هر کیلوگرم کلر قابل استفاده حفظ شود.
نتیجه گیری
فرآیند تکامل کلر آسان به نظر می رسد، اما در واقع انجام آن بسیار سخت است. در سطحمیله آند تیتانیوم، تمام متغیرهای عملکرد با هم جمع می شوند. این موارد شامل پتانسیل بیش از حد، راندمان جریان، دوام پوشش و پایداری زیرلایه است. فهمیدن اینکه این واکنش چگونه کار می‌کند روشن‌تر می‌کند که چرا تیتانیوم با پوشش MMO به دقت طراحی شده تنها راه برای ساخت هیپوکلریت سدیم الکترولیتی برای استفاده در تصفیه آب شهری، ضدعفونی استخرهای شنا، آب در گردش صنعتی و ضد رسوب آب دریا است.
سوالات متداول
1. چه چیزی یک میله آند تیتانیوم را از الکترود گرافیتی یا فولاد ضد زنگ در کاربردهای تکامل کلر بادوام تر می کند؟
+
-
تیتانیوم نسبت به گرافیت یا فولاد ضد زنگ در محیط‌های اکسیدکننده و غنی از کلرید در برابر خوردگی بسیار مقاوم‌تر است. در طی اکسیداسیون آندی، گرافیت تجزیه شده و الکترولیت را آلوده می کند. هنگامی که در معرض کلر فعال قرار می گیرد، فولاد ضد زنگ خیلی سریع زنگ می زند. تیتانیوم ساختار را قوی نگه می دارد و لایه MMO سطح کاتالیزوری را فراهم می کند. این به الکترود اجازه می دهد تا 8 تا 10 سال تحت شرایط کنترل شده بدون توقف کار کند.
2. چگالی جریان چگونه بر عملکرد میله آند تیتانیوم MMO تأثیر می گذارد؟
+
-
چگالی جریان بیش از حد، سایش پوشش را تسریع می‌کند و دمای سلول را افزایش می‌دهد، که گزینش پذیری نسبت به تکامل اکسیژن را تغییر می‌دهد و بازده جریان کلر را کاهش می‌دهد. اکثر میله‌های آند تیتانیوم MMO برای محدوده‌های چگالی جریان معین - معمولاً 200-500 A/m² برای الکترولیز آب نمک - تأیید شده‌اند و ماندن در آن محدوده از پوشش محافظت می‌کند و خروجی کلر را ثابت نگه می‌دارد.
3. آیا میله آند تیتانیوم را می توان در سیستم های تصفیه آب{1} با شوری کم استفاده کرد؟
+
-
با کاهش غلظت کلرید، واکنش با تکامل اکسیژن رقابتی تر می شود، که باعث می شود تکامل کلر موثرتر نباشد. از سوی دیگر، یک پوشش{1}}روتنیوم-ایریدیوم MMO که به خوبی تنظیم شده است، می‌تواند در مقادیر کلرید کمتری نسبت به روتنیوم خالص یا پوشش‌های اکسید استاندارد کار کند. برای استفاده با آب آشامیدنی یا سطوح کم نمک، باید تغییراتی در شکل الکترود و چگالی جریان به همراه دستور پوشش مناسب اعمال شود.
آیا آماده‌اید یک میله آند تیتانیوم-با کارایی بالا تهیه کنید؟ با NAVI Titanium صحبت کنید
شرکت NAVI Titanium Metal Technology Co., Ltd. الکترودهای روتنیوم-روتنیوم{2}}ایریدیوم را ایجاد و می‌سازد که برای کار در محیط‌های الکترولیز با نمک زیاد، قوی-به مدت 24 ساعت در روز ساخته شده‌اند. به عنوان اختصاصیمیله آند تیتانیومتامین‌کننده، NAVI Titanium از فناوری پوشش گرادیان، اصلاح-خواصی بالا و بهینه‌سازی کاتالیز رابط برای ساخت الکترودهایی استفاده می‌کند که 8 تا 10 سال دوام می‌آورند و انرژی کمتری به اندازه 3.2 کیلووات ساعت بر کیلوگرم کلر قابل استفاده مصرف می‌کنند. چه پروژه نیاز به واحد کوچکی داشته باشد که بتواند 50 گرم در ساعت را تحمل کند یا به یک سیستم بزرگ که بتواند 5000 گرم در ساعت را تحمل کند، NAVI Titanium مهارت و توانایی انجام آن را دارد. همین امروز تماس بگیرید و به تیم مهندسی اجازه دهید راه حل مناسب الکترود را برای سیستم شما بسازند.
تماس:sales@navititanium.com.
مراجع
1. Trasatti، S. (1987). الکتروکاتالیز در تکامل آندی اکسیژن و کلر Electrochimica Acta، 32 (3)، 369-382.
2. Consonni, V., Trasatti, S., Pollak, F., & O'Grady, WE (1987). مکانیسم تکامل کلر بر روی آندهای اکسید: مطالعه اثرات pH. مجله شیمی الکتروآنالیتیک و الکتروشیمی سطحی، 228 (1-2)، 393-406.
3. آبجو، HB (1980). اختراع و توسعه صنعتی آندهای فلزی. مجله انجمن الکتروشیمیایی، 127 (8)، 303C-307C.
4. کارلسون، RKB، و کورنل، A. (2016). گزینش پذیری بین تکامل اکسیژن و کلر در فرآیندهای کلر-قلیایی و کلرات. بررسی های شیمیایی، 116 (5)، 2982-3028.
5. Panic، VV، Dekanski، AB، Miskovic-Stankovic، VB، و Nikolic، BZ (2005). فعالیت الکتروکاتالیستی ژل{12}سول، پوشش‌های RuO2/TiO2 روی تیتانیوم را برای واکنش تکامل کلر آماده کرد. مجله الکتروشیمی حالت جامد، 9 (9)، 614-619.
6. مرادی، ف.، و دهقانیان، سی (1393). افزودن IrO2 به آندهای روکش دار RuO2 + TiO2 و تأثیر آن بر عملکرد الکتروشیمیایی آندها در سلول‌های غشایی کلر-. پیشرفت در علوم طبیعی: مواد بین المللی، 24 (2)، 134-141.
