آند تیتانیوم برای تصفیه آب: بهینه سازی کاتالیزوری برای مصرف انرژی کمتر

واکنش تکامل کلر در سطح آند چیزی است که باعث می شود تولید هیپوکلریت سدیم کار کند. هنگامی که آب شور از طریق سلول الکترولیتی جریان می یابد، یون های کلرید به سمت الکترود با بار مثبت حرکت می کنند. لایه کاتالیزوری میله آند تیتانیوم حرکت الکترون ها را آسان تر می کند، که به اکسیداسیون کلرید در سطوح ولتاژ پایین تر اجازه می دهد. این کاهش بیش از حد پتانسیل بلافاصله منجر به صرفه جویی در انرژی در فرآیندهایی می شود که همیشه اجرا می شوند.

انتخاب بستر تیتانیوم به دلایلی مهم است که همگی به یکدیگر مرتبط هستند. این فلز مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی ناشی از کلر دارد و شکل خود را در شرایط اسیدی مانند آنچه در اثر الکترولیز ایجاد می شود حفظ می کند. لایه دی اکسید تیتانیوم به طور طبیعی به عنوان پایه ای برای عایق عمل می کند و قبل از افزودن کاتالیزور باید به روش خاصی درمان شود. با تغییر زیرلایه به روش صحیح، یک رابط رسانا ایجاد می شود که غیرفعال شدن را متوقف می کند، که یک حالت خرابی رایج است که در آن فلز زیر پوشش، هدایت الکتریسیته را متوقف می کند.

این روزها، فیلم های اکسید فلزی مخلوط از روتنیوم، ایریدیوم و پلاتین به مقدار بسیار دقیق استفاده می کنند. هر بخش از سیستم کاتالیزوری مجموعه ای متفاوت از کیفیت ها را به کل اضافه می کند. بارگیری دی اکسید روتنیوم که فعالیت تبدیل کلر بالایی دارد ارزان است. اکسید ایریدیوم الکترود را در برابر قطبش آندی بسیار پایدار می کند، که انحلال را متوقف می کند که عمر آن را کوتاه می کند. افزودن پلاتین باعث بهبود رسانایی و مقاومت در برابر زنگ زدگی در مناطق خاص می شود.

رابطه بین این چیزها قوی تر از مجموع اجزای آنهاست. مطالعات انجام شده در آزمایشگاه نشان می دهد که ترکیبات سه تایی بهینه شده 30 تا 40٪ پتانسیل کمتری نسبت به پوشش های تک{3} فلز دارند. این پیشرفت از تغییر ساختارهای الکترونیکی در سطح کاتالیزور ناشی می شود. این تغییرات موانع انرژی فعال سازی برای اکسیداسیون کلرید را کاهش می دهد. هنگامی که فرمول‌های پیشرفته در این زمینه استفاده می‌شوند، نصب‌ها به طور مداوم 20 تا 40 درصد کمتر از فناوری‌های الکترود قدیمی‌تر مصرف انرژی نشان می‌دهند.

تصفیه خانه های فاضلاب شهری که روزانه 10000 تا 50000 متر مکعب فاضلاب را پردازش می کنند، از زمانی که به سیستم بهینه سازی کاتالیستی روی آورده اند، پیشرفت های زیادی در عملکرد خود داشته اند.میله آند تیتانیومالکترودها یک مطالعه موردی از یک تصفیه خانه در ساحل نشان داد که هزینه های انرژی تا 28 درصد کاهش یافته است در حالی که اثر ضد عفونی یکسان باقی مانده است. این مرکز گفت که آنها نیازی به تعویض هیچ الکترودی در طی یک زمان ردیابی 7 ساله ندارند. این بسیار متفاوت از چرخه 18 ماهه جایگزینی آنها با الکترودهای گرافیتی بود.

به همین ترتیب، صاحبان استخرهای شنا از اینکه مجبورند کمتر مواد شیمیایی را نگهداری و نگهداری کنند، سود می برند. وقتی هیپوکلریت در سایت ساخته می‌شود، نیازی به حمل و نقل نیست و هیچ مشکل ایمنی در مورد سفیدکننده غلیظ وجود ندارد. با روش الکتروشیمیایی از محلول های نمکی ساده برای ضدعفونی در محل استفاده استفاده می شود. بهینه‌سازی کاتالیزوری اطمینان حاصل می‌کند که راه‌اندازی‌ها در خانه‌ها و مراکز آبی تجاری به‌طور قابل اعتمادی با انرژی کم کار می‌کنند-معمولاً 85 تا 120 وات برای سیستم‌هایی که استخرهای 50000 لیتری را ارائه می‌کنند.

سیستم های تولید پیشرفته از رسوب گذاری پی در پی برای ایجاد الگوهای پوشش پیچیده استفاده می کنند. روش‌های گرادیان به جای اینکه ترکیب لایه کاتالیست را یکسان کنند، نسبت مواد را در سراسر ضخامت پوشش تغییر می‌دهند. چسبندگی و مدیریت استرس اولویت اصلی نازک ترین لایه است که با بستر تیتانیوم تماس می گیرد. اکسیدهای تیتانیوم و تانتالیوم هنگام گرم شدن منبسط و فشرده می شوند، بنابراین، این پایه حاوی تعداد بیشتری از آنها است.

با فعال شدن کلر{0}}لایه های میانی، روتنیوم و ایریدیوم به طور پیوسته افزایش می یابد. سطوح تیز در طول چرخه‌های دما تنش مکانیکی ایجاد می‌کنند، اما این تغییر آرایش ملایم از این امر جلوگیری می‌کند. الکترودها در چرخه هایی به دلیل تغییرات pH، دما و چگالی جریان منبسط و منقبض می شوند. سازه های گرادیان تنش ها را در مناطق وسیع تری توزیع می کنند و ریزترک ها را کاهش می دهند.

در تماس الکترولیت، لایه کاتالیزوری بالایی مواد تقویت کننده فعالیت را جمع آوری می کند. افزودن روتنیوم به سطح، اکسیداسیون کلرید را تسریع می کند و در عین حال از لایه زیرین محافظت می کند. این راه حل معماری با یک مشکل قدیمی- مقابله می کند: تعادل فعالیت کاتالیزوری بالا با پایداری. بهینه سازی یک عنصر به قیمت دیگری برای کت های یکنواخت استاندارد به خوبی کار می کند.

مدت زمان دوام یک الکترود تا حد زیادی توسط پیوند بین لایه کاتالیزور و پایه تیتانیوم تعیین می شود. مهم نیست که پوشش چقدر خوب باشد، اگر سطح آن آلوده باشد یا به اندازه کافی زبر نباشد، خیلی زود کنده می شود. اچ شیمیایی چند مرحله ای و عملیات حرارتی در بهترین پروتکل های آماده سازی در صنعت استفاده می شود. اسید اچ کنترل شده از اکسیدهای سطحی و آلاینده ها خلاص می شود و در عین حال سطح را از نظر میکروسکوپی زبرتر می کند، که چسبندگی پیوندها را آسان تر می کند.

شیمی سطح و ساختار کریستالیمیله آند تیتانیوممواد با حرارت دادن در اتمسفرهای کنترل شده تغییر می کنند. الگوهای دمایی خاصی نقاط پیوندی را ایجاد می کنند که برای استفاده از کاتالیزور در آینده مناسب هستند. تحقیقات نشان می‌دهد که پیش تصفیه بهینه، چسبندگی پوشش را در مقایسه با روش‌هایی که آماده‌سازی چندانی انجام نمی‌دهند، 60 تا 80 درصد قوی‌تر می‌کند. این بهبود مستقیماً با عمر مفید زمینی مرتبط است- بسترهایی که به درستی آماده شده اند معمولاً بیش از 50000 ساعت استفاده قبل از نیاز به تعویض دوام می آورند.

روش‌هایی که مواد کاتالیزوری در طول ساخت به کار می‌روند تأثیر زیادی بر نحوه عملکرد الکترود نهایی دارد. در روش‌های شکست حرارتی، محلول‌های پیش‌ساز روی سطوحی که از قبل آماده شده‌اند رنگ می‌شوند یا اسپری می‌شوند. به دنبال آن کلسینه کردن در دمای بالا انجام می شود. در طی چندین دور اعمال، ضخامت پوشش لایه به لایه افزایش می یابد و بین هر لایه عملیات حرارتی انجام می شود. این روش قدیمی-به شما کنترل بسیار خوبی بر ساختار و ترکیب می‌دهد، اما پردازش آن انرژی و زمان زیادی می‌گیرد.

تکنیک‌های رسوب الکتریکی راه‌های مختلفی را برای برخی از قطعات پوششی ارائه می‌دهند تا به مقصد برسند. با عبور جریان الکتریکی از طریق حمام های الکترولیت ویژه، اکسیدهای فلزی کنترل می شوند تا مستقیماً روی سطح زیرلایه تشکیل شوند. این روش اشکال پیچیده را به طور یکنواخت پوشش می دهد و لایه هایی ضخیم و چسبیده به هم می سازد. عملکرد بهتر در روش‌های تولید هیبریدی که از شکست حرارتی برای لایه‌های پایه و تکمیل الکتروشیمیایی برای بهینه‌سازی سطح استفاده می‌کنند، دیده می‌شود.

اینکه کلر چقدر خوب ساخته می شود بستگی به اتفاقاتی دارد که فقط در چند نانومتر از سطح الکترود اتفاق می افتد. یون های کلرید باید پوسته هیدراتاسیون خود را از دست بدهند، به مکان های فعال متصل شوند و قبل از رسیدن به پوشش کاتالیزوری از طریق انتقال الکترون عبور کنند. در هر مرحله، موانع انرژی وجود دارد که با جمع شدن آنها، نرخ پاسخ کل را تعیین می کند. مهندسی رابط رشته‌ای است که به مطالعه چگونگی کوچک‌تر کردن این موانع با کنترل شیمی و شکل سطوح می‌پردازد.

مواد کاتالیزوری با مساحت سطح زیاد، مکان‌های فعال بیشتری را در واحد سطح الکترود نشان می‌دهند. پوشش های نانوساختار با منافذ کنترل شده ده ها تا صدها برابر سطح مفیدتری نسبت به لایه های صاف دارند. این امکان را فراهم می کند که در چگالی جریان کمتر با همان خروجی جریان کل کار کنید. این گرمایش موضعی را کاهش می دهد و باعث می شود کاتالیزور دوام بیشتری داشته باشد. روش ساختاری با بهینه سازی ترکیبی برای بهبود عملکرد حتی بیشتر کار می کند.

مقاومت الکتریکی در ساختارهای الکترود، انرژی را بدون موثرتر کردن تولید کلر مصرف می کند. سه مکان وجود دارد که از دست دادن ولتاژ ممکن است رخ دهد: بین پایه و پوشش، در داخل پوشش، و جایی که پوشش با الکترولیت ملاقات می کند. با انتخاب مواد مناسب و مهندسی ساختار، طرح های بهینه الکترود می توانند با انواع مقاومت ها مقابله کنند.

افزودن مواد رسانا مانند اکسید قلع{0}}آلوده شده با آنتیموان به پوشش‌هایی که بیشتر برای کاتالیز استفاده می‌شوند، مقاومت توده را کاهش می‌دهد. حتی اگر برخی از کاتالیزورها در مکان های خاصی خراب شوند، این مواد مسیرهای الکتریکی را باز نگه می دارند. هنگامی که از لایه های چسب مناسب استفاده می شود، مقاومت رابط بین پایه تیتانیوم و پوشش بسیار کاهش می یابد. وقتی این پیشرفت ها با هم جمع شوند، ولتاژ سلول در مقایسه با طرح های پایه الکترود 0.3 تا 0.6 ولت کاهش می یابد. یعنی ۱۵ تا ۲۵ درصد انرژی کمتری در شرایط کاری معمولی مصرف می شود.

الکترودهای مورد استفاده در تمیز کردن آب در شرایطی قرار می گیرند که برای آنها بسیار سخت است. بیشتر مواد زمانی که در معرض پلاریزاسیون آندی مداوم در سیالات غنی از کلرید قرار می گیرند، سریعتر تجزیه می شوند. چرخه‌های تنش حرارتی در اثر تغییرات دما بین راه‌اندازی و عملکرد پایدار ایجاد می‌شوند. پایداری شیمیایی با تغییرات pH به چالش کشیده می شود، به ویژه در سیستم هایی که با جریان های ورودی مختلف سروکار دارند.

با استفاده از ایده های علم مواد، بهینه سازی کاتالیزوریمیله آند تیتانیومسیستم ها می توانند این مشکلات را حل کنند. طراحی پوشش گرادیان که قبلاً در مورد آن صحبت کردیم، پوشش را از نظر مکانیکی در برابر تغییرات دما مقاوم می کند. با انتخاب دقیق ترکیبات اکسید، پایداری ترمودینامیکی در محدوده pH لازم حفظ می شود. ساختارهای زیر در برابر حملات شدید شیمیایی توسط لایه‌های بالایی که دارای اکسید ایریدیم بالا هستند، محافظت می‌شوند که زنگ نمی‌زند. پس از 60000 تا 80000 ساعت استفاده، داده های میدانی به طور منظم نشان می دهد که الکترودهایی که به درستی طراحی و ساخته شده اند، هنوز 85 تا 90 درصد از فعالیت کاتالیزوری اولیه خود را دارند.

وقتی صحبت از کاربردهای تکامل کلر می شود، دی اکسید روتنیوم و دی اکسید ایریدیوم با هم استاندارد هستند. روتنیم یکی از فلزات{1} گروه پلاتین است که بهترین فعالیت کاتالیزوری ذاتی را با هزینه نسبتا پایین دارد. از طرف دیگر، دی اکسید روتنیوم خالص در صورت استفاده طولانی مدت به صورت آندی بسیار پایدار نیست. هنگامی که اکسید ایریدیوم به خودی خود استفاده می شود، به اندازه ترکیب با عناصر دیگر، کلر را آزاد نمی کند.

مخلوط های باینری با مقادیر مناسب هر جزء از نقاط قوت آنها بهره می برند. معمولاً 60 تا 70 درصد اکسید ایریدیوم و 30 تا 40 درصد اکسید روتنیوم با هم مخلوط می‌شوند، اما مقادیر دقیق آن به کاربرد بستگی دارد. محصول نهایی دارای بیش از حد پتانسیل تکامل کلر است که 200 تا 300 میلی ولت کمتر از سایر کاتالیزورها است و یکپارچگی ساختاری خود را در طول دوره های خدمات طولانی حفظ می کند. سیستم های کاتالیزور جدید با این ترکیب اندازه گیری می شوند که به استاندارد تبدیل شده است.

قرار دادن پلاتین در دستگاه‌های روتنیوم{0}}ایریدیوم عملکرد آنها را حتی بیشتر بهبود می‌بخشد. پلاتین باعث می شود که ماتریس پوششی رسانای الکتریکی بیشتری باشد، که باعث می شود بارها به سمت مکان های کاتالیزوری فعال راحت تر حرکت کنند. حل شدن این عنصر در محیط های اکسید کننده نیز بسیار سخت است که به حفظ ثبات کلی لایه کمک می کند. ترکیبات سه تایی به ویژه در شرایطی که چگالی جریان تغییر می‌کند یا عملیات متوقف و شروع می‌شود، خوب عمل می‌کنند.

افزودن پلاتین هزینه تولید را افزایش می دهد که بهینه سازی اقتصادی را مهم می کند. پلاتین تنها می تواند 5 تا 15 درصد از کل بارگذاری فلزات گرانبها را در اکثر فرمولاسیون های سه تایی تشکیل دهد. این تمرکز عملکرد را به گونه ای بهبود می بخشد که قابل اندازه گیری باشد و هزینه ها را پایین نگه دارد. هنگامی که حداکثر دوام مهم است، مانند تاسیسات از راه دور که دسترسی به تعمیر و نگهداری محدود است، ادغام پلاتین بالاتر در ابتدا ارزش هزینه اضافی را دارد.

محققان در سراسر جهان به دنبال راه های جدیدی برای بهبود عملکرد کاتالیزوری هستند. افزودن نانوذرات به الگوهای پوششی منظم تفاوت زیادی در سطح فعال a ایجاد می کندمیله آند تیتانیوم. ذرات روتنیوم و اکسید ایریدیم با اندازه 5 تا 20 نانومتر با استفاده از روش های تولید کنترل شده ساخته می شوند. این کاتالیزورهای نانو زمانی که در روکش‌های شکست حرارتی معمولی مخلوط می‌شوند، سایت‌های فعال زیادی ایجاد می‌کنند.

آزمایش‌های اولیه در میدان با الکترودهای نانو-افزایش‌یافته نشان می‌دهد که آنها ۱۵-۲۰ درصد انرژی بیشتری نسبت به پوشش‌های اکسید فلزی مخلوط معمولی دارند. وقتی صحبت از امنیت بلندمدت می‌شود، این فناوری هنوز در حال کار است زیرا مواد نانومقیاس ممکن است متفاوت از مواد بزرگتر پیر شوند. آزمایش‌های تأیید طولی باید قبل از استفاده تجاری به پایان برسد، اما نتایج اولیه نشان می‌دهد که الکترودهای تصفیه آب نسل بعدی نوید زیادی دارند.

چگونگی رسیدن واکنش‌دهنده‌ها به مکان‌های کاتالیزوری و خروج محصولات بر راندمان الکترود تأثیر می‌گذارد. سطوح صاف کاتالیزور انتشار را دشوار می کند، به ویژه در چگالی جریان بالا که واکنش دهنده ها به سرعت تخلیه می شوند. ویژگی‌های سطح مهندسی که جریان آشفته را افزایش می‌دهند و عرض لایه مرزی انتشار را کاهش می‌دهند، ممکن است این چالش را کاهش دهند.

اچینگ کنترل شده برجستگی ها، فرورفتگی ها و برجستگی هایی در مقیاس کوچک ایجاد می کند که جریان آرام را قطع می کند. الکترولیت با عبور از این ویژگی ها مخلوط می شود و غلظت واکنش دهنده سطح کاتالیزور را تغییر می دهد. در فرآیندهای تکامل{2} گاز، ساختار ناهموار به شکافتن حباب ها کمک می کند. گازهای کلر و اکسیژن تولید شده در حین الکترولیز حباب هایی را تشکیل می دهند که باید از سطح الکترود جدا شوند تا فضایی برای ناحیه کاتالیزوری ایجاد شود. ویژگی های سطحی که به درستی طراحی شده اند از چسبیدن حباب ها جلوگیری می کند و به جدا شدن سریع آنها کمک می کند.

واکنش اساسی اکسیدهای کاتالیزوری بر اساس کیفیت الکترونیکی آنها است. افزودن برخی عناصر ناخالص به ساختار کریستالی، منبع و توانایی الکترون ها را برای حرکت در اطراف تغییر می دهد. افزودن مقادیر کمی از عناصر با حالت‌های ظرفیت متفاوت به فلز اولیه، نقص‌های الکترونیکی ایجاد می‌کند که به عنوان مکان‌های واکنش یا مسیرهای هدایت عمل می‌کنند.

دوپینگ اکسید قلع با آنتیموان یکی از مواردی است که بسیار مورد بررسی قرار گرفته است. هنگامی که آنتیموان پنج ظرفیتی به جای قلع چهار ظرفیتی استفاده می شود، الکترون های اضافی می دهد که باعث می شود مواد در رسانایی الکتریسیته بسیار بهتر عمل کنند. هنگامی که با لایه‌های ایریدیم-روتنیم که عمدتاً کاتالیزوری هستند مخلوط می‌شود، اکسید قلع آلاییده شده با آنتیموان{3}}شبکه‌های رسانایی ایجاد می‌کند که انتشار بار را بهتر می‌کند. هنگامی که نیوبیم به اکسید تیتانیوم یا تانتالیوم به مواد میزبان مختلف اضافه می شود، اثرات یکسان است. این تغییرات تغییرات کوچکی در آرایش است که تفاوت قابل توجهی در عملکرد ایجاد می کند.

از آنجایی که الکترودها می توانند بیش از 5 تا 10 سال دوام بیاورند، آزمایش طول عمر آنها در موقعیت‌های{2}}در دنیای واقعی دشوار است. با بدتر کردن شرایط استرس، پروتکل‌های آزمایش تسریع عملکرد طولانی‌مدت- را تقلید می‌کنند. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، سطح فعلی افزایش می‌یابد، و مقدار کلرید افزایش می‌یابد، فرآیندهای تخریب را تسریع می‌کنند که معمولاً به کندی اتفاق می‌افتند.

توسعه پروتکل دقیق برای یافتن پیوندی بین نتایج آزمایش سریع و عملکرد واقعی-جهانی مورد نیاز است. سرعت بیش از حد می تواند حالت های خرابی ایجاد کند که در زندگی واقعی اعمال نمی شود. استانداردهای این صنعت می‌گویند که آزمایش‌ها باید در دمای ۱۰ تا ۲۰ درجه بالاتر از حد معمول و چگالی جریان دو تا سه برابر نرمال برای ۲۰۰۰ تا ۵۰۰۰ ساعت انجام شود. الکترودهایی که این پروتکل ها را با کاهش عملکرد کمتر از 15 درصد پاس می کنند معمولاً تا زمانی که قرار بود دوام می آورند. با استفاده از این سیستم آزمایش، سازندگان می توانند نشان دهند که تغییرات طراحی بدون نیاز به انجام آزمایشات میدانی که ده سال طول می کشد، کار می کنند.