تکامل میله آند تیتانیوم: از-الکترودهای پرانرژی تا پوشش‌های گرادیان

در گذشته در دستگاه های الکترولیز از الکترودهای ساخته شده از گرافیت، فولاد ضد زنگ یا فلزات ساده استفاده می شد که مشکلات زیادی داشت. الکترودهای گرافیتی در مکان هایی که کلر می ساختند به سرعت شکست می خورد، بنابراین باید هر سه تا شش ماه یکبار تعویض می شد. هنگامی که سطح کلرید بالا بود، آندهای ساخته شده از فولاد ضد زنگ به شدت خورده می شدند، در حالی که جایگزین های ساخته شده از مس و آهن برای استفاده های مداوم الکترولیز ایده آل نبودند.

اولین قدم بزرگ رو به جلو زمانی بود که از تیتانیوم به عنوان ماده پایه استفاده شد. تیتانیوم در برابر خوردگی در محیط های خشن بسیار مقاوم است که انجام عملیات الکترولیز طولانی مدت را ممکن می سازد. از سوی دیگر، تیتانیوم خالص در طول الکترولیز یک لایه اکسید عایق تشکیل می‌دهد، به این معنی که به تنهایی نمی‌توان از آن به عنوان ماده آند استفاده کرد. به دلیل این مشکل، سطوح کاتالیزوری باید ایجاد می‌شد که می‌توانست توانایی خود را برای رسانایی الکتریسیته حفظ کند و در عین حال بتواند در برابر محیط خشن الکتروشیمیایی بایستد.

چهار نوع خرابی عمده که الکترودهای قدیمی‌تر داشتند با فناوری پوشش گرادیان مدرن برطرف می‌شوند: میکروکراکینگ، لایه لایه‌سازی پوشش، غیرفعال‌سازی بستر و نفوذ یون کلرید. معماری گرادیان با پوشش های یکنواخت متفاوت است زیرا ترکیب به تدریج از پایه تیتانیوم به سطح کاتالیزوری در خارج تغییر می کند.

این روش چند لایه دارای یک منطقه انتقال در وسط است که به رفع مشکلات ناشی از تفاوت در نرخ انبساط دما بین پایه تیتانیوم و لایه کاتالیزوری فعال کمک می کند. مطالعات در مجلات مهندسی برق نشان می دهد که لایه های گرادیان تنش مکانیکی داخل را 40 تا 60 درصد در مقایسه با سطوح تک لایه ای که خیلی ناگهانی هستند کاهش می دهد. این باعث می شود که چسبندگی و مقاومت در برابر شکست پوشش در طول چرخه های دما و تغییر در چگالی جریان بسیار بهتر شود.

چهار روش پوشش دهی مختلف در تولید مدرن مورد استفاده قرار می گیرد و هر کدام ویژگی های عملکردی خاص خود را دارند. پوشش‌های تک لایه روتنیوم خالص در ابتدا فعالیت کاتالیزوری زیادی دارند، اما دوام زیادی ندارند زیرا روتنیوم هنگام آنودایز شدن پوشش تجزیه می‌شود. تک لایه‌های استاندارد روتنیوم{3}}ایریدیم باعث پایداری بیشتر مواد می‌شوند، اما همچنان می‌توانند در اثر تنش مکانیکی ترک بخورند.

پوشش‌های MMO یکنواخت استاندارد، اکسیدهای فلزی مختلف را به طور یکنواخت در ضخامت پوشش پخش می‌کنند و عملکرد متعادلی را برای اکثر موارد به آن می‌دهند. از سوی دیگر، پوشش‌های کامپوزیت گرادیان، لبه‌ی برتر فناوری در حال حاضر هستند. آنها ترکیبات مختلف اکسید را با دقت در اعماق مختلف قرار می دهند تا هم کارایی کاتالیزوری و هم طول عمر مکانیکی را بهبود بخشند.

آزمایش عمر تسریع شده در آزمایشگاه نشان می‌دهد که معماری‌های گرادیان بیش از 85 درصد از فعالیت کاتالیزوری اولیه خود را پس از 10000 ساعت کار مداوم-جریان- با چگالی بالا حفظ می‌کنند. این برخلاف پوشش های یکنواخت است که تنها 60 تا 70 درصد از فعالیت خود را در شرایط یکسان حفظ می کنند.

در فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته الکتروشیمیایی (EAOPs) که برای پاکسازی فاضلاب‌های صنعتی پیچیده استفاده می‌شود، میله‌های آند تیتانیوم با روکش گرادیان بهتر از مواد دیگر عمل می‌کنند. سطح کاتالیزوری بهبود یافته تولید رادیکال‌های هیدروکسیل را تشویق می‌کند و در عین حال تعداد واکنش‌های رقیب را کاهش می‌دهد که الکتریسیته را هدر می‌دهند. در مقایسه با الکترودهای معمولی، این گزینش پذیری تولید لجن را 30 تا 45 درصد کاهش می دهد که به معنای نیاز کمتر به جابجایی زباله های ثانویه است.

کل هزینه های مالکیت مستقیماً به مدت زمان دوام یک دستگاه الکترود مرتبط است. فناوری پوشش گرادیان از آزادسازی تنش طراحی شده برای رفع علت اصلی خرابی، که لایه لایه شدن پوشش است، استفاده می کند. در طول عملیات، مناطق انتقال ترکیبی، تنش مکانیکی می‌گیرند که ناشی از تفاوت در انبساط حرارتی و تغییرات حجم الکتروشیمیایی است.

هنگامی که 10 سال عملیات میدانی شبیه سازی می شود، پروتکل های پیری تسریع شده نشان می دهد که گرادیان-پوشش داده شده است.میله های آند تیتانیومیکپارچگی ساختاری خود را بدون آسیب دیدگی پوشش حفظ کنند. از سوی دیگر، معادل های تک لایه، لایه لایه شدن لبه و ریزترک سطح را پس از 4 تا 5 سال قرار گرفتن در معرض، نشان می دهند. این طول عمر بیشتر به این معنی است که الکترودها به دفعات نیاز به تعویض ندارند، که باعث کاهش زمان خرابی سیستم و هزینه تعمیر کار می شود.

اپراتورهای صنعت تصفیه آب می‌گویند که الکترودهای روکش‌شده گرادیان در سیستم‌هایی که هیپوکلریت سدیم را ۲۴ ساعت در روز، ۷ روز هفته و در سطوح فعلی ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ A/m² می‌سازند، ۸ تا ۱۰ سال دوام می‌آورند. این مقادیر عملکرد سه برابر بهتر از نسخه های قبلی فناوری MMO است.

از آنجایی که تسهیلات بیشتر از کار با گاز کلر متوقف می شود، بازار تولید هیپوکلریت سدیم بسیار سریع رشد کرده است. سیستم‌های تولید{1}در سایت مدرن با ظرفیت‌های 50 گرم در ساعت تا 5000 گرم در ساعت فقط از فناوری میله آند تیتانیوم برای تبدیل کلرید سدیم به هیپوکلریت سدیم از طریق الکتروشیمی استفاده می‌کنند. الکترودهای با پوشش گرادیان{5}}این سیستم‌ها را قادر می‌سازد تا در طیف وسیعی از تنظیمات، از تصفیه‌خانه‌های کوچک آب در مناطق دورافتاده گرفته تا ساختمان‌های بزرگ شهری، به‌طور قابل اعتماد کار کنند.

پوشش‌های آند پیشرفته به اندازه‌ای قوی هستند که می‌توانند با{0}}شرایط شوری بالا در سلول‌های الکترولیتی مقابله کنند و در عین حال همان سطح راندمان تولید کلر را حفظ کنند. طراحان سیستم در موقعیت‌های جدی که قابلیت اطمینان عملیاتی تأثیر مستقیمی بر سلامت عمومی دارد، از الکترودهای شیب{2} روکش شده استفاده می‌کنند. این موقعیت ها شامل سیستم های آب بیمارستانی، تاسیسات عمومی آب آشامیدنی و ماموریت های اضطراری تصفیه آب می باشد.

سایت‌های صنعتی بیشتر و بیشتری که آب بالاست را تصفیه می‌کنند، جریان‌های آب را پردازش می‌کنند، و آب خنک‌کننده در حال چرخش را به گردش در می‌آورند، از سیستم‌های الکتروکلرینه با مدرن استفاده می‌کنند.میله آند تیتانیوممجامع برای این کاربردها، الکترودها باید بتوانند به طور مداوم در تنظیمات دمای بالا (تا 45 تا 50 درجه) با آلودگی بیولوژیکی زیاد کار کنند.

فناوری پوشش گرادیان، از دست دادن سریع عملکرد را که زمانی اتفاق می افتد که ترکیبات آلی به سطوح الکترود بچسبند، متوقف می کند. لایه بالایی مواد کاتالیزوری باعث می شود تولید کلر به خوبی کار کند و از رسوب جلوگیری می کند. در این شرایط سخت، نیروگاه‌ها، نیروگاه‌های نفتی و کشتی‌ها می‌گویند که الکترودهای پوشش داده شده گرادیان بین 7 تا 10 سال بین وقفه‌های سرویس دوام می‌آورند.

تحقیقات مداوم برای یافتن بهترین محتوای فلز گرانبها برای پوشش های آند به دلایل اقتصادی انجام می شود. ایریدیوم و روتنیم دو فاکتور مهم هزینه در ساخت الکترود هستند. فناوری پوشش گرادیان به شما امکان می دهد این مواد گران قیمت را در جایی قرار دهید که بهترین عملکرد را به عنوان کاتالیزور دارند و در عین حال از اکسیدهای فلزات واسطه ای ارزان تر در لایه های ساختار استفاده می کنند.

فرمول‌های پوششی جدید به خوبی یا بهتر از طرح‌های قدیمی‌تر عمل می‌کنند، در حالی که مقدار کل فلز گرانبها را بین 20 تا 35 درصد کاهش می‌دهند. این کار با استفاده از مدل‌های کامپیوتری برای بررسی مسیرهای واکنش‌های الکتروشیمیایی و آزمایش‌هایی با الکترودهای دیسک در حال چرخش برای اطمینان از درستی مدل‌ها انجام می‌شود. نتیجه نهایی الکترودهایی است که هم مقرون به صرفه هستند و هم در سطح بالایی کار می کنند.