Vícevrstvý povlak titanové anody pro stabilní výkon elektrolýzy

Jednou z nejlepších věcí na více{0}}vrstvých nátěrech je to, že mohou vytvářet více ochranných štítů. Když titanová anodová tyč pracuje při elektrolýze chlornanu sodného, ​​je horní vrstva povlaku přímo vystavena silným radikálům chlóru a vysokým úrovním proudu. I když jediný povlak oxidu ruthenia funguje dobře jako katalyzátor, po chvíli používání vytváří mikrotrhliny, protože jeho tepelný růst neodpovídá titanové bázi.

Více{0}}vrstvé struktury mají uprostřed spojovací vrstvy, které se pomalu přesouvají od základního titanu ke katalytickému povlaku na vnější straně. Tyto přechodové zóny přebírají mechanické namáhání a zabraňují šíření trhlin k podkladu. Výzkumníci v programech elektrochemického inženýrství zjistili, že směsi s gradientem iridia-ruthenia snižují smykové napětí na rozhraní asi o 35 % ve srovnání s náhlými jednovrstvými spoji.

Terénní údaje ze systémů čištění bazénů ukazují, že elektrody s gradientním povlakem udržují po třech letech používání míru tvorby chloru na přibližně 5 % původní úrovně. Za stejnou dobu bylo ztraceno 20 až 30 procent kapacity jednovrstvých elektrod ze stejných míst. Lepší stabilita pochází ze skutečnosti, že vícevrstvá struktura zabraňuje příliš rychlé pasivaci titanového substrátu, což udržuje katalytická místa k dispozici.

V elektrolýzních zařízeních množství použité energie přímo souvisí s tím, jak stabilní je napětí. Jak se elektrodové povlaky opotřebovávají, napětí článku pomalu stoupá, aby se udržel výstup chloru na cílové úrovni, což zvyšuje náklady na elektřinu. Posun napětí je redukován vícevrstvými povlakovými architekturami na produktech s titanovými anodami dvěma způsoby: udržují elektrickou vodivost prostřednictvím tloušťky povlaku a katalytickou aktivitu na rozhraní elektrolytu.

Srovnávací testy v průmyslových systémech tekoucí vody ukázaly, že více{0}}vrstvé elektrody pracují s 3,2 až 3,8 kWh na kilogram dostupného chlóru po celou dobu, kdy jsou používány. Po dvou letech zvýšení napětí v tradičních uniformách způsobí, že spotřebují 4,5 až 5,2 kWh energie na kilogram.

Hlavní myšlenkou více{0}}vrstvé technologie je to, že poměry drahých kovů se plánovitě mění s tím, jak je povlak silnější. Běžná gradientní architektura začíná vrstvou lepidla bohatého na iridium-nanesenou přímo na titanovou základnu, která již byla ošetřena. Dobré adhezní vlastnosti iridia a rychlost teplotní roztažnosti, která se blíží titanu, z něj činí silný základ pro pozdější vrstvy.

Ve středních zónách povlaku se množství ruthenia zvyšuje, aby reakce vývoje chloru byly více katalytické. V horní vrstvě mohou být speciální příměsi, jako jsou oxidy tantalu nebo cínu. Ty ještě více zvyšují účinnost přenosu elektronů. Tato změna v make-upu zabraňuje vytváření vysoce namáhaných povrchů, což je to, co narušuje pravidelné rovnoměrné smíšené povlaky oxidů kovů.

Jak dobře gradient funguje, závisí na tom, jak přesně byl vyroben. Nejlepší společnosti, které vyrábějí titanové anodové tyče, používají metody řízeného tepelného rozkladu, které zahrnují mnohonásobné vypalování tyčí při teplotách mezi 380 stupni a 520 stupni. Každý krok ohně mezi tím umožňuje uvolnění napětí před přidáním další vrstvy nátěru. Díky tomu jsou struktury pevnější s malým zbytkovým namáháním.

Chloridové ionty v elektrolýzních roztocích napadají titanové povrchy, které jsou viditelné velmi násilným způsobem. Vytvářejí-nevodivé pasivační vrstvy, které brání elektrodě v činnosti. Více-vrstvé povlakové struktury vytvářejí difúzní cesty, které jsou velmi vinuté, což zpomaluje, aby se chlorid dostal k substrátu. Každé rozhraní povlaku funguje jako částečná bariéra, a když je více než jedna vrstva, trvá déle, než se korozivní látky dostanou k titanové základně.

Titanové anodové tyčové elektrody se třemi nebo více odlišnými povlakovými vrstvami udržují integritu substrátu po dobu 8–10 let v generátorech chlornanu sodného, ​​podle zrychleného testování životnosti prováděného za podmínek s vysokým obsahem chloridů. Ve stejném testovacím nastavení vykazují jednovrstvé elektrody pasivaci substrátu po 3 až 5 letech. Extra ochrana pochází ze dvou sad těsnících mechanismů, které kompenzují nevyhnutelné nedostatky v každé vrstvě.

Selhání elektrody obvykle nastane, když se povlak náhle uvolní, ne když se výkon časem pomalu zhorší. Jakmile začne delaminace v místech defektu, obnažený titanový substrát s vysokou -vodivostí má lokalizovanou koncentraci proudu, která rychle rozšíří selhání po povrchu elektrody. Zařízení pro vychylování trhlin na hranicích vrstev u více-vrstvých povlaků zabraňují výskytu těchto druhů selhání.

Testování mezifázové houževnatosti to ukazujetitanová anoda tyčgradientní povlaky, které jsou správně navrženy, potřebují k odloupnutí třikrát až čtyřikrát více energie než jednovrstvé verze. Tato vyšší odolnost vůči katastrofálnímu selhání přímo vede ke spolehlivějším systémům a menším nárokům na údržbu během nouzových situací v důležitých aplikacích na úpravu vody.

Změny teploty v elektrolytických článcích závisí na množství protékajícího proudu a na tom, jak dobře roztok vede elektřinu. Titanové anodové tyčové elektrody si musí zachovat svůj tvar, i když pracují v teplotách od pokojové teploty do 80 stupňů. Více vrstev povlaků s pečlivě přizpůsobenými koeficienty tepelné roztažnosti napříč všemi vrstvami zastavuje nahromadění napětí způsobeného teplem.

Pomocí modelování rozložení tepelného napětí pomocí konečných prvků bylo prokázáno, že architektury gradientních povlaků snižují špičkové mezifázové napětí o 40–55 % ve srovnání s jednovrstvými návrhy, když se teploty změní z 25 stupňů na 75 stupňů. Tato počítačová předpověď se shoduje s tím, co vidíme v reálném světě, tedy že více-vrstvé elektrody neztrácejí mnoho ze svého výkonu po tisících tepelných cyklů v automatických testovacích metodách.

Množství chlóru, které lze vyrobit, závisí na tom, jak dobře se tvar elektrody a povrchová plocha udrží v průběhu času. Když systémy nejsou dobře navrženy, eroze povlaku a koroze substrátu pomalu zmenšují velikost účinné elektrody. Vícevrstvé struktury titanových anod nemění velikost, protože mají na vnější straně ochranné vrstvy, které se neopotřebovávají.

Studie, které využívaly přesná měření ke sledování velikostí elektrod během pěti let provozu, ukazují, že gradientem-potažené elektrody ztrácejí méně než 0,5 % své tloušťky. Tato fyzikální stabilita zajišťuje, že rychlost produkce chloru zůstává stejná, aniž by bylo nutné pravidelně měnit hustotu proudu, což může ztěžovat používání automatických řídicích systémů.

Generátory chlornanu sodného dnes využívají průtok-sestavy elektrod, které mají lepší hydraulické vlastnosti. Výrobky z titanových anod musí být schopno zvládnout jak vysoké lineární rychlosti, tak drsné podmínky proudění, aniž by došlo k poškození povlaku. Vzhledem k tomu, že jsou dobře-spojené a konsolidované, jsou vícevrstvé budovy velmi odolné vůči erozi v těchto náročných hydraulických podmínkách.

Výrobci používají technologii více{0}}vrstvého potahování k výrobě elektrod různých tvarů a velikostí, jako jsou trubkové, deskové a síťové. Díky tomu mohou systémoví integrátoři najít nejlepší nastavení elektrod pro různé průtoky a potřeby výroby chloru, v rozsahu od 50 gramů za hodinu pro systémy malých bazénů až po 5000 gramů za hodinu pro veřejné instalace.