Specialfremstilling af titaniumanode til natriumchlorat
Som et vigtigt kemisk råmateriale anvendes natriumchlorat i vid udstrækning inden for mange områder. Elektrolyseprocessen i dets produktion er afgørende, og titaniumanoden spiller en central rolle i den.
- Iridium-titanium anode
- Ir-Ta-Ti titaniumanode
- Ru-Ir-Ti titaniumanode
- Ruthenium-titanium anode (RuO₂-TiO₂)
- Grafit titanium anode
- Tilpasset titanium anode
- Overgangsmetal titanium anode
- Titaniumanode af sjældne jordarter
Fordele ved titaniumanode i natriumchloratproduktion
Som et vigtigt kemisk råmateriale anvendes natriumchlorat i vid udstrækning inden for mange områder. Kernen i produktionsprocessen, elektrolyseteknologi, spiller en afgørende rolle for kvaliteten og produktionseffektiviteten af natriumchlorat. Titananoden er med sine unikke ydeevnefordele blevet en nøglefaktor i forbedringen af produktionsniveauet af natriumchlorat. Med sin gode ledningsevne, fremragende korrosionsbestandighed og stabile elektrokatalytiske ydeevne giver titanoden en pålidelig garanti for effektiv og stabil produktion af natriumchlorat.
En rutheniumbelagt titananode har fremragende elektrokatalytisk aktivitet og kan reducere overpotentialet i klorudviklingsreaktionen betydeligt (ca. 0.2-0.3 V). Dette kan spare en masse elektricitet til storskalaproduktion. En rutheniumbelægning kan bevare sin katalytiske aktivitet og strukturelle integritet i lang tid i det stærkt korrosive natriumchloratelektrolytmiljø.
Iridium (Ir)-belagte titananoder har tiltrukket sig stor opmærksomhed for sin fremragende korrosionsbestandighed og høje temperaturstabilitet. I produktionen af natriumchlorat, når elektrolytten indeholder stærkt oxiderende urenheder, udviser iridiumbelagte titananoder bedre ydeevne end andre typer anoder. Levetiden for iridiumbelagte titananoder kan nå op på 8-10 år.
Platinbelagte (Pt) titananoder har fremragende ledningsevne og katalytisk aktivitet, især i produktionsscenarier med natriumchlorat, hvor kravene til produktets renhed er ekstremt høje. Platinbelagte titananoder kan effektivt reducere urenheder og sikre produktets høje renhed. Ulempen er, at prisen på platinbelagte titananoder er relativt høj.
Titaniumanodens nøglerolle
I produktionen af natriumchlorat, den elektrokemiske kernereaktion forekommer i elektrolytisk celle, og titaniumanoden er den vigtigste deltager i denne række af reaktioner. Den grundlæggende overordnede reaktionsligning er: NaCl + 3H2O =NaClO3 + 3H2↑). Bag denne tilsyneladende simple ligning gemmer sig faktisk en kompleks og ordnet trin-for-trin reaktionsproces. I anodeområdet gennemgår kloridioner en oxidationsreaktion, og den specifikke reaktionsformel er: 2Cl^- =Cl2↑ + 2e^-. Kloridioner mister elektroner på overfladen af titaniumanoden og oxideres til klorgas. Titaniumanoden reducerer overpotentialet i klorudviklingsreaktionen, hvilket gør det lettere for kloridioner at miste elektroner og gennemgå oxidationsreaktioner. Fra et mikroskopisk synspunkt danner ædelmetalatomerne i belægningen (såsom ruthenium, iridium osv.) en specifik adsorptionstilstand med kloridioner, hvilket svækker bindingsenergien i klor-klorbindingen og derved accelererer klorudviklingsreaktionen.
Specialfremstilling af titaniumanoder
Forskellige skalaer af natriumchloratproduktion har forskellige krav til titananoder. Små natriumchloratproduktionsenheder foretrækker muligvis små, lette plade- eller stavformede titananoder. Mellemstore natriumchloratproducenter kan være nødt til at fokusere på flade eller netformede former. Størrelsen tilpasses i henhold til elektrolytcellens indre dimensioner og kravene til elektrodelayoutet. Store natriumchloratproducenter forfølger storskala og effektiv produktion, og deres elektrolytceller er store i skala og har høje strømbelastninger. Tilpassede titananoder skal ikke kun opfylde kravene til stor størrelse og høj styrke, men også tage hensyn til anodens strukturelle design for at sikre ensartet strømfordeling og god varmeafledningsevne under høj strømtæthed.
Tilpasset størrelse
Når man tilpasser størrelsen og formen på titananoden, bør man først overveje designparametrene for den elektrolytiske celle, herunder cellens geometriske dimensioner, elektrodeafstanden, elektrolyttens strømningsmåde osv. Hvis den elektrolytiske celle f.eks. anvender en elektrolyt med tvungen cirkulation, bør man overveje anodens form og størrelse, så den ikke hindrer elektrolyttens strømning, samtidig med at det sikres, at elektrolytten kan komme i fuld kontakt med anodens overflade for at forbedre elektrolyseeffektiviteten.
Til produktionsprocesser, der kræver højere strømtæthed, kan der anvendes designs, der øger anodens overfladeareal, såsom at bruge en netstruktur eller en anode med porøs struktur.
Belægningsmaterialer
Rutheniumbelægninger har karakteristika som lav klorudviklingsoverpotentiale, god ledningsevne og stabilitet og er velegnede til den mest konventionelle natriumchloratproduktion. Iridiumbelægninger fungerer godt under særlige arbejdsforhold med deres fremragende korrosionsbestandighed og lave iltudviklingsoverpotentiale. Multielementbelægninger kombinerer fordelene ved flere metaloxider og har en mere omfattende ydeevne. Ud over ædelmetaloxidbelægninger såsom ruthenium og iridium kan nogle andre materialer også anvendes til titaniumanodebelægninger, såsom tinantimonoxidbelægninger. Tinantimonoxidbelægninger har den fordel, at de er lave omkostninger og har visse anvendelser inden for visse omkostningsfølsomme og ikke særlig krævende anodeydelseskrav.
Belægningsteknologi
Almindelige teknologier til fremstilling af titananodebelægning omfatter termisk nedbrydning, galvanisering, kemisk dampaflejring osv.
- Termisk nedbrydning
Den termiske nedbrydningsmetode går ud på at påføre en opløsning indeholdende metalsalte på overfladen af et titansubstrat og derefter omdanne den til en metaloxidbelægning ved termisk nedbrydning ved høj temperatur. Denne metode er relativt enkel og billig.
- galvanisering
Metaloxider aflejres på overfladen af et titansubstrat ved elektroplettering for at opnå en mere ensartet og tæt belægning. Imidlertid er investeringen i udstyr til elektropletteringsmetoden stor, og effektiviteten er relativt lav.
- Kemisk dampaflejring
Kemisk dampaflejring nedbryder metalorganiske forbindelser og aflejrer dem på overfladen af titansubstratet for at danne en belægning. Det producerer belægninger af høj kvalitet, men udstyret er komplekst, omkostningerne er høje, og produktionsskalaen er begrænset.
Når man vælger en belægningsteknologi, er det nødvendigt at overveje faktorer som belægningsmaterialets egenskaber, anodens ydeevnekrav, omkostninger og miljøbeskyttelseskrav grundigt. For eksempel kan galvanisering eller forbedret termisk nedbrydning være mere passende for rutheniumbaserede titananoder, der kræver høj belægningsensartethed og vedhæftning; mens kemisk dampaflejring kan være et bedre valg for nogle multibelagte titananoder, der kræver ekstremt høj belægningsydelse og specielle strukturelle belægninger….