MMO titaniumanode til nitrogen

Forurening med kvælstofforbindelser er blevet en central udfordring i den globale vandforvaltning. Den omfatter forskellige former, herunder ammoniaknitrogen, nitrater og nitritter, og udgør en alvorlig trussel mod økosystemer og menneskers sundhed. Traditionelle teknologier til behandling af kvælstofforbindelser, såsom biologisk denitrifikation, er begrænset af lange reaktionscyklusser, dårlig tilpasningsevne til lave temperaturer og høj slamproduktion. Kemiske udfældningsmetoder er tilbøjelige til sekundær forurening og har svært ved at opfylde de nuværende strenge miljøemissionskrav.

MMO titanium anoder (titanbaserede metaloxidbelagte anoder) anvender et titansubstrat af høj renhed belagt med en kompositbelægning af ædelmetaloxider, såsom ruthenium og iridium. De kombinerer fremragende elektrokatalytisk aktivitet, korrosionsbestandighed og stabilitet. Deres anvendelse i behandling af nitrogenforbindelser opnår effektiv nedbrydning af forurenende stoffer og betragtes som en central teknologisk vej til at løse det komplekse problem med nitrogenforbindelsesforurening.

Forureningsfarer fra nitrogenforbindelser

Landbrugsproduktion er den største kilde til emissioner af kvælstofforbindelser. Omtrent 30-50 % af den kvælstofgødning, der anvendes til gødning, absorberes ikke af afgrøder og trænger i stedet ind i vandområder gennem overfladeafstrømning og jordnedsivning, hvilket primært bidrager til ammoniaknitrogen- og nitratforurening. Kemiske, farmaceutiske og fødevareforarbejdningsindustrier er store bidragydere til industriel kvælstofforurening. Gødnings- og farveanlæg producerer spildevand med høje koncentrationer af ammoniaknitrogen (op til tusindvis af mg/L). Kvælstofforbindelser i byspildevand stammer primært fra menneskelige stofskifteprodukter og rengøringsmidler. Kvælstofforurening akkumuleres gennem fødekæden og spredes gennem økologiske kredsløb, hvilket skaber flerlagede farer:

Skader på akvatiske økosystemerHøje koncentrationer af kvælstofforbindelser fører til eutrofiering af vandløb, hvilket udløser eksplosiv vækst af alger såsom cyanobakterier, hvilket resulterer i "algeopblomstringer" eller "rødvande". Nedbrydningen af ​​døde alger forbruger store mængder opløst ilt, hvilket kvæler fisk og andre vandlevende organismer og forstyrrer vandløbets økologiske balance.

Trusler mod menneskers sundhed og sikkerhedNitrater i drikkevand omdannes til nitritter i den menneskelige fordøjelseskanal, som derefter binder sig til hæmoglobin og danner methemoglobin, hvilket fører til vævshypoksi og "blue baby syndrome", en særlig alvorlig trussel mod spædbørn og småbørn. Nitrater kan også reagere med aminer i kroppen og danne nitrosaminer, et potent kræftfremkaldende stof, hvilket øger risikoen for kræft i fordøjelsessystemet. Nitroforbindelser i industrielt spildevand er meget giftige og kan forårsage lever- og nyreskader ved hudkontakt eller ved at drikke forurenet vand.

Øget byrde på miljøforvaltningKvælstofforurening er kumulativ og migrerende. Når den er i jorden, reducerer den jordens frugtbarhed og påvirker afgrødekvaliteten. Når den siver ned i grundvandet, danner den en regional forureningssøjle, hvor udbedringsomkostningerne når hundredvis af dollars pr. kubikmeter. Derudover omdannes kvælstofholdige røggasser og kvælstofholdigt spildevand gennem atmosfære-vand-kredsløbet, hvilket yderligere udvider forureningens omfang og forårsager "sekundær forurening".

Funktionsprincippet for MMO-titananoden

MMO-titaniumanoden opnår effektiv fjernelse af nitrider gennem en dobbelt mekanisme med elektrokemisk oxidation og katalytisk omdannelse. Dens kerneprincip er at udnytte belægningens høje katalytiske aktivitet til at udløse en række redoxreaktioner på elektrodeoverfladen, hvorved giftige og skadelige nitrider omdannes til harmløse stoffer.

(I) Direkte elektrokemisk oxidation

Under påvirkning af et elektrisk felt adsorberes nitridmolekyler direkte på aktive steder på overfladen af ​​MMO-titaniumanoden (såsom RuO₂- og IrO₂-korn), hvor de oxideres og nedbrydes gennem elektronoverførsel. For ammoniaknitrogen forekommer en dehydrogeneringsreaktion på anodeoverfladen, hvor den først omdannes til mellemproduktet hydrazin (N₂H₄), som derefter oxideres til nitrogengas (N₂). Kernereaktionsligningen er: 2NH₃ – 6e⁻ = N₂↑ + 6H⁺. Denne proces kræver ingen yderligere oxidant og tilbyder høj reaktionsselektivitet med nitrogenudbytter på over 85%. For aromatiske nitrogenforbindelser såsom nitrobenzen spalter direkte oxidation CN-bindingen på benzenringen og omdanner nitrogruppen (-NO₂) til nitrat (NO₃⁻), som derefter oxideres yderligere til nitrogengas, hvilket opnår samtidig eliminering af toksicitet og fjernelse af nitrogen.

(II) Indirekte elektrokemisk oxidation

Under elektrolyseprocessen oxiderer MMO-titaniumanoden kloridioner (Cl⁻) og vandmolekyler i vandet, hvilket genererer stærkt oxiderende aktive stoffer. Når kloridioner er til stede i spildevandet, forekommer en klorudviklingsreaktion på anodeoverfladen: 2Cl⁻ – 2e⁻ = Cl₂↑. Klorgassen reagerer yderligere med vand for at danne hypoklorsyrling (HClO) og hypoklorit (ClO⁻). Disse klorbaserede oxidanter kan hurtigt oxidere ammoniaknitrogen til nitrogengas, hvilket øger reaktionshastigheden med 3-5 gange sammenlignet med direkte oxidation. I et kloridfrit system oxideres vandmolekyler ved anoden for at producere reaktive iltarter (・OH, O₂⁻ og andre frie radikaler). Hydroxylradikalet (・OH) har et redoxpotentiale på op til 2.8 V og kan ikke-selektivt nedbryde nitrater, nitritter og andre forbindelser og omdanne dem til nitrogengas eller nitrater.

(III) Synergistisk elektrokatalytisk omdannelse

Ædelmetaloxiderne i MMO-belægningen danner en fast opløsningsstruktur med ventilmetaloxider (såsom IrO₂-Ta₂O₅ og RuO₂-TiO₂). Denne unikke elektronledningsegenskab reducerer reaktionsaktiveringsenergien og fremmer den selektive omdannelse af nitrider. Ved behandling af nitratspildevand kan de katalytiske steder på anodeoverfladen regulere reaktionsvejen, hæmme sidereaktionen af ​​overoxidation til nitrat og fremme omdannelsen af ​​nitrat til nitrit via en totrins elektronoverførselsproces, efterfulgt af yderligere reduktion til nitrogengas. Forskning har vist, at Ir-Ta-baserede MMO-anoder kan øge nitrogenomdannelseseffektiviteten af ​​nitrat til over 90%, hvilket betydeligt overstiger effektiviteten af ​​konventionelle elektroder. Samtidig kan den 10-nanometer TiO₂-passiveringsfilm, der dannes på overfladen af ​​titansubstratet, hæmme elektrodekorrosion og sikre den langsigtede stabilitet af den katalytiske aktivitet.

MMO titaniumanodetyper

Baseret på belægningssammensætning og katalytiske egenskaber er MMO-titaniumanoder, der er egnede til nitridbehandling, primært klassificeret i tre kategorier.

(I) Ruthenium MMO titaniumanoder

Denne type elektrode bruger RuO₂ som den primære aktive ingrediens, der danner en 20-30 μm tyk porøs belægning på et titaniumsubstrat via termisk nedbrydning. Dens kernefordel er dens lave klorudviklingsoverpotentiale (140 mV lavere end en grafitanodes ved en strømtæthed på 1 A/cm²). Den kan effektivt generere hypoklorsyrling i klorholdige spildevandssystemer, hvilket gør den særligt velegnet til behandling af ammoniaknitrogen med højt klorindhold, såsom kommunalt spildevand og akvakulturspildevand.

(II) Iridium MMO titaniumanoder

IrO₂-Ta₂O₅/Ti-anoden, fremstillet via en sol-gel-metode med IrO₂ som aktiv komponent og Ta₂O₅ som belægningsforstærker, er et stjerneprodukt inden for iltudviklingsreaktioner. IrO₂ har ekstremt høj katalytisk aktivitet til iltudvikling. Den faste opløsning dannet af Ta₂O₅ og IrO₂ forbedrer belægningsstabiliteten betydeligt og hæmmer tabet af aktive komponenter. Dens enestående fordele omfatter stærk korrosionsbestandighed og stærk passiveringsmodstand. Den fungerer stabilt i en bred vifte af vandmasser med en pH-værdi på 1-14, hvilket gør den særligt velegnet til behandling af meget sure nitroforbindelser med høj koncentration, såsom kemisk spildevand. Ved behandling af spildevand med en nitrobenzenkoncentration på 200 mg/L opnåede denne elektrode en nitrobenzenfjernelseshastighed på 89% og en TOC-fjernelseshastighed på 72% inden for 3 timer ved en strømtæthed på 25 mA/cm² og en temperatur på 40°C. Derudover kan denne type elektrode prale af en levetid på over 6 år, hvilket gør den til den foretrukne elektrodetype til udfordrende nitrogenforureningskontrol.

(III) Platin MMO Titanium Anode

Pt-IrO₂/Ti-kompositelektroden, der dannes ved at introducere platin (Pt) i belægningen, kombinerer høj katalytisk aktivitet med en usædvanlig lang levetid. Tilsætningen af ​​platin reducerer aktiveringsenergien for nitridoxidation, hvilket forbedrer reaktionsselektiviteten og muliggør effektiv omdannelse af nitrater til nitrogengas ved lave strømtætheder. Denne type elektrode er velegnet til applikationer, der kræver ekstremt høj vandkvalitet, såsom dyb nitrogenfjernelse fra drikkevand og produktion af ultrarent vand til elektronikindustrien. Efter behandling kan nitridkoncentrationerne i behandlet vand reduceres til under 0.5 mg/L uden risiko for opløsning af tungmetaller. Et casestudie på en elektronikfabrik viste, at et Pt-IrO₂/Ti-anodebehandlet processpildevand med en nitratkoncentration på 50 mg/L opnåede en fjernelseshastighed på 99% ved en strømtæthed på 5 mA/cm², hvor spildevandet opfyldte standarderne for rent vand i elektronikkvalitet. På grund af det høje indhold af ædelmetaller er prisen dog 3-5 gange højere end for rutheniumbaserede elektroder, hvilket gør den primært anvendt i avancerede behandlingsscenarier.