MMO titaniumanode til perklorat

Perchlorater er en nøgleklasse af uorganiske kemiske produkter. Kaliumperchlorat er et centralt råmateriale til fremstilling af sprængstoffer, raketdrivmidler og airbagsprængstoffer. Natriumperchlorat er et yderst effektivt herbicid. Magnesiumperchlorat er et fremragende dehydreringsmiddel med anvendelser i strategiske sektorer som energi, landbrug og militær. I øjeblikket foregår den primære industrielle produktion af perchlorater gennem elektrolyse af kloratopløsninger. Den centrale tekniske flaskehals ligger i valget af anodematerialer - elektroderne skal kunne modstå oxiderende miljøer med højt potentiale, samtidig med at de har fremragende katalytisk aktivitet, korrosionsbestandighed og lang levetid.

Titanbaserede metaloxidbelagte anoder (MMO titanium anoder, også kendt som DSA-anoder) kombinerer høj katalytisk aktivitet, stærk korrosionsbestandighed og dimensionsstabilitet. De har revolutioneret klor-alkali- og kloratelektrolyseindustrien og er nu det foretrukne anodemateriale til perkloratproduktion.

Funktionsprincippet for MMO-titananoden

Perkloratproduktion anvender elektrolyse af kloratopløsninger. MMO-titaniumanoden driver, gennem sin unikke elektrodestruktur og katalytiske egenskaber, den målrettede oxidation af klorationer til perklorat. Dette involverer den koordinerede handling af ladningsoverførsel og kemiske reaktioner ved elektrodegrænsefladen.

Elektrokemisk reaktion

Den overordnede reaktion for perchloratsyntese er en koblet proces med klorationoxidation ved anoden og vandreduktion ved katoden. MMO-titananodens kernefunktion er at katalysere den anodiske oxidationsreaktion.

Klorat Foretrukken OxidationKlorationer (ClO₃⁻) optager først elektroner på MMO-belægningens overflade og aktiveres, hvorved de danner mellemliggende ClO₃-radikaler. Disse radikaler reagerer derefter med vandmolekyler og danner perklorat (ClO₄⁻). Reaktionsligningen er: ClO₃⁻ + H₂O → ClO₄⁻ + 2H⁺ + 2e⁻. Standardelektrodepotentialet er 1.9 V. Aktive ingredienser såsom IrO₂ i MMO-belægningen kan sænke aktiveringsenergien for denne reaktion, så den kan forløbe gnidningsløst ved et lavere overpotentiale.

Den foretrukne vandoxidationVandmolekyler udledes først på anodens overflade for at danne reaktive iltatomer (O). Disse reaktive iltatomer kombineres derefter med ClO₃⁻ i opløsningen for at danne ClO₄⁻. Reaktionerne er: H₂O → O + 2H⁺ + 2e⁻, ClO₃⁻ + O → ClO₄⁻. Denne reaktionsvej forekommer sandsynligvis ved høje potentialer. MMO-belægningens høje iltoverspænding undertrykker overdreven iltudvikling, hvilket sikrer, at reaktive iltarter fortrinsvis deltager i kloratoxidationsreaktionen, hvorved energispild reduceres.

Katodereaktionen involverer primært reduktion af hydrogenioner for at generere hydrogengas: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑. Den hydrogen, der produceres i denne reaktion, reagerer ikke med anodeproduktet, hvilket eliminerer behovet for en membran i elektrolysatoren og forenkler udstyrets struktur.

MMO-belægningskatalyse

Selve titansubstratet har dårlig elektrisk ledningsevne og passiveres let. MMO-belægningen opnår effektiv katalyse gennem følgende mekanismer.

ElektronledningÆdelmetaloxiderne (såsom IrO₂ og RuO₂) i belægningen har fremragende elektrisk ledningsevne, hvilket effektivt reducerer elektrodemodstanden og danner en elektronledningsbane fra titansubstratet til elektrolytten, hvilket afhjælper titansubstratets utilstrækkelige elektriske ledningsevne.

Aktiv siteberigelseseffektBelægningen danner en porøs struktur gennem sintring ved høj temperatur, hvilket giver et stort antal elektrokemisk aktive steder. Dette forbedrer adsorptions- og aktiveringseffektiviteten af ​​ClO₃⁻ på elektrodeoverfladen betydeligt og accelererer reaktionshastigheden.

StabilitetsgarantiDet tætte oxidlag, der dannes af belægningen, isolerer elektrolytten fra direkte kontakt med titansubstratet og forhindrer titanoxidation til dannelse af TiO₂, hvilket øger kontaktmodstanden, samtidig med at det forhindrer elektrodesvigt forårsaget af substratkorrosion.

Fordele ved Wstitanium

Som en anerkendt producent af MMO-titaniumanoder i Kina har Wstitanium udviklet skræddersyede elektrodeprodukter specifikt til de krævende forhold ved perkloratproduktion.

(I) Titansubstrat

Substratkvaliteten bestemmer direkte elektrodens levetid. Wtitanium bruger Gr1 ren titanium som substratmateriale. Dette materiale tilbyder fremragende korrosionsbestandighed og mekanisk styrke, samtidig med at det forhindrer substratets sprødhed forårsaget af hydrogendiffusion under elektrolyse. En kombineret sandblæsnings- og bejdsningsproces skaber en ensartet ruhed (Ra 1.5-3.0 μm) på titaniumoverfladen, hvilket forbedrer vedhæftningen mellem belægningen og substratet med over 40% og effektivt forhindrer anodepassivering forårsaget af belægningsafskalning.

(II) Belægning

Belægningen fremstilles ved hjælp af en proprietær flerkomponentoxidformel. Ta₂O₅ introduceres som stabilisator i det traditionelle IrO₂-TiO₂-system, hvilket forbedrer belægningens oxidationsmodstand og slidstyrke betydeligt. Ved præcist at kontrollere børstebelægningen og sintringsparametrene (sintringstemperatur 450-500°C, holdetid 15-20 minutter) kontrolleres belægningstykkelsen præcist til 10-12 μm, med en belægningsensartethed på ≥85%, hvilket sikrer ensartet katalytisk aktivitet på tværs af elektrodeoverfladen.

(III) Fremragende elektrokemisk ydeevne

Wstitanium MMO titaniumanoden har et iltfrigivelsespotentiale på ≤1.8 V, hvilket nøje matcher reaktionspotentialet for perchloratsyntese og effektivt undertrykker iltfrigivelsessidereaktionen. Under typiske driftsforhold (strømtæthed 3 kA/m², temperatur 45 °C) når strømeffektiviteten over 92 %, hvilket overstiger PbO₂-anoders (87 %-89 %) og konventionelle MMO-anoder (88 %-90 %).

Takket være dens lave overpotentiale og optimerede belægningsstruktur reduceres elektrodens driftsspænding betydeligt. Sammenlignet med grafitanoder kan cellespændingen reduceres med 0.7-1.0 V, og DC-strømforbruget kan reduceres med 15 %-20 %. Baseret på en årlig produktionskapacitet på 10,000 tons natriumperklorat kan dette spare cirka 3 millioner kWh elektricitet årligt.

(IV) Tilpasning

For at imødegå produktionsforskellene for forskellige perkloratprodukter (såsom natriumperklorat og kaliumperklorat) kan Wstitanium tilbyde skræddersyede løsninger. Til de højkoncentrerede elektrolytforhold ved kaliumperkloratproduktion optimeres Ta₂O₅-indholdet i belægningen for at forbedre korrosionsbestandigheden. Til kontinuerlig natriumperkloratelektrolyse designes net- eller rørformede elektrodestrukturer for at forbedre masseoverførselseffektiviteten. Elektrodedimensionerne kan tilpasses til de elektrolytiske cellespecifikationer, hvilket muliggør stabil produktion af små elektroder fra 100×200 mm til store elektroder på flere meters længde.

MMO titaniumanodetyper

Den primære forskel mellem MMO-titaniumanoder ligger i deres belægningssystemer. Forskellige oxidbelægninger udviser betydelige forskelle i katalytisk aktivitet, oxidationsmodstand og anvendelige driftsforhold.

Iridium MMO Titanium Anode

Iridiumbaserede belægninger bruger IrO₂ som den primære aktive ingrediens, typisk kombineret med oxider som TiO₂ og Ta₂O₅ for at danne et kompositbelægningssystem. De er den mest anvendte type i perkloratproduktion. Belægningstykkelsen styres typisk mellem 8 og 15 μm. Ved at optimere forholdet mellem IrO₂ og hjælpeoxider kan balancen mellem katalytisk aktivitet og levetid forbedres yderligere.

Platin MMO Titanium Anode

Platinbaserede belægninger anvender platin- eller platingruppemetaloxider som det aktive lag, der afsættes direkte på titansubstratet eller bindes via et overgangslag. Deres største styrker er deres ekstremt høje katalytiske aktivitet og lave iltudviklingsoverpotentiale, hvilket muliggør elektrolyse ved lavere cellespændinger og reducerer strømforbruget betydeligt.

Ruthenium-Iridium MMO Titanium Anode

Ruthenium-iridium-kompositbelægningen bruger RuO₂ og IrO₂ som to aktive komponenter. Ved at justere forholdet mellem de to opnås en afbalanceret klor- og iltudvikling.