MMO titaniumanode til overfladeaktive stoffer

Fra vaskeri til olieudvinding, fra fødevareforarbejdning til farmaceutisk fremstilling, gennemsyrer overfladeaktive stoffer adskillige nøglesektorer i samfundet og økonomien. Men hvis overfladeaktive forurenende stoffer udledes direkte i vandområder uden effektiv behandling, kan de ikke blot forstyrre balancen i akvatiske økosystemer, men også true menneskers sundhed gennem fødekæden.

MMO titanium anoder (titanbaserede blandede metaloxidanoder) er blevet en nøgle til at overvinde udfordringerne ved behandling af overfladeaktive stoffer. MMO-titananoder, også kendt som DSA'er (dimensionelt stabile anoder), anvender et titansubstrat belagt med ædelmetaloxider såsom iridium, ruthenium og tantal. Disse anoder kombinerer fremragende elektrokatalytisk aktivitet, kemisk stabilitet og en ekstremt lang levetid, hvilket giver en løsning til avanceret behandling af overfladeaktivt spildevand.

Forurening af overfladeaktive stoffer

Overfladeaktive stoffer kan opdeles i fire kategorier baseret på deres molekylære struktur: anioniske, kationiske, nonioniske og amfotere. I dagligdagen dominerer anioniske overfladeaktive stoffer, hvor produkter som alkylbenzensulfonater og fedtalkoholethersulfater i vid udstrækning anvendes i vaskemidler, opvaskemidler og showergeler. Nonioniske overfladeaktive stoffer er på grund af deres mildhed en kerneingrediens i babyplejeprodukter og high-end kosmetik. Metalbearbejdningsindustrien er afhængig af deres rustforebyggende og affedtende egenskaber, og det årlige forbrug alene i maskinindustrien når op på hundredtusindvis af tons. Kationiske overfladeaktive stoffer anvendes til desinfektion af swimmingpools og flokkulering af spildevand på grund af deres bakteriedræbende egenskaber. Store udledninger af overfladeaktive stoffer er blevet en væsentlig kilde til vandforurening.

Vedrørende økologiske farerNår koncentrationerne af overfladeaktive stoffer i vand overstiger 4 mg/L, reducerer de overfladespændingen betydeligt, hvilket forårsager skade på fiskens gællemembraner og forringer åndedrætsfunktionen. Ved koncentrationer på 10 mg/L er de fleste ferskvandsfisk ude af stand til at overleve. Mere alvorligt er typiske overfladeaktive stoffer som natriumalkylbenzensulfonat (ABS) potentielt teratogene og kan let forårsage eutrofiering af vandmasser, hvilket fører til algeopblomstring og forstyrrelser af akvatiske økosystemer.

Med hensyn til menneskers sundhedResterende overfladeaktive stoffer i miljøet kan indtages gennem drikkevand og mad. Langvarig ophobning kan forstyrre det endokrine system, hvor især kationiske overfladeaktive stoffer potentielt kan have en negativ indvirkning på reproduktionssystemet. Derudover kan overfladeaktive stoffer øge opløseligheden og mobiliteten af ​​andre forurenende stoffer, hvilket gør det lettere for skadelige stoffer som tungmetaller og pesticider at trænge ind i organismer, hvilket resulterer i sammensatte forureningseffekter.

Funktionsprincip for MMO-titananoder

Kernemekanismen bag MMO-titaniumanoder i behandling af overfladeaktivt spildevand er at forstyrre dets molekylære struktur gennem elektrokemiske oxidationsreaktioner, hvilket opnår nedbrydning af forurenende stoffer eller mineralisering. Denne proces er primært afhængig af den synergistiske effekt af direkte og indirekte oxidationsveje.

(I) Direkte oxidation

Direkte oxidation er den proces, hvorved overfladeaktive molekyler undergår oxidativ nedbrydning på overfladen af ​​MMO-titaniumanoder gennem elektronoverførsel. Den blandede metaloxidbelægning (såsom IrO₂-Ta₂O₅ eller RuO₂-TiO₂) på titansubstratet besidder rigelige aktive steder og fremragende elektronoverførselsegenskaber. Overfladeaktive molekyler akkumuleres på anodeoverfladen gennem fysisk eller kemisk adsorption. Deres hydrofobe grupper danner van der Waals-kræfter med belægningsoverfladen, mens de hydrofile grupper justerer sig gennem elektrostatiske interaktioner. Efterfølgende brydes kemiske bindinger i molekylerne, såsom CC- og etherbindinger, under angreb af elektronhuller, hvilket gradvist nedbryder dem til små organiske molekyler og i sidste ende oxiderer dem til CO₂ og H₂O.

(II) Indirekte oxidation

Indirekte oxidation involverer nedbrydning af overfladeaktive stoffer gennem elektrolyse af MMO-titaniumanoder, hvilket genererer stærkt oxiderende mellemprodukter (såsom hydroxylradikaler (OH) og aktive klorarter). Denne proces udviser ikke-selektive oxidationsegenskaber og kan behandle en bred vifte af komplekse forurenende stoffer.

I klorholdige elektrolytsystemer aktiveres klorudviklingsfunktionen i MMO-titaniumanoden. Cl⁻ i opløsningen mister elektroner på anodeoverfladen for at danne Cl₂, som yderligere hydrolyseres for at danne aktive klorforbindelser såsom HClO⁻ og ClO⁻, ifølge reaktionsligningen: Cl⁻ → ClO⁻ → HClO. Disse aktive klorforbindelser er stærkt oxiderende og kan angribe de hydrofobe kæder og polære grupper i overfladeaktive molekyler, hvilket initierer reaktioner såsom desulfonering og kædespaltning. For spildevand med høj koncentration af overfladeaktive stoffer bidrager indirekte oxidation med cirka 60-80% af nedbrydningseffektiviteten.

I klorfri eller lavklorsystemer genererer MMO-titaniumanoden hydroxylradikaler gennem iltudviklingsreaktionen i henhold til reaktionsligningen: H₂O → OH + H⁺ + e⁻. Hydroxylradikaler med et redoxpotentiale på op til 2.80 V kan oxidere alle typer overfladeaktive stoffer uden forskel. Selv vanskeligt nedbrydelige ikke-ioniske overfladeaktive stoffer (såsom polyoxyethylenethere) kan nedbrydes effektivt. Forskning har vist, at titanbaserede PbO₂-belagte anoder kan generere hydroxylradikaler i koncentrationer på op til 1.2 × 10⁻⁴mol/L, med en nedbrydningshastighed på over 90 % for polyoxyethylenoctylphenolether.

MMO titaniumanodetyper

Baseret på belægningens sammensætning og strukturelle egenskaber klassificeres MMO-titaniumanoder, der er egnede til behandling af overfladeaktive stoffer, primært i følgende tre kategorier. Hver anodetype udviser betydelige forskelle i ydeevne og opfylder behovene under forskellige driftsforhold.

(I) Ruthenium-iridium MMO titaniumanoder

Ruthenium-iridium-anoder er i øjeblikket den mest anvendte type. Deres belægning består af RuO₂ som den primære aktive komponent og IrO₂ som stabilisator, der danner en fast opløsningsstruktur gennem sintring ved høj temperatur. Denne type anode udviser fremragende klorudvikling og elektrisk ledningsevne og fungerer exceptionelt godt i behandlingen af ​​kloreret overfladeaktivt spildevand, hvor den effektivt genererer aktive klorarter til nedbrydning af forurenende stoffer.

(II) Iridium-Tantal MMO Titanium Anoder

Iridium-tantal-anoder, med IrO₂ som aktiv komponent og Ta₂O₅ som belægningsstabilisator, tilbyder enestående kemisk stabilitet og korrosionsbestandighed, hvilket gør dem særligt velegnede til behandling af surt overfladeaktivt spildevand. Tilsætningen af ​​Ta₂O₅ forbedrer belægningens krystallinitet og densitet betydeligt, hvilket gør det muligt for anoden at opretholde stabil ydeevne i meget sure miljøer med et pH-område på 1-4. Denne type anode udviser et højt iltudviklingsoverpotentiale (ca. 1.6 V), hvilket effektivt undertrykker iltudviklingens sidereaktion og forbedrer oxidativ nedbrydningseffektivitet. Den er særligt effektiv til nedbrydning af ikke-ioniske overfladeaktive stoffer.

(III) Fleksibel MMO-titananode

Fleksible MMO-titaniumanoder er flettet af Gr1- eller Gr2-titaniumtråde belagt med en IrO₂-Ta₂O₅-belægning. De udviser fremragende fleksibilitet og formbarhed. Denne type anode kan fleksibelt tilpasses reaktorformen, hvilket øger kontaktarealet mellem elektroden og spildevandet betydeligt, forbedrer strømfordelingens ensartethed og undgår lokale overspændingsproblemer. Dens strømtæthedsensartethed overgår den for stive anoder, hvilket gør den særligt effektiv i komplekse reaktorkonfigurationer. Den er særligt velegnet til kompakt, mobilt spildevandsbehandlingsudstyr til overfladeaktive stoffer.

Modsætningen mellem den udbredte brug af overfladeaktive stoffer og miljøforurening er blevet et centralt problem, der hindrer en bæredygtig udvikling af industrien. Som den centrale bærer af denne teknologi har MMO-titaniumanoden med sin fremragende elektrokatalytiske ydeevne, stabilitet og lange levetid revolutioneret behandlingen af ​​overfladeaktivt spildevand.

Gennem den synergistiske virkning af direkte og indirekte oxidation ødelægger MMO-titaniumanoden effektivt den molekylære struktur af forskellige overfladeaktive stoffer og opnår fuldstændig mineralisering af forurenende stoffer fra store molekyler til små molekyler, helt til CO₂ og H₂O. Forskellige typer MMO-titaniumanoder tilbyder deres egne fordele: Ruthenium-iridiumanoder balancerer omkostninger og effektivitet og er velegnede til konventionelt kloreret spildevand; iridium-tantalanoder tilbyder enestående korrosionsbestandighed og er effektive til surt, ildfast spildevand; titanbaserede IRO₂-anoder tilbyder stærke mineraliseringsegenskaber og er velegnede til avancerede behandlingsbehov; og fleksible anoder udvider anvendelsen af ​​komplekst udstyr.