Titaniumanode til elektrodialyse

Elektrodialyse, med sine kernefordele ved lavt energiforbrug, høj selektivitet og modularitet, er blevet en nøgleteknologi til afsaltning af havvand, afsaltning af brakvand og genbrug af industrielt spildevand. Imidlertid er den langsigtede stabilitet af elektrodialysesystemer ofte begrænset af ydeevnen af ​​deres kernekomponenter: elektroderne. Traditionelle elektroder, såsom grafit- og blybaserede legeringer, er tilbøjelige til korrosion, opløsning og kraftig polarisering i elektrodialysemiljøet med højt saltindhold og stærk syre-base, hvilket i væsentlig grad hindrer den industrielle anvendelse af elektrodialyseteknologi.

Fremkomsten af MMO titanium anode (blandet metaloxidbelagt titaniumanode) er nøglen til at bryde flaskehalsen inden for elektrodialyseteknologi. Dette elektrodemateriale, der er sammensat af en industrielt ren titaniummatrix og en aktiv belægning af flere metaloxider (såsom ruthenium-iridium, iridium-tantal og ruthenium-iridium-tantal), opnår et tredobbelt gennembrud inden for korrosionsbestandighed, katalytisk aktivitet og stabilitet gennem præcist sammensætningsdesign og avancerede fremstillingsprocesser. I elektrodialysesystemer reducerer MMO-titaniumanoder ikke kun overpotentialet for klor/iltudvikling med 0.2-0.5 V, hvilket reducerer systemets energiforbrug med 15%-25%, men fungerer også stabilt i over 8,000 timer i ekstreme miljøer med saltindhold på 5%-20%, med en levetid, der er 4-6 gange så lang som for traditionelle blyanoder. I øjeblikket bruger over 85 % af det avancerede elektrodialyseudstyr verden over MMO-titaniumanoder, og deres udbredelse inden for afsaltning af havvand, elektronisk produktion af ultrarent vand og lithiumudvinding fra saltsøer vokser med en årlig rate på 12 %.

Anvendelser af elektrodialyse

Elektrodialyseteknologi, baseret på princippet om "ionselektiv migration", bruger et elektrisk felt til at drive ioner i vand gennem ionbyttermembraner, hvilket opnår vandrensning og ressourceudvinding.

VandrensningVed afsaltning af havvand kan elektrodialyse reducere saltindholdet i havvand fra 35,000 mg/L til under 500 mg/L, hvilket opfylder drikkevandsstandarderne, mens det kun forbruger 60%-70% af den energi, der kræves af omvendt osmoseteknologi. Det er især velegnet til øer og kystområder med vandmangel. Ved afsaltning af brakvand kan elektrodialyse effektivt fjerne høje fluorid-, arsen- og saltniveauer i grundvandet. For eksempel viser data fra et brakvandsprojekt, at fluoridindholdet i behandlet vand er blevet reduceret fra 2.8 mg/L til under 0.5 mg/L, hvilket opfylder drikkevandsstandarderne.

Genvinding af industrielt spildevand: Ved galvanisering af spildevandsrensning kan elektrodialyse genvinde tungmetalioner såsom nikkel, kobber og krom med en genvindingsrate på over 95 %. Efter at have taget denne teknologi i brug, har galvaniseringsanlæg reduceret tungmetalemissioner med 12 tons årligt og sparet over 3 millioner yuan i råvareomkostninger. Ved farvning af spildevandsrensning fjerner elektrodialyse salte og organiske pigmenter fra spildevand, hvilket øger genbrugen af ​​spildevand til 70 % og reducerer forbruget af ferskvand.

High-end produktionI produktionen af ​​ultrarent vand til elektronik kan elektrodialyse, som et "dyb afsaltningstrin", øge vandmodstanden til 18.2 MΩ·cm og dermed opfylde de strenge krav til ultrarent vand i chipproduktion. I litiumudvinding fra saltsøer erstatter elektrodialyse traditionel fordampning og opnår effektiv separation af litium fra natrium- og kaliumioner. Dette øger litiumudvindingen fra 70 % til over 90 %, reducerer energiforbruget med 40 % og forhindrer økologiske skader på saltsøer.

Funktionsprincippet for MMO-titananoden

MMO-titaniumanoden spiller en nøglerolle i elektrodialysesystemet ved at tilvejebringe den elektriske feltdrivkraft og katalysere elektrodereaktionen. I elektrodialysesystemet fungerer MMO-titaniumanoden som anode, der primært gennemgår klorudviklingsreaktionen (et Cl⁻-domineret system) eller iltudviklingsreaktionen (et OH⁻-domineret system).

Elektrisk feltdrevNår elektrodialysesystemet aktiveres, genereres et positivt potentiale på overfladen af ​​MMO-titaniumanoden, hvilket skaber en elektrisk feltgradient. Under påvirkning af det elektriske felt migrerer anioner (såsom Cl⁻, SO₄²⁻ og OH⁻) i vandet mod anoden, mens kationer (såsom Na⁺, Ca²⁺ og Mg²⁺) migrerer mod katoden og opnår en initial ioneseparation.

AnodekatalyseAfhængigt af vandets sammensætning forekommer der to kernereaktioner ved anoden:
Klorudviklingsreaktion (systemer med højt saltindhold, såsom havvand og spildevand fra galvanisering): Ruthenium-iridiumoxidet (RuO₂-IrO₂) på overfladen af ​​MMO-titaniumanoden fungerer som et katalytisk aktivt sted, hvilket sænker aktiveringsenergien for Cl⁻-oxidation. Reaktionsligningen er 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑. Overpotentialet for denne reaktion er kun 0.1-0.2 V, hvilket er langt lavere end 0.5-0.7 V for traditionelle grafitelektroder, hvilket reducerer energiforbruget betydeligt.

Iltudviklingsreaktion (systemer med lavt saltindhold eller alkaliske stoffer, såsom fremstilling af ultrarent vand og trykning og farvning af spildevand): Når Cl⁻-koncentrationen i vandet er lav, oxideres OH⁻ fortrinsvis ved anoden. Iridiumtantaloxidbelægningen (IrO₂-Ta₂O₅) i MMO-titaniumanoden katalyserer denne reaktion med ligningen: 4OH⁻ – 4e⁻ → 2H₂O + O₂↑. Overpotentialet styres mellem 0.25-0.35 V for at undgå sidereaktioner med organiske forurenende stoffer induceret af høje potentialer.

Elektronledning og reaktionsbalanceTitansubstratet i MMO-titananoden har fremragende ledningsevne og overfører effektivt elektroner fra det eksterne kredsløb til belægningens aktive steder. Desuden giver belægningens porøse struktur (porestørrelse 50-200 nm) undslippekanaler for reaktionsprodukter (Cl₂, O₂), hvilket forhindrer "elektrodepolarisering" forårsaget af bobleadhæsion og opretholder en stabil reaktion.

Anti-organisk forureningMMO-belægningens høje potentiale (1.2-1.5 V vs. SHE) kan hurtigt oxidere organiske forurenende stoffer, der er adsorberet på overfladen, og nedbryde dem til CO₂ og H₂O, hvilket forhindrer tilstopning af aktive steder. Samtidig kan belægningens nanoporøse struktur (specifikt overfladeareal > 10 m²/g) sprede adsorptionstætheden af ​​organiske forurenende stoffer og opretholde stabil katalytisk aktivitet. Ved behandling af spildevand fra trykning og farvning er aktivitetsfaldet for MMO-titananoden kun 5 %/år, mens det for grafitelektroden er 30 %/år.

MMO titaniumanodetyper

Baseret på vandkvalitetsegenskaberne (saltindhold, pH, forureningstyper) og kravene (strømtæthed, energiforbrugsmål) til elektrodialysesystemet kan MMO-titaniumanoder opdeles i fire kategorier. Hvert produkt har betydelige forskelle i belægningssammensætning og ydeevne, der er rettet mod forskellige anvendelsesscenarier.

1. Ruthenium-IrO₂ titaniumanode (RuO₂-IrO₂/Ti)

Dette anvender en aktiv ruthenium-iridiumoxidbelægning (Ru:Ir-molforhold 3:1-5:1). Den har "høj klorudviklingsaktivitet + lavt energiforbrug" med et klorudviklingsoverpotentiale så lavt som 0.1 V og en strømeffektivitet på over 95 %. Den er egnet til systemer med højt saltindhold og Cl⁻-koncentrationer > 5000 mg/L. Typiske anvendelser omfatter afsaltning af havvand, elektroplettering, spildevandsgenvinding (med højt kloridindhold) og elektrodialyseafsaltning i klor-alkaliindustrien.

2. Iridium-tantal-titaniumanode (IrO₂-Ta2O5/Ti)

Denne anode har en aktiv iridium-tantaloxidbelægning (iridium-tantal molforhold på 1:1-2:1) med fokus på "høj oxidationsmodstand og alkalisk korrosionsbestandighed". Dens iltudviklingspotentiale er så lavt som 0.25 V, og den er stabil i hele pH-området på 0-14, hvilket gør den velegnet til elektrodialysesystemer med lavt saltindhold eller alkaliske elektrodialysesystemer. Typiske anvendelser omfatter elektronisk produktion af ultrarent vand (dyb afsaltning, Cl⁻-koncentration < 10 mg/L), alkalisk spildevandsbehandling (såsom papirfremstillingsspildevand) og elektrodialyserensning til hydrogenproduktion ved hjælp af vandelektrolyse.

3. Ruthenium-iridium-tantal-titanium-anode (RuO₂-IrO₂-Ta₂O₅/Ti)

Denne ternære kompositbelægning (Ruthenium:Iridium:Tantal = 4:3:3) kombinerer de tredobbelte fordele ved "klorudviklingsaktivitet, korrosionsbestandighed og anti-skalering". Dens afbalancerede overpotentialer for klor- og iltudvikling er henholdsvis 0.15 V og 0.3 V, hvilket gør den velegnet til komplekse blandede saltsystemer. Typiske anvendelser omfatter afsaltning af brakvand (højt calcium- og magnesiumindhold, lavt kloridindhold), lithiumudvinding fra saltsøer (separation af Li⁺ fra Na⁺ og K⁺) og afsaltning af industrielt cirkulerende vand. Et lithiumudvindingsprojekt i saltsøer, der bruger denne anode, har øget lithiumudvindingsraten for elektrodialyse fra 85 % til 92 %.

4. Specielt struktureret MMO-titaniumanode

MMO-titaniumsanode med net: Ved at anvende et titaniumnet (porestørrelse 2-5 mm) som substrat og en belægningstykkelse på 0.5-2 μm tilbyder den fordelene ved "højt specifikt overfladeareal + lav strømningsmodstand" og er velegnet til kompakte elektrodialysemembranstakdesigns, hvilket reducerer systemvolumen med 30 %. Den bruges almindeligvis i små husholdningsvandrensere og mobilt afsaltningsudstyr.

Rørformet MMO-titaniumanode: Belægningen anvender et titaniumrørsubstrat (diameter 10-50 mm) og dækker ensartet de indre og ydre overflader. Den er velegnet til brug i rørformede elektrodialysereaktorer, forbedrer vandomrøring og reducerer koncentrationspolarisering. Den er fremragende til behandling af spildevand med høj viskositet (såsom spildevand fra fødevareforarbejdning) og forbedrer COD-fjernelsen med 15 %.

Fleksibel MMO-titaniumanode: Belægningen er baseret på titanfolie (tykkelse 0.1-0.3 mm) og er modificeret med et fleksibelt klæbemiddel, der kan bøjes, så den passer til uregelmæssige elektrodialyseapparater. Den er velegnet til specialformede membranstabler eller bærbart behandlingsudstyr, såsom små elektrodialyse-vandrensningsapparater til nødhjælp.