Titaniumanode til afsaltning af havvand

Den globale ferskvandskrise er ved at blive en af ​​de centrale udfordringer, der begrænser menneskelig udvikling. 97.5 % af Jordens overfladevand er havvand. Effektiv og omkostningseffektiv afsaltning er blevet et varmt emne i global forskning og industri. Med teknologiske fremskridt er afsaltning gået fra laboratorieforskning til storstilet anvendelse, og gennembrud inden for kernematerialer er en central drivkraft for disse fremskridt.

Blandede metaloxid-titananoder (MMO titanium anoder), et nyt funktionelt elektrodemateriale, anvender en base af industrielt rent titanium belagt med ædelmetaloxider såsom ruthenium og iridium. Deres exceptionelle korrosionsbestandighed, høje katalytiske aktivitet og langsigtede stabilitet har opnået banebrydende anvendelser inden for afsaltning. MMO-titaniumanoder imødekommer udfordringerne med hurtigt korrosionstab, lav elektrolyseeffektivitet og høje vedligeholdelsesomkostninger i miljøer med højt saltindhold, hvilket gør dem til en uundværlig kernekomponent i moderne afsaltningssystemer.

Funktionsprincip for MMO-titananoder

Virkningsmekanismen for MMO-titaniumanoder i afsaltningssystemer til havvand drejer sig om elektrokemi. Kerneprincippet er den synergistiske effekt af belægningens katalytiske aktivitet og stabiliteten af ​​titaniumsubstratet, hvilket opnår flere funktioner såsom afsaltning, fjernelse af skalaer og desinfektion. MMO-titaniumanoder anvender en "substrat-belægning"-kompositstruktur. Titaniumsubstratet er industrielt rent titanium af Gr1/Gr2-kvalitet, typisk 0.5-3 mm tykt. Sandblæsning skaber en ru overflade for at forbedre belægningens vedhæftning. Overfladebelægningen består af en specifik blanding af aktive ædelmetaloxider (såsom RuO₂ og IrO₂) og hjælpeoxider (såsom TiO₂ og Ta₂O₅). Titaniumsubstratet, der produceres gennem flere belægninger ved hjælp af en sol-gel-proces og højtemperatursintring, danner, selvom det kun er 20-50 μm tykt, en bikagelignende porøs struktur med en porøsitet på 35-45%, hvilket øger det effektive reaktionsareal med 5-8 gange. Denne struktur udnytter titansubstratets korrosionsbestandighed og den effektive elektrokatalyse, der opnås gennem ædelmetalbelægningen, og danner et dobbelt "fysisk + kemisk" beskyttelsessystem.

(I) Elektrokemisk afsaltning

I den elektrokemiske behandlingsenhed til afsaltning af havvand fungerer MMO-titaniumanoden som den anode, der undergår en oxidationsreaktion.

Klorudvikling og desinfektionKloridioner i havvand oxideres katalytisk på anodens overflade og producerer klorgas (Cl₂). Denne klorgas reagerer yderligere med vand og producerer hypochlorsyrling (HClO), som udøver en stærk oxidativ desinficerende effekt og effektivt dræber bakterier, alger og andre mikroorganismer i havvand med en algefjernelseshastighed på op til 98%. Den rutheniumbaserede belægning reducerer klorudviklingens overpotentiale betydeligt og øger klorudviklingens effektivitet med over 30%.

Nedbrydning af forurenende stofferHydroxylradikaler (・OH) og ozon (O₃) produceres også på anodens overflade under elektrolyse. Disse stoffer forstærker ikke kun desinfektionseffekten, men oxiderer og nedbryder også organiske forurenende stoffer i havvand, hvilket reducerer behandlingsbelastningen for efterfølgende afsaltningsenheder.

Elektrokemisk afkalkningHøje koncentrationer af hydroxidioner dannet nær katoden ændrer den kemiske balance i havvandet, hvilket fører til udfældning af calcium- og magnesiumioner. De aktive stoffer, der produceres af MMO-anoden, forstyrrer gitterstrukturen i glødeskallen, fremmer dens fysiske afskalning og reducerer derved glødeskalling og tilstopning af afsaltningsmembraner og varmevekslere ved kilden.

Den lave polarisering af MMO-titaniumanoden er nøglen til at forbedre afsaltningseffektiviteten. Dens polarisationsspænding kan styres til under 200 mV, over 60 % lavere end for traditionelle grafitanoder. Den høje katalytiske aktivitet i ædelmetalbelægningen reducerer iltudviklingens overpotentiale fra 1.6 V til 1.3 V. Denne effektive energiomdannelseskapacitet reducerer direkte energiomkostningerne ved afsaltning af havvand, hvilket skubber den forbi "omkostningsvippepunktet" og opnår konkurrencedygtighed med omkostningerne ved postevand.

MMO titaniumanodetyper

Afhængigt af belægningens sammensætning, strukturel morfologi og anvendelsesscenarier kan MMO-titaniumanoder til afsaltning af havvand opdeles i forskellige typer. Hver type tilbyder forskellige præstationsfordele og er egnet til forskellige krav til afsaltningsteknologi.

Ruthenium MMO titaniumanoder

Ved hjælp af et centralt RuO₂-TiO₂-belægningssystem fokuserer de på højeffektiv klorudvikling og opnår en forbedring på 40 % i klorudviklingseffektiviteten i forhold til traditionelle elektroder. De er velegnede til desinfektionsenheder i afsaltning af havvand. De opretholder stabilitet i havvand med en kloridionkoncentration på 10 g/L, med et årligt forbrug så lavt som mindre end 1 mg/A og en levetid på over 15 år.

Iridium MMO Titanium Anoder

Ved at bruge en IrO₂-Ta₂O₅-belægningsformulering tilbyder de fremragende iltudviklingsevne og oxidativ korrosionsbestandighed. Deres iltudviklingspotentiale er 0.2 V lavere end platinelektroders, hvilket gør dem velegnede til afsaltningsforbehandlingsenheder, der kræver et stærkt oxiderende miljø. Denne type anode kan modstå højere strømtætheder og opretholde stabil drift under høje belastningsforhold på 2000 A/m², hvilket gør den velegnet til kontinuerlige driftskrav i store afsaltningsanlæg.

Platin MMO Titanium Anode

Tilsætningen af ​​platingruppemetaller til belægningen muliggør dobbelt klor- og iltudvikling, hvilket resulterer i den højeste katalytiske effektivitet, men også relativt høje omkostninger. Det anvendes primært i post-afsaltningprocesser, hvor kravene til vandkvalitet er ekstremt høje, såsom præ-afsaltning til produktion af ultrarent vand i elektronikindustrien.

Nettet MMO titaniumanode

Den er fremstillet af vævet 3×50 mm titaniumbånd med en masketæthed på 50-200 mesh og tilbyder et stort overfladeareal og ensartet strømfordeling. Den porøse struktur, der er skabt gennem lasergravering, øger overfladearealet med fem gange og forbedrer effektiviteten af ​​fjernelse af kalk med 40 %. Den er velegnet til åbne forbehandlingstanke til havvand, har nem installation og lave vedligeholdelsesomkostninger, hvilket gør den meget anvendt i små og mellemstore afsaltningsanlæg.

Rørformede MMO titaniumanoder

Disse anoder er baseret på et titaniumrør, typisk med en ydre diameter på 50 mm og længder på op til 6000 mm, og er belagt med en MMO-belægning for at skabe en rørformet struktur. Koksfyldstoffer kan tilsættes for at forbedre ledningsevnen. Denne struktur letter integration i afsaltningssystemer i rørledninger og er velegnet til lukkede elektrokemiske behandlingsenheder. Den er meget efterspurgt til pladsbesparende anvendelser i marint afsaltningsudstyr.

Fleksible MMO titaniumanoder

Anoderne bruger en titaniumkerne belagt med en 8 mm PTFE-indkapsling og har en minimumsbøjningsradius på 50 mm, hvilket muliggør fleksibel routing langs udstyrets konturer og forbedrer installationseffektiviteten med tre gange sammenlignet med traditionelle pladeanoder. De er velegnede til komplekst afsaltningsudstyr eller offshore afsaltningssystemer og kan modstå dynamiske forhold som turbulens og vibrationer.

Wstitanium har udviklet et bibliotek af målrettede belægningsformuleringer, der er skræddersyet til de forskellige tekniske krav til afsaltning af havvand. Til miljøer med højt klorindhold ved forbehandling med omvendt osmose er forholdet mellem RuO₂ og TiO₂ i den rutheniumbaserede belægning optimeret, hvilket øger klorudviklingseffektiviteten til over 92 %. Til miljøer med høj temperatur ved destillationsafsaltning er sintringsprocessen for den iridiumbaserede belægning blevet forbedret, hvilket hæver belægningens temperaturtolerance til 120 °C, hvilket langt overstiger branchens standard øvre grænse på 80 °C. Ved præcist at kontrollere belægningens sammensætning kan anodens energiforbrug reduceres med 22-30 % i specifikke afsaltningsapplikationer, hvilket forlænger anodens levetid til over 25 år.

Wstitanium har evnen til at designe og fremstille anoder i en bred vifte af konfigurationer og tilbyder en række produkter, herunder net, rørformede og fleksible strukturer, for at opfylde installationskravene til forskelligt afsaltningsudstyr. Til store ø-afsaltningsanlæg tilbyder vi storskala anodenet vævet af 3 mm tykke titaniumbånd med en beskyttende potentialgradient på ≤10 mV/m og 98 % kantbeskyttelsesdækning. Til oceangående fartøjer udvikler vi miniaturiserede fleksible anodekabler med en minimum bøjningsradius på 50 mm, der er egnede til installation i trange rum på fartøjer. Til pilotudstyr til dybhavsafsaltning tilbyder vi specialiserede trykbestandige anoder, der kan fungere stabilt ved tryk på op til 10 MPa og er egnede til dybder på op til 3,000 meter. Disse produkter fungerer også i temperaturer fra -40 °C til 120 °C og tilpasser sig forskellige klimaer fra polare til tropiske områder.