Titaniumanode til natriumhypochlorit

Som et yderst effektivt og økonomisk oxidations- og desinfektionsmiddel spiller natriumhypochlorit en central rolle i industriel produktion og folkesundhed. Dets anvendelser spænder over nøgleområder som vandbehandling, medicinsk desinfektion og fødevareforarbejdning. Dets produktion udviklede sig fra kemisk syntese af klorgas og natriumhydroxid til elektrolyse af saltvand. Drivkraften bag dette teknologiske gennembrud stammede fra innovationer inden for elektrodematerialer.

I midten af ​​det 20. århundrede, den blandede metaloxid (MMO) titaniumanode, en ny elektrode baseret på en titaniummatrix belagt med ædelmetaloxider såsom iridium og ruthenium, kombinerede korrosionsbestandighed med elektrokatalytisk aktivitet, hvilket øgede den nuværende effektivitet af natriumhypochloritproduktion til over 85%-95%. Den er blevet en standard kernekomponent i moderne natriumhypochloritproduktionsteknologi.

Anvendelser af natriumhypochlorit

På grund af sine stærke oxiderende og bakteriedræbende egenskaber har natriumhypochlorit vist sin uerstattelige rolle inden for adskillige områder. Dets anvendelser har udvidet sig ud over traditionelle industrier og omfatter nu alle aspekter af offentlig velfærd.

(I) Vandbehandling

Som et centralt desinfektionsmiddel i vandbehandlingsindustrien har natriumhypochlorit den største markedsandel. I drikkevandsbehandling dræber det effektivt bakterier, vira og protozoer i vand uden at producere kræftfremkaldende biprodukter såsom trihalomethaner. I industriel spildevandsbehandling kan natriumhypochlorit oxidere og nedbryde giftige forurenende stoffer såsom cyanid og sulfid. I cirkulerende kølevandssystemer hæmmer det væksten af ​​mikroorganismer og danner bioslam, samtidig med at det kontrollerer rørkorrosion.

(II) Fødevarer og lægemidler

I fødevareindustrien er natriumhypochlorit et anerkendt sikkert desinfektionsmiddel, der i vid udstrækning anvendes til vask af frugt og grøntsager, sterilisering af kødforarbejdningsudstyr og sterilisering af fødevareemballage. I mejeriproduktion kan fortyndet natriumhypochlorit bruges til in-situ desinfektion af fermenteringstanke og rørledninger, hvorved patogener som Listeria dræbes, og eventuelle rester kan let skylles væk. Den farmaceutiske industri udnytter dets stærke oxiderende egenskaber til forbehandling og desinfektion af medicinsk udstyr, hvilket gør det særligt velegnet til desinfektion af præcisionsinstrumenter inden for tandpleje og oftalmologi.

(III) Industriel fremstilling

I papirindustrien anvendes natriumhypochlorit som et billigt blegemiddel til delignificering af træmasse, hvorved farvet materiale effektivt fjernes fra massen. Tekstilindustrien udnytter dets oxiderende egenskaber til afstrygning og blegning af bomuldsstoffer. I kemisk syntese kan natriumhypochlorit anvendes som et oxidationsmiddel i forskellige organiske reaktioner, såsom fremstilling af chlorhydriner og quinonforbindelser.

(IV) Folkesundhed

Inden for folkesundheden er natriumhypochlorit en central ressource til forebyggelse og kontrol af epidemier og kan bruges til miljødesinfektion på hospitalsafdelinger og offentlige steder. Dets fortyndede produkt anvendes i vid udstrækning til desinfektion af husholdninger og vedligeholdelse af vandkvaliteten i swimmingpools. Natriumhypochloritopløsning (ca. 0.8% koncentration) fremstillet på stedet ved hjælp af MMO-titaniumanoder kan tilsættes direkte.

Funktionsprincippet for MMO-titananoden

Kernen i natriumhypochloritproduktion ved hjælp af MMO-titaniumanoden er elektrolyse af saltlage. Gennem præcist kontrollerede elektrokemiske reaktioner omdannes natriumkloridopløsningen til natriumhypochloritopløsning.

(I) Kernereaktion

Natriumhypochlorit-elektrolyse bruger en 3%-5% natriumchloridopløsning som råmateriale. I den elektrolysecelle danner MMO-titaniumanoden og -katoden et elektrisk felt, der driver retningsbestemt ionmigration og en redoxreaktion. Den overordnede reaktionsligning er: NaCl + H₂O → NaClO + H₂↑. Denne reaktion kræver ikke høj temperatur eller højt tryk; den kan forløbe ved stuetemperatur og -tryk.

(II) Elektrodereaktion

Anodeområdet er det vigtigste reaktionssted i produktionen af ​​natriumhypochlorit. MMO-belægningens høje katalytiske aktivitet spiller en nøglerolle her. På anodeoverfladen oxideres kloridioner fortrinsvis: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑. Den effektive drift af denne reaktion skyldes MMO-belægningens lave klorudviklingsoverpotentiale. Ruthenium-iridiumoxidbelægningen reducerer klorudviklingsoverpotentialet med 0.2 V, hvilket øger klorgenereringshastigheden betydeligt. Desuden hæver MMO-belægningen iltudviklingsreaktionspotentialet til over 1.6 V, hvilket effektivt undertrykker sidereaktionen af ​​vandmolekyler, der oxiderer for at producere ilt.

Katodeområdet gennemgår primært en reduktionsreaktion. Vandmolekyler optager elektroner, hvilket genererer hydrogen og natriumhydroxid: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Natriumhydroxidet, der produceres ved katoden, diffunderer ind i opløsningen med kloret, der produceres ved anoden, hvilket resulterer i en disproportioneringsreaktion: 2NaOH + Cl₂ → NaCl + NaClO + H₂O, hvilket i sidste ende producerer natriumhypochlorit.

(III) MMO-belægningens nøglerolle

MMO-belægningen dannes ved højtemperatursintring af metaloxider såsom iridium, ruthenium og titanium. Dens nanostruktur giver elektroden fremragende ydeevne. Belægningens høje kemiske stabilitet sikrer, at elektroden forbliver modstandsdygtig over for opløsning og løsning i stærkt korrosive miljøer fra pH 2 til 12. Desuden reducerer dens lave kontaktmodstand (kun en femtedel af en grafitanodes) elektriske energitab, hvilket sænker elektrolyseenergiforbruget med over 30%. Desuden muliggør belægningens høje strømtæthedskapacitet (op til 2500 A/m²) storskalaproduktion inden for begrænsede elektrodeoverfladearealer.

MMO titaniumanodetyper

Afhængigt af omfanget af natriumhypochloritproduktion, udstyrets struktur og driftskrav er MMO-titaniumanoder blevet udviklet i forskellige typer. Disse typer adskiller sig betydeligt i strukturelt design og ydeevne og opfylder behovene i en bred vifte af scenarier, fra småskala laboratorieforberedelse til storskala industriel produktion.

(I) Plade MMO titaniumanoder

Pladeanoder er den mest almindeligt anvendte type i produktionen af ​​natriumhypochlorit. De anvender TA1- eller TA2-rene titaniumplader som substrat, ensartet belagt med en ruthenium-iridium MMO-belægning. Deres fordele ligger i deres enkle struktur og lette forarbejdning. De kan tilpasses størrelsen af ​​den elektrolytiske celle, og deres ensartede strømfordeling på tværs af elektrodeoverfladen sikrer en stabil natriumhypochloritproduktkoncentration.

Pladeanoder anvender typisk et design med flere plader, der er arrangeret i intervaller for at danne en elektrolytisk enhed. Denne struktur letter demontering og vedligeholdelse. Pladeanoder tegner sig for over 70 % af små og mellemstore natriumhypochloritgeneratorer og er særligt velegnede til klargøring på stedet på hospitaler og i svømmehaller.

(2) Rørformede MMO-titananoder

Rørformede anoder er baseret på tyndvæggede titanrør med en belægning, der dækker både den indre og ydre overflade jævnt. De har et stort overfladeareal og høj mekanisk styrke. Deres rørformede struktur letter indsættelse i elektrolytiske celler eller rørsystemer, hvilket gør dem særligt velegnede til kontinuerligt flow-natriumhypochloritproduktionsudstyr, da de sikrer tilstrækkelig kontakt mellem opløsningen og elektroderne og forbedrer reaktionseffektiviteten.

Rørformede MMO-titaniumanoder fungerer særligt godt i integreret udstyr til spildevandsrensning med højt saltindhold og produktion af natriumhypochlorit. Deres modstandsdygtighed over for vandstrømningschok gør det muligt for dem at tilpasse sig komplekse væskemiljøer, og deres lette design (densitet på kun 4.5 g/cm³) reducerer udstyrets belastningskrav.

(3) Mesh MMO titaniumanoder

Netanoder er lavet af titantråd, der er vævet ind i et net og derefter belagt med en MMO-belægning. De tilbyder fremragende fleksibilitet og en meget ensartet strømfordeling. De kan bøjes i komplekse former, såsom ringe og spiraler, så de passer perfekt inden for væggene i beholdere som lagertanke og reaktorer.

En anden væsentlig fordel ved denne anodetype er dens lette vægt og nemme installation. Den anvendes i vid udstrækning i mobile natriumhypochloritgeneratorer og kan reducere transportomkostningerne til udstyret betydeligt med 42 %. Dens høje strømtæthedsbæreevne (op til 10,000 A/m²) gør den til et fremragende valg i situationer, der kræver hurtig natriumhypochloritproduktion, såsom nødredningsoperationer.

(IV) Strip MMO titaniumanoder

Stripanoder anvender et titaniumbåndsubstrat med en belægningstykkelse, der kan justeres efter strømkrav, typisk fra 0.5 til 2 mm. Deres lineære struktur sikrer ensartet strømfordeling langs deres længde. En enkelt beskyttet sektion kan nå ti meter med en potentialforskel på mindre end ±0.05 V. I natriumhypochloritproduktionssystemer i rørledninger kan båndanoder lægges langs rørledningens indvendige væg, hvilket skaber en kontinuerlig elektrolysezone. Dette sikrer kontinuerlig reaktion under opløsningsstrømmen, hvilket øger produktkoncentrationen betydeligt.