Ánodo de titanio MMO para aluminio electrolítico

Ánodos de titanio MMO Los ánodos inertes de alto rendimiento (MMO) recubiertos de óxido metálico a base de titanio ofrecen una solución viable para lograr una electrólisis sin carbono en la industria electrolítica del aluminio. Los ánodos de titanio MMO no participan en la reacción química durante la electrólisis, eliminando por completo las emisiones de dióxido de carbono y reduciendo el voltaje de la celda entre 0.3 y 0.5 V. Esto reduce el consumo de energía por tonelada de aluminio de 13 500 kWh a menos de 12 000 kWh, lo que permite un ahorro energético potencial de más del 10 %.

Principio de funcionamiento de los ánodos de titanio MMO

El principio fundamental del uso de ánodos de titanio MMO en la electrólisis del aluminio es establecer una reacción electroquímica estable en un entorno de electrolito fundido a alta temperatura. La reacción fundamental en la electrólisis del aluminio es la descomposición electrolítica del óxido de aluminio fundido en un electrolito de criolita. El ánodo de titanio MMO actúa como un ánodo inerte, donde los iones de oxígeno experimentan oxidación y desprendimiento de oxígeno.

Reacción catalítica

Los iones de oxígeno (O²⁻) del electrolito fundido migran a la superficie del ánodo de titanio MMO y son adsorbidos por los sitios activos del óxido de metal precioso en el recubrimiento. Estos sitios catalizan la oxidación del O²⁻ mediante transferencia de electrones, produciendo oxígeno gaseoso. La ecuación de la reacción anódica es: 2O²⁻ – 4e⁻ = O₂↑. La estructura cristalina del óxido de iridio-rutenio proporciona una vía de reacción adecuada para los iones de oxígeno, reduciendo la energía de activación de la reacción en más de un 30 %.

Protección inerte

La estructura densa y la estabilidad química del recubrimiento de MMO impiden que el ánodo participe en la reacción, evitando así el consumo y las emisiones de CO₂ asociadas a los ánodos de carbono tradicionales. Al mismo tiempo, el recubrimiento bloquea eficazmente la difusión de iones de fluoruro y sodio desde el electrolito fundido al sustrato de titanio, protegiéndolo de la corrosión y garantizando un funcionamiento estable a largo plazo del ánodo.

Reacción cooperativa del cátodo

Los electrones generados en el ánodo se transfieren al cátodo mediante un circuito externo, donde los iones de aluminio (Al³⁺) se reducen a aluminio fundido. La ecuación de reacción es: Al³⁺ + 3e⁻ = Al. La estabilidad dimensional del ánodo de titanio MMO garantiza una separación constante entre electrodos de ±1 mm y fluctuaciones de voltaje de celda de ±3 %, lo que proporciona un entorno de campo eléctrico estable para la reacción catódica.

Tipos de ánodos de titanio MMO

La producción de electrólisis de aluminio se enfrenta a entornos de electrolito fundido de alta temperatura de 950 a 1000 °C, y el electrolito es altamente corrosivo, lo que impone exigencias estrictas a la resistencia a la corrosión, al choque térmico y a las altas temperaturas de los ánodos de titanio MMO.

1. Ánodos de titanio e iridio-tántalo

Este es el tipo más maduro de ánodo de titanio MMO utilizado en la industria de la electrólisis del aluminio. El sistema de recubrimiento del núcleo utiliza dióxido de iridio (IrO₂) como componente activo, dopado con pentóxido de tántalo (Ta₂O₅) para formar una estructura compuesta. La formulación típica es un recubrimiento de gradiente de IrO₂-Ta₂O₅, con un espesor de recubrimiento de 30-50 μm. Este tipo de ánodo presenta una excelente resistencia a la corrosión en el sistema fundido Na₃AlF₆-Al₂O₃, con una velocidad de corrosión controlada por debajo de 0.002 mm/año. Su bajo sobrepotencial de desprendimiento de oxígeno, de alrededor de 1.5 V (en comparación con Al/Al³⁺), reduce la pérdida de energía en la reacción anódica y es adecuado para aplicaciones experimentales en la electrólisis del aluminio a media y baja temperatura.

2. Ánodo de titanio e iridio-rutenio

Para aplicaciones de electrólisis industrial con altas temperaturas y altas densidades de corriente, el ánodo de titanio revestido de iridio-rutenio-tántalo reduce el sobrepotencial de evolución de oxígeno a menos de 1.4 V al mismo tiempo que mejora la conductividad térmica del revestimiento, evitando el sobrecalentamiento localizado y el desconchado.

3. Ánodo de titanio modificado con tierras raras

Para reducir el uso y los costos de metales preciosos, los recubrimientos modificados con tierras raras incorporan óxidos de tierras raras como el óxido de cerio (CeO₂) y el óxido de lantano (La₂O₃) en el sistema de iridio-tantalio, formando un recubrimiento compuesto cuaternario. Los elementos de tierras raras refinan la estructura granular del recubrimiento y aumentan su densidad, lo que reduce el uso de metales preciosos entre un 20 % y un 30 %, manteniendo al mismo tiempo la resistencia a la corrosión. Las ventajas destacadas de este tipo de ánodo son la controlabilidad de costos y la compatibilidad técnica. Su resistencia al choque térmico se ha mejorado en un 40 %, lo que le permite adaptarse a las fluctuaciones de temperatura durante el arranque y la parada de celdas electrolíticas. Actualmente se utiliza principalmente en pequeñas celdas de prueba y plantas piloto.

4. Ánodo de titanio MMO de placa

Este ánodo está fabricado con una placa de titanio puro Gr2 de 5-8 mm de espesor, arenada, activada con ácido y recubierta con un recubrimiento catalítico. La tolerancia de planitud superficial es ≤0.5 mm/m. El ánodo de placa presenta una estructura sencilla y una tecnología de fabricación avanzada. En una celda de prueba pequeña de 30 kA, el ánodo de placa estabiliza el voltaje de la celda en aproximadamente 4.0 V, 0.4 V menos que los ánodos de carbono.

5. Ánodo de titanio MMO de tubo

Este ánodo utiliza como base un tubo de titanio puro con un diámetro exterior de 20-30 mm, recubierto en su superficie. La estructura tubular tiene una superficie específica de 2 a 3 veces mayor que la de un ánodo de placa plana. Su ventaja reside en su fácil instalación y mantenimiento. Los ánodos dañados pueden reemplazarse individualmente sin necesidad de detener la celda para su mantenimiento.

6. Ánodo de titanio MMO de malla

Este ánodo utiliza alambre de titanio tejido en una matriz de malla con una porosidad del 60%-70%. Esta estructura de malla optimiza la distribución de la corriente, manteniendo la desviación de la densidad de corriente dentro de ±5%, a la vez que reduce la resistencia al flujo del electrolito y mejora la eficiencia de disolución de la alúmina. El diámetro del alambre de titanio de este ánodo es de 2-3 mm, el tamaño de la malla es de 10×10 mm y la resistencia de contacto es ≤5 mΩ. En un entorno simulado de alta densidad de corriente (1.2 A/cm²), la eficiencia de corriente del ánodo de malla es un 3% mayor que la de un ánodo de placa, manteniendo al mismo tiempo el contenido de hierro impuro en el aluminio fundido por debajo del 0.01%.

Ventajas del Wstitanium

Como empresa líder en el sector electroquímico de China, Wstitanium ha desarrollado ánodos de titanio MMO, adaptados a las exigentes condiciones operativas de la industria de la electrólisis del aluminio mediante la innovación de materiales, mejoras tecnológicas y un exhaustivo control de calidad. Esto ha generado importantes ventajas técnicas y de aplicación. Con 15 años de experiencia en la investigación y el desarrollo de materiales electrolíticos, Wstitanium ha creado una base de datos de formulaciones de recubrimientos que abarcan diversos escenarios de electrólisis. Podemos personalizar soluciones según sus requisitos de densidad de corriente, composición del electrolito y ciclo de operación.

Control catalítico precisoUtilizando tecnología de dispersión de nanopartículas, optimizamos la proporción de los componentes ternarios IrO₂-RuO₂-Ta₂O₅, logrando un sobrepotencial de evolución de oxígeno de tan solo 1.38 V, una reducción del 5 % con respecto al promedio de la industria. Esto permite ahorrar más de 1200 kWh por tonelada de aluminio producida en una celda electrolítica de 450 kA.

Resistencia a la corrosión mejoradaSe desarrolló una tecnología de recubrimiento compuesto de gradiente, que forma una capa antioxidante de Ta₂O₅ de 5-8 μm de espesor en la superficie, una capa catalítica de iridio-rutenio en el centro y una capa de transición a base de titanio en la parte inferior. En un entorno simulado de electrolito fundido a 1000 °C, la tasa de degradación del recubrimiento fue inferior a 0.5 μm/año tras 2000 horas de funcionamiento continuo.

Diseño optimizado en costos:A través de la modificación de tierras raras y la tecnología de nanocarga de metales preciosos, manteniendo el rendimiento, el uso de metales preciosos se redujo en un 25%, reduciendo el costo por tonelada de material de ánodo en un 18% - 22%, mejorando la eficiencia técnica y económica.

Los ánodos de titanio MMO, con su excepcional inercia química, actividad catalítica y estabilidad estructural, ofrecen una solución revolucionaria para abordar los desafíos de las emisiones de carbono y el alto consumo energético en la industria electrolítica del aluminio. Gracias a su tecnología de recubrimiento personalizada, fabricación de precisión y servicios integrales durante todo el ciclo de vida, los ánodos de titanio MMO de Wstitanium ofrecen importantes ventajas en eficiencia catalítica, resistencia a la corrosión y control de costos, lo que los convierte en una opción confiable para las empresas electrolíticas de aluminio que buscan mejoras tecnológicas.