Ánodo de titanio MMO para perclorato

Los percloratos son una clase clave de productos químicos inorgánicos. El perclorato de potasio es una materia prima esencial para la fabricación de explosivos, propulsores de cohetes y explosivos para airbags. El perclorato de sodio es un herbicida altamente eficaz. El perclorato de magnesio es un excelente agente deshidratante con aplicaciones en sectores estratégicos como el energético, el agrícola y el militar. Actualmente, la principal producción industrial de percloratos se realiza mediante la electrólisis de soluciones de clorato. El principal obstáculo técnico reside en la selección de los materiales de los ánodos: los electrodos deben ser capaces de soportar entornos oxidantes de alto potencial, a la vez que poseen una excelente actividad catalítica, resistencia a la corrosión y una larga vida útil.

Ánodos recubiertos de óxido metálico a base de titanio (Ánodos de titanio MMOLos ánodos DSA (también conocidos como ánodos de DSA) combinan alta actividad catalítica, alta resistencia a la corrosión y estabilidad dimensional. Han revolucionado las industrias de electrólisis cloroalcalina y de clorato y ahora son el material predilecto para ánodos en la producción de perclorato.

Principio de funcionamiento del ánodo de titanio MMO

La producción de perclorato utiliza la electrólisis de soluciones de clorato. El ánodo de titanio MMO, gracias a su singular estructura de electrodo y propiedades catalíticas, impulsa la oxidación selectiva de iones de clorato a perclorato. Esto implica la acción coordinada de la transferencia de carga y las reacciones químicas en la interfaz del electrodo.

Reacción electroquímica

La reacción general para la síntesis de perclorato es un proceso acoplado de oxidación del ion clorato en el ánodo y reducción de agua en el cátodo. La función principal del ánodo de titanio MMO es catalizar la reacción de oxidación anódica.

Oxidación preferida del cloratoLos iones clorato (ClO₃⁻) primero captan electrones en la superficie del recubrimiento de MMO, activándose para formar radicales ClO₃ intermedios. Estos radicales reaccionan con las moléculas de agua para formar perclorato (ClO₄⁻). La ecuación de reacción es: ClO₃⁻ + H₂O → ClO₄⁻ + 2H⁺ + 2e⁻. El potencial estándar del electrodo es de 1.9 V. Ingredientes activos como el IrO₂ en el recubrimiento de MMO pueden reducir la energía de activación de esta reacción, permitiéndole transcurrir sin problemas a un sobrepotencial menor.

La oxidación preferencial del aguaLas moléculas de agua se descargan primero en la superficie del ánodo para generar átomos de oxígeno reactivo (O). Estos átomos de oxígeno reactivo se combinan con ClO₃⁻ en la solución para formar ClO₄⁻. Las reacciones son: H₂O → O + 2H⁺ + 2e⁻, ClO₃⁻ + O → ClO₄⁻. Esta vía es más probable a potenciales altos. La alta sobretensión de oxígeno característica del recubrimiento de MMO suprime la evolución excesiva de oxígeno, asegurando que las especies reactivas de oxígeno participen preferentemente en la reacción de oxidación del clorato, reduciendo así el desperdicio de energía.

La reacción catódica implica principalmente la reducción de iones de hidrógeno para generar gas hidrógeno: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑. El hidrógeno producido en esta reacción no reacciona con el producto del ánodo, lo que elimina la necesidad de un diafragma en el electrolizador y simplifica la estructura del equipo.

Catálisis de recubrimiento MMO

El sustrato de titanio presenta baja conductividad eléctrica y se pasiva fácilmente. El recubrimiento de MMO logra una catálisis eficiente mediante los siguientes mecanismos.

Conducción de electronesLos óxidos de metales preciosos (como IrO₂ y RuO₂) en el recubrimiento poseen una excelente conductividad eléctrica, lo que reduce eficazmente la resistencia del electrodo y forma una ruta de conducción de electrones desde el sustrato de titanio hasta el electrolito, abordando así la conductividad eléctrica insuficiente del sustrato de titanio.

Efecto de enriquecimiento del sitio activoEl recubrimiento forma una estructura porosa mediante sinterización a alta temperatura, lo que proporciona una gran cantidad de sitios electroquímicamente activos. Esto mejora significativamente la eficiencia de adsorción y activación del ClO₃⁻ en la superficie del electrodo, acelerando así la velocidad de reacción.

Garantía de estabilidad:La densa capa de óxido formada por el recubrimiento aísla el electrolito del contacto directo con el sustrato de titanio, evitando la oxidación del titanio para formar TiO₂, lo que aumenta la resistencia de contacto, al mismo tiempo que previene la falla del electrodo causada por la corrosión del sustrato.

Ventajas del Wstitanium

Como reconocido fabricante de ánodos de titanio MMO en China, Wstitanium ha desarrollado productos de electrodos personalizados específicamente para las exigentes condiciones de la producción de perclorato.

(I) Sustrato de titanio

La calidad del sustrato determina directamente la vida útil del electrodo. Wstitanium utiliza titanio puro Gr1 como material de sustrato. Este material ofrece una excelente resistencia a la corrosión y resistencia mecánica, a la vez que previene la fragilización del sustrato causada por la difusión de hidrógeno durante la electrólisis. Un proceso combinado de arenado y decapado crea una rugosidad uniforme (Ra 1.5-3.0 μm) en la superficie del titanio, lo que mejora la adhesión entre el recubrimiento y el sustrato en más de un 40 % y previene eficazmente la pasivación del ánodo causada por el desprendimiento del recubrimiento.

(II) Recubrimiento

El recubrimiento se prepara utilizando una fórmula patentada de óxido multicomponente. Se introduce Ta₂O₅ como estabilizador en el sistema tradicional de IrO₂-TiO₂, lo que mejora significativamente la resistencia a la oxidación y al desgaste del recubrimiento. Mediante un control preciso de los parámetros de sinterización y recubrimiento con cepillo (temperatura de sinterización de 450-500 °C, tiempo de mantenimiento de 15-20 minutos), el espesor del recubrimiento se controla con precisión a 10-12 μm, con una uniformidad de recubrimiento ≥85 %, lo que garantiza una actividad catalítica constante en toda la superficie del electrodo.

(III) Excelente rendimiento electroquímico

El ánodo de titanio Wstitanium MMO tiene un potencial de liberación de oxígeno ≤1.8 V, similar al potencial de reacción de la síntesis de perclorato y suprimiendo eficazmente la reacción secundaria de desprendimiento de oxígeno. En condiciones de funcionamiento típicas (densidad de corriente de 3 kA/m², temperatura de 45 °C), la eficiencia de corriente supera el 92 %, superando la de los ánodos de PbO₂ (87 %-89 %) y los ánodos de MMO convencionales (88 %-90 %).

Gracias a su bajo sobrepotencial y a su estructura de recubrimiento optimizada, la tensión de funcionamiento del electrodo se reduce significativamente. En comparación con los ánodos de grafito, la tensión de la celda se puede reducir entre 0.7 y 1.0 V, y el consumo de corriente continua se puede reducir entre un 15 % y un 20 %. Con una capacidad de producción anual de 10 000 toneladas de perclorato de sodio, esto permite ahorrar aproximadamente 3 millones de kWh de electricidad al año.

(IV) Personalización

Para abordar las diferencias en la producción de los distintos productos de perclorato (como el perclorato de sodio y el perclorato de potasio), Wstitanium ofrece soluciones personalizadas. Para las condiciones de alta concentración del electrolito en la producción de perclorato de potasio, el contenido de Ta₂O₅ en el recubrimiento se optimiza para mejorar la resistencia a la corrosión. Para la electrólisis continua del perclorato de sodio, se diseñan estructuras de electrodos de malla o tubulares para mejorar la eficiencia de transferencia de masa. Las dimensiones de los electrodos se pueden personalizar para adaptarse a las especificaciones de la celda electrolítica, lo que permite una producción estable desde electrodos pequeños, desde 100 × 200 mm, hasta electrodos grandes de varios metros de longitud.

Tipos de ánodos de titanio MMO

La principal diferencia entre los ánodos de titanio MMO reside en sus sistemas de recubrimiento. Los distintos recubrimientos de óxido presentan diferencias significativas en cuanto a actividad catalítica, resistencia a la oxidación y condiciones de operación aplicables.

Ánodo de titanio MMO de iridio

Los recubrimientos a base de iridio utilizan IrO₂ como ingrediente activo principal, generalmente combinado con óxidos como TiO₂ y Ta₂O₅ para formar un sistema de recubrimiento compuesto. Son los más utilizados en la producción de perclorato. El espesor del recubrimiento se controla típicamente entre 8 y 15 μm. Al optimizar la proporción de IrO₂ y óxidos auxiliares, se puede mejorar aún más el equilibrio entre la actividad catalítica y la vida útil.

Ánodo de titanio MMO de platino

Los recubrimientos a base de platino utilizan platino o óxidos metálicos del grupo del platino como capa activa, depositados directamente sobre el sustrato de titanio o unidos mediante una capa de transición. Sus mayores ventajas residen en su altísima actividad catalítica y su bajo sobrepotencial de desprendimiento de oxígeno, lo que permite la electrólisis a voltajes de celda más bajos y reduce significativamente el consumo de energía.

Ánodo de titanio MMO de rutenio-iridio

El recubrimiento compuesto de rutenio-iridio utiliza RuO₂ e IrO₂ como componentes activos duales. Ajustando la proporción de ambos, se logra un rendimiento equilibrado en cuanto a evolución de cloro y oxígeno.