Ánodo de titanio MMO para tratamiento de aguas residuales

Tratamiento de aguas residuales Se ha convertido en un tema central para garantizar la seguridad ecológica y el desarrollo sostenible. Las aguas residuales industriales (como las provenientes de la impresión y el teñido, productos farmacéuticos, químicos y galvanoplastia) contienen materia orgánica persistente, iones de metales pesados ​​y altas concentraciones de sal. La tecnología de tratamiento electroquímico, con sus ventajas de alta eficiencia, respeto al medio ambiente y gran capacidad de control, se ha convertido en una tecnología clave para abordar los desafíos del complejo tratamiento de aguas residuales. El rendimiento del material del electrodo determina directamente la eficiencia y la viabilidad económica de esta tecnología.

Ánodos recubiertos de óxido metálico a base de titanio (ánodos de titanio MMO, también conocidos como Ánodos dimensionalmente estables DSA) utilizan un sustrato de titanio puro recubierto con un recubrimiento compuesto de óxidos de metales preciosos como rutenio, iridio y tántalo. Esto logra una combinación perfecta de resistencia a la corrosión y actividad catalítica. Se utilizan ampliamente en el tratamiento de aguas residuales industriales, la desinfección de agua potable y la desalinización de aguas residuales de alta salinidad, impulsando la transición hacia un tratamiento de aguas residuales más ecológico y eficiente.

Principio de funcionamiento de los ánodos de titanio MMO

Los ánodos de titanio MMO aprovechan los efectos duales de la conducción de corriente y las reacciones catalíticas para impulsar la degradación oxidativa, la floculación y la deposición electroquímica de contaminantes en aguas residuales, logrando así una eliminación eficiente de los mismos. La oxidación electrocatalítica es el mecanismo principal de los ánodos de titanio MMO en el tratamiento de materia orgánica difícil de degradar.

Oxidación directa

Las moléculas contaminantes se adsorben directamente en los sitios activos del recubrimiento de MMO y se oxidan y descomponen mediante transferencia de electrones. Los óxidos de metales preciosos (como IrO₂ y RuO₂) presentes en el recubrimiento reducen la energía de activación de la reacción, descomponiendo las cadenas moleculares de materia orgánica difícil de degradar, como el benceno y los fenoles, convirtiéndolas finalmente en CO₂ y H₂O.

Oxidación indirecta

El electrodo cataliza la generación de oxidantes fuertes, como radicales hidroxilo (・OH) y ácido hipocloroso (HClO), a partir de moléculas de agua o iones cloruro. Estas especies activas tienen potenciales de oxidación de hasta 2.8 V y pueden atacar indiscriminadamente a los contaminantes. En el tratamiento de aguas residuales cloradas, los recubrimientos a base de rutenio pueden convertir eficazmente los iones cloruro en ácido hipocloroso, logrando propiedades tanto de degradación como de desinfección. En un sistema sin cloro, el recubrimiento de iridio genera preferentemente radicales hidroxilo, atacando específicamente la materia orgánica recalcitrante.

Electrofloculación

Cuando se utiliza un ánodo de titanio MMO con un cátodo soluble, como hierro o aluminio, se pueden separar contaminantes mediante electrólisis para generar un floculante. La corriente conducida por el ánodo disuelve el cátodo, generando iones metálicos como Fe⁺ y Al⁺. Estos iones se hidrolizan en agua para formar flóculos como hidróxido de hierro e hidróxido de aluminio, que adsorben eficazmente la materia en suspensión, partículas coloidales y algunos iones de metales pesados ​​en las aguas residuales, lo que resulta en su precipitación y eliminación. Este mecanismo elimina la necesidad de floculantes químicos adicionales y reduce la producción de lodos en más de un 40 % en comparación con los métodos de floculación tradicionales.

Deposición electroquímica

Para aguas residuales con metales pesados ​​y de alta salinidad, el ánodo de titanio MMO logra la purificación mediante dos mecanismos patentados. En el tratamiento de aguas residuales con metales pesados, el campo eléctrico generado por el ánodo reduce y deposita en el cátodo iones de metales pesados ​​como Cu²⁺, Ni²⁺ y Cr⁶⁺, logrando una tasa de recuperación superior al 95 %. En el tratamiento de aguas residuales con alta salinidad, el campo eléctrico generado por el ánodo y el cátodo impulsa la migración de aniones como cloruro y sulfato hacia el ánodo, mientras que la migración de cationes como sodio y calcio hacia el cátodo, logrando una desalinización sinérgica y la degradación de la materia orgánica.

Tipos de ánodos de titanio MMO

Las diferencias de rendimiento de los ánodos de titanio MMO se determinan principalmente por la composición del recubrimiento y la presentación del producto. Los distintos tipos de electrodos son adecuados para diferentes características y requisitos de calidad del agua. Considerando la diversidad de escenarios de tratamiento de aguas residuales, la industria utiliza principalmente el siguiente método de clasificación para categorizar los ánodos de titanio MMO:

(I) Clasificación por recubrimiento

La composición del recubrimiento determina directamente las propiedades catalíticas del electrodo y el medio aplicable, y constituye la base fundamental para la clasificación de los ánodos de titanio MMO. Los ánodos de titanio MMO se dividen principalmente en tres categorías:

Ánodos de titanio MMO de rutenio (Tipo de evolución del cloro)

Los ánodos de titanio MMO basados ​​en rutenio (tipo de evolución de cloro) utilizan RuO₂ como ingrediente activo principal, generalmente combinado con IrO₂, TiO₂ o SnO₂ para formar un sistema de recubrimiento compuesto. Estos electrodos son los preferidos para el tratamiento de aguas residuales con alto contenido de cloruro. Su principal ventaja reside en su bajo potencial de evolución de cloro (≤1.36 V frente a SHE), lo que les permite catalizar eficientemente los iones de cloruro en especies oxidantes como el ácido hipocloroso. También poseen una excelente conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión por cloro. Estos electrodos son adecuados para aplicaciones con altas concentraciones de iones de cloruro (normalmente >1000 mg/L), como aguas residuales de galvanoplastia y salmuera de desalinización. El rango de corriente de funcionamiento es <7500 A/m² y su rendimiento es estable dentro del rango de temperatura de 25-80 °C. El contenido total de rutenio e iridio en el recubrimiento se controla normalmente entre 8 y 35 g/m². La superficie es negra y un proceso de oxidación a alta temperatura forma una capa uniforme que se adhiere firmemente al sustrato.

Ánodo de titanio MMO de iridio (Tipo de evolución del oxígeno)

Utilizando IrO₂ como ingrediente activo principal y dopado con óxidos como Ta₂O₅ y TiO₂ para mejorar la estabilidad, este electrodo es fundamental para el tratamiento de aguas residuales con evolución de oxígeno. Entre sus características destacadas se incluyen un sobrepotencial de oxígeno moderado, una catálisis eficiente de moléculas de agua para generar oxidantes fuertes como radicales hidroxilo (・OH) y una excelente resistencia a la corrosión en sistemas ácidos y con sulfatos. Este tipo de electrodo es adecuado para el tratamiento de materia orgánica difícil de degradar, como aguas residuales de impresión y teñido, aguas residuales farmacéuticas y aguas residuales industriales con alto contenido de sulfatos. La tasa de pérdida de recubrimiento puede ser de tan solo 1-6 mg/A·a.

Ánodo de titanio MMO con revestimiento compuesto

Los sistemas de recubrimiento especializados, adaptados a las características complejas de las aguas residuales, suelen estar compuestos por un recubrimiento compuesto de óxido de titanio y un recubrimiento modificado con un metal del grupo del platino. El recubrimiento de óxido de titanio ofrece una excelente resistencia a ácidos y álcalis, lo que lo hace adecuado para el tratamiento de aguas residuales con alto contenido de sulfato. El recubrimiento modificado con un metal del grupo del platino exhibe una actividad catalítica excepcionalmente alta, lo que lo hace adecuado para la degradación de contaminantes con alta precisión. Este tipo de electrodo ofrece una excelente adaptabilidad, lo que permite ajustar la proporción del recubrimiento en función de la composición de las aguas residuales (p. ej., contenido de flúor, fósforo y metales pesados). Su rendimiento es excepcional en el tratamiento de aguas residuales especializadas, como las aguas residuales de productos electrónicos y las aguas residuales de productos químicos finos.

(II) Clasificación por forma del producto

Dependiendo de la estructura y los requisitos de transferencia de masa del equipo de tratamiento de aguas residuales, los ánodos de titanio MMO se pueden procesar en una variedad de formas para lograr una distribución de corriente uniforme y una reacción eficiente.

Ánodo de titanio de malla MMO

Fabricados con una estructura reticular soldada transversalmente con tiras conductoras de titanio, el tamaño de la malla se puede personalizar (p. ej., 12.7 × 4.5 mm o 6 × 3 mm). Ofrecen las ventajas de una gran superficie y una alta eficiencia de transferencia de masa. Ideales para celdas electrolíticas abiertas, grandes tanques de oxidación y otras aplicaciones que requieren una distribución de corriente de gran superficie, los electrodos de malla pueden reducir eficazmente el efecto de apantallamiento de burbujas y mejorar la uniformidad de la reacción. En el tratamiento de aguas residuales de teñido, los electrodos de malla pueden mejorar la eficiencia de degradación del tinte en más de un 30 % en comparación con los electrodos de placa.

Ánodos de titanio MMO tubulares/en varilla

Al adoptar estructuras cilíndricas huecas o sólidas, la longitud se puede adaptar a las necesidades del tratamiento. La estructura tubular crea un flujo turbulento, garantizando un contacto más completo entre el electrolito y la superficie del electrodo, lo que mejora la eficiencia de reacción en un 40 % en comparación con los electrodos de placa. Son adecuados para sistemas de tratamiento de pozos profundos, protección contra la corrosión de tuberías, tratamiento de aguas residuales y procesos de desalinización electrolítica cíclica para aguas residuales de alta salinidad. Un sistema de electrólisis con ánodos tubulares de titanio en un parque industrial ha mantenido un rendimiento estable tras cinco años de funcionamiento continuo, con una tasa de pérdida de recubrimiento inferior a 0.2 μm al año.

Ánodos de titanio MMO flexibles/en tira

Los ánodos de tira estándar tienen 6.35 mm de ancho y 0.635 mm de espesor, y están disponibles en rollos de hasta 76.2 metros o 152.4 metros. Los ánodos flexibles utilizan un polímero conductor combinado con un recubrimiento de MMO, adaptándose a equipos de tratamiento de formas complejas. Se utilizan principalmente para la protección contra la corrosión del fondo de tanques y el tratamiento de aguas residuales en recipientes de reacción de forma irregular. Su disposición en anillos concéntricos garantiza una distribución uniforme de la corriente con una fluctuación de potencial de ±0.1 V, con una uniformidad de potencial del 98 %.