Ánodo de titanio MMO para azufre

Los sulfuros, una sustancia industrial crítica, están ampliamente presentes en industrias clave como la minería, la petroquímica y la impresión y el teñido de textiles. Las emisiones de sulfuros sin tratar se han convertido en una fuente importante de contaminación global del agua y el aire.

Ánodos de titanio de óxido metálico mixto (Ánodos de titanio MMO), un ánodo dimensionalmente estable (DSA) de última generación, utiliza un sustrato de titanio comercialmente puro recubierto con óxidos de metales preciosos como rutenio, iridio y tántalo para crear un sistema catalítico altamente eficiente. Aprovechando sus ventajas principales de alta actividad electrocatalítica, excelente resistencia a la corrosión y estabilidad a largo plazo, demuestran un rendimiento excepcional en el tratamiento de la contaminación por sulfuros.

Contaminación por sulfuros

El sulfuro y sus derivados se utilizan en múltiples sectores industriales, conformando un sistema de aplicación diversificado centrado en la industria química. Los agentes sulfurantes, como el sulfuro de sodio, son necesarios en la flotación e hidrometalurgia de minerales de sulfuros de metales no ferrosos (como cobre, zinc y plomo). La descomposición del mineral también libera grandes cantidades de sulfuro, y las aguas residuales resultantes son una fuente importante de contaminación por sulfuros. Los sulfuros orgánicos (como mercaptanos y sulfuros) presentes en el petróleo crudo deben eliminarse mediante desulfuración durante el refinado. Las aguas residuales resultantes, con contenido de azufre, y el fluido de tratamiento de gases residuales de sulfuro de hidrógeno constituyen fuentes de contaminación de alta concentración. La contaminación por sulfuros, transportada principalmente por aguas residuales y gases residuales, presenta las características típicas de alta toxicidad, rápida transformación y daños generalizados.

Toxicidad severaEl sulfuro puede transformarse en dióxido de azufre, dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno (H₂S) en condiciones de pH variables. El sulfuro de hidrógeno es un gas altamente tóxico. Las concentraciones en el aire superiores a 10 mg/m³ son irritantes para los humanos, y las concentraciones superiores a 1000 mg/m³ pueden ser mortales al instante. El sulfuro en aguas residuales puede causar asfixia y muerte a organismos acuáticos, e incluso los peces pueden verse afectados en concentraciones tan bajas como 0.5 mg/L.

CorrosiónEl sulfuro se convierte fácilmente en sulfuro de hidrógeno por acción de microorganismos en entornos anaeróbicos, el cual se libera a la atmósfera y causa malos olores. El sulfuro también reacciona con equipos metálicos formando precipitados de sulfuro, lo que provoca corrosión y perforación de tuberías y reactores.

Contaminación de amplio alcanceEl vertido de aguas residuales con azufre reduce rápidamente el oxígeno disuelto en el agua, creando un ambiente anaeróbico que la oscurece y produce mal olor, lo que afecta a los ecosistemas acuáticos. Los sulfuros orgánicos son bioacumulables, se acumulan a través de la cadena alimentaria y, en última instancia, ponen en peligro la salud humana. Además, las complejas condiciones de trabajo, como el alto contenido de sal y la alta acidez, dificultan aún más el control de los sulfuros.

Principio de funcionamiento del ánodo de titanio MMO

El ánodo de titanio MMO logra una degradación y conversión eficientes de sulfuros mediante oxidación electroquímica. Los sitios activos catalíticos del recubrimiento alteran la estructura química estable de los sulfuros, convirtiéndolos en sustancias inocuas o poco tóxicas.

(I) Oxidación directa

Bajo la influencia de una fuente de alimentación externa de CC, cuando las aguas residuales con azufre entran en contacto con la superficie del ánodo, los sulfuros (S²⁻, HS⁻) se difunden y se adsorben en los sitios activos del recubrimiento de MMO, lo que resulta en una reacción de transferencia electrónica directa. Los radicales hidroxilo (・OH) fuertemente adsorbidos generados en la superficie del ánodo atacan los enlaces SH y SS de los sulfuros, oxidándolos primero a azufre elemental (S⁰), luego a sulfito (SO₃²⁻) y finalmente a sulfato inocuo (SO₄²⁻). El bajo sobrepotencial del recubrimiento de MMO suprime eficazmente la reacción secundaria de evolución de oxígeno, lo que permite utilizar más electrones para la oxidación del sulfuro, aumentando así la eficiencia de la corriente a más del 90 %.

(II) Oxidación indirecta

En función de las características de calidad del agua de las aguas residuales que contienen azufre, las vías de oxidación indirecta se pueden dividir en dos tipos principales:
Sistema de oxidación basado en cloroEn aguas residuales con alta salinidad, cloro y azufre, la reacción de desprendimiento de cloro (2Cl⁻ – 2e⁻ = Cl₂↑) ocurre preferentemente en la superficie del ánodo de MMO. El cloro gaseoso generado reacciona rápidamente con el agua para formar ácido hipocloroso (HClO). Como oxidante potente, el ácido hipocloroso oxida eficazmente los sulfuros, especialmente los sulfuros orgánicos de baja concentración, con una velocidad de reacción tres veces superior a la de la oxidación directa.

Sistema de oxidación basado en oxígenoEn un entorno sin cloro o con bajo contenido de cloro, la reacción de evolución de oxígeno (4OH⁻ – 4e⁻ = O₂↑ + 2H₂O) ocurre en el ánodo. Las especies reactivas de oxígeno generadas (como O₃ y ・O₂⁻) oxidan los sulfuros. Al manipular la composición del recubrimiento (p. ej., aumentando el contenido de iridio), se puede aumentar el potencial de evolución de oxígeno en el ánodo, lo que promueve la generación de radicales libres oxidantes fuertes y mejora la capacidad de destruir sulfuros orgánicos recalcitrantes.

Tipos de ánodos de titanio MMO

Teniendo en cuenta las diversas características de las aguas residuales que contienen azufre (como concentración, pH, salinidad y presencia de metales pesados), los ánodos de titanio MMO están disponibles en una variedad de tipos especializados a través de composiciones de revestimiento y diseños estructurales diferenciados.

Ánodos de rutenio-iridioCon RuO₂-IrO₂ como componente activo principal, estos ánodos son ánodos que desprenden cloro. Pueden aumentar la eficiencia de la liberación de cloro en más de un 30 % en entornos clorados, generando rápidamente ácido hipocloroso para degradar los sulfuros. Son especialmente adecuados para el tratamiento de aguas residuales de alta salinidad y con alto contenido de azufre generadas por plantas petroquímicas y centrales eléctricas.

Ánodos de iridio-tántaloCon IrO₂-Ta₂O₅ como componentes principales del recubrimiento, estos ánodos son altamente estables y desprenden oxígeno. La adición de óxido de tántalo mejora significativamente la resistencia del recubrimiento a la corrosión ácida y la oxidación, lo que permite la oxidación y degradación directa de sulfuros inorgánicos de alta concentración mediante la generación de un alto potencial de oxígeno. Estos ánodos son adecuados para el tratamiento de aguas residuales ácidas y sulfurosas generadas por el procesamiento de minerales y la hidrometalurgia. El potencial de desprender oxígeno puede controlarse por debajo de 1.40 V.

Ánodos de titanio de malla MMO: Con una estructura de malla tridimensional, ofrecen una porosidad del 60% al 80% y una superficie específica de 3 a 5 veces mayor que la de los electrodos planos. Son adecuados para el tratamiento de aguas residuales con concentraciones bajas y medias de azufre.

Ánodos tubulares de titanio MMOCon una estructura tubular hueca, ofrecen una alta resistencia a la contaminación y una instalación flexible, lo que permite su inserción directa en reactores o pozos profundos para tratar aguas residuales con alta concentración de azufre. Su excelente resistencia a la corrosión los hace ampliamente utilizados en el tratamiento de aguas residuales de emergencia en torno a tanques de almacenamiento con azufre. Resisten la corrosión de diversos medios químicos y proporcionan una salida de corriente estable.

Ánodos de titanio de placa MMOCon una estructura de placa plana, son fáciles de fabricar y mantener, lo que los hace ideales para equipos miniaturizados de tratamiento de aguas residuales con azufre. Se pueden combinar varias placas para ajustar el área de reacción y satisfacer las distintas necesidades de capacidad de tratamiento. Sin embargo, su desventaja es su baja eficiencia de transferencia de masa, lo que requiere un dispositivo de agitación para mejorar la uniformidad de la reacción.

La selección de ánodos de titanio MMO debe basarse en el análisis de la calidad del agua: los ánodos de malla de rutenio-iridio son preferibles para aguas residuales con alta salinidad, cloro y azufre; los ánodos tubulares o de placa de iridio-tántalo deben usarse para aguas residuales con acidez fuerte, sin cloro y con azufre; y los ánodos de recubrimiento modificados con dióxido de titanio son necesarios para aguas residuales con azufre orgánico refractario y de alta concentración. La capacidad de tratamiento, el presupuesto energético y el espacio disponible para los equipos también deben considerarse de forma integral para lograr un equilibrio entre la adaptabilidad técnica y la racionalidad económica. Por ejemplo, una empresa petroquímica redujo los costos de tratamiento en un 40% en comparación con las tecnologías tradicionales tras seleccionar ánodos de malla de rutenio-iridio para aguas residuales con cloro y azufre.