Ánodo de titanio para desalinización de agua de mar

La crisis mundial del agua dulce se está convirtiendo en uno de los principales desafíos que limitan el desarrollo humano. El 97.5 % del agua superficial de la Tierra es agua de mar. La desalinización eficiente y rentable se ha convertido en un tema candente en la investigación y la industria a nivel mundial. Gracias a los avances tecnológicos, la desalinización ha pasado de la exploración de laboratorio a la aplicación a gran escala, y los avances en materiales básicos son un factor clave de este progreso.

Ánodos de titanio de óxido metálico mixto (Ánodos de titanio MMO), un novedoso material de electrodo funcional, utiliza una base de titanio industrialmente puro recubierto con óxidos de metales preciosos como el rutenio y el iridio. Su excepcional resistencia a la corrosión, alta actividad catalítica y estabilidad a largo plazo han dado lugar a aplicaciones pioneras en la desalinización. Los ánodos de titanio MMO abordan los desafíos de la rápida pérdida por corrosión, la baja eficiencia de la electrólisis y los altos costos de mantenimiento en entornos de alta salinidad, lo que los convierte en un componente esencial indispensable en los sistemas de desalinización modernos.

Principio de funcionamiento de los ánodos de titanio MMO

El mecanismo de acción de los ánodos de titanio MMO en sistemas de desalinización de agua de mar se basa en la electroquímica. Su principio fundamental es el efecto sinérgico de la actividad catalítica del recubrimiento y la estabilidad del sustrato de titanio, logrando múltiples funciones como la desalinización, la eliminación de incrustaciones y la desinfección. Los ánodos de titanio MMO utilizan una estructura compuesta de "sustrato-recubrimiento". El sustrato de titanio es titanio puro industrial de grado Gr1/Gr2, con un espesor típico de 0.5-3 mm. El arenado crea una superficie rugosa para mejorar la adhesión del recubrimiento. El recubrimiento superficial consiste en una mezcla específica de óxidos de metales preciosos activos (como RuO₂ e IrO₂) y óxidos auxiliares (como TiO₂ y Ta₂O₅). Producido mediante múltiples recubrimientos mediante un proceso sol-gel y sinterización a alta temperatura, el sustrato de titanio, con un espesor de tan solo 20-50 μm, forma una estructura porosa tipo panal con una porosidad del 35-45 %, lo que aumenta el área de reacción efectiva de 5 a 8 veces. Esta estructura aprovecha la resistencia a la corrosión del sustrato de titanio y la eficiente electrocatálisis lograda mediante el recubrimiento de metal precioso, creando un sistema de protección dual (físico y químico).

(I) Desalinización electroquímica

En la unidad de tratamiento electroquímico para desalinización de agua de mar, el ánodo de titanio MMO actúa como ánodo para sufrir una reacción de oxidación.

Evolución del cloro y desinfecciónLos iones de cloruro del agua de mar se oxidan catalíticamente en la superficie del ánodo para producir cloro gaseoso (Cl₂). Este cloro gaseoso reacciona con el agua para producir ácido hipocloroso (HClO), que ejerce un potente efecto desinfectante oxidativo, eliminando eficazmente bacterias, algas y otros microorganismos en el agua de mar, con una tasa de eliminación de algas de hasta el 98 %. El recubrimiento a base de rutenio reduce significativamente el sobrepotencial de desprendimiento de cloro, aumentando la eficiencia de desprendimiento de cloro en más del 30 %.

Degradación de contaminantesDurante la electrólisis, también se producen radicales hidroxilo (・OH) y ozono (O₃) en la superficie del ánodo. Estas sustancias no solo potencian el efecto desinfectante, sino que también oxidan y descomponen los contaminantes orgánicos del agua de mar, reduciendo así la carga de tratamiento de las unidades de desalinización posteriores.

Desincrustación electroquímicaLas altas concentraciones de iones hidróxido formadas cerca del cátodo alteran el equilibrio químico del agua de mar, provocando la precipitación de iones de calcio y magnesio. Las sustancias activas producidas por el ánodo de MMO alteran la estructura reticular de las incrustaciones, promoviendo su exfoliación física y reduciendo así la formación de incrustaciones y la obstrucción de las membranas de desalinización y los intercambiadores de calor en la fuente.

La baja polarización del ánodo de titanio MMO es clave para mejorar la eficiencia de la desalinización. Su voltaje de polarización puede controlarse a menos de 200 mV, más de un 60 % inferior al de los ánodos de grafito tradicionales. La alta actividad catalítica del recubrimiento de metal precioso reduce el sobrepotencial de evolución de oxígeno de 1.6 V a 1.3 V. Esta eficiente capacidad de conversión de energía reduce directamente el coste energético de la desalinización de agua de mar, superando el punto crítico y logrando una competitividad con los costes del agua corriente.

Tipos de ánodos de titanio MMO

Según la composición del recubrimiento, la morfología estructural y los escenarios de aplicación, los ánodos de titanio MMO para la desalinización de agua de mar se pueden clasificar en varios tipos. Cada tipo ofrece distintas ventajas de rendimiento y es adecuado para diferentes requisitos de la tecnología de desalinización.

Ánodos de titanio MMO de rutenio

Utilizando un sistema de recubrimiento central de RuO₂-TiO₂, se centran en la evolución de cloro de alta eficiencia, logrando una mejora del 40 % en la eficiencia de evolución de cloro en comparación con los electrodos tradicionales. Son adecuados para unidades de desinfección en la desalinización de agua de mar. Mantienen la estabilidad en agua de mar con una concentración de iones de cloruro de 10 g/L, con un consumo anual inferior a 1 mg/A y una vida útil de más de 15 años.

Ánodos de titanio MMO de iridio

Con una formulación de recubrimiento de IrO₂-Ta₂O₅, ofrecen un excelente rendimiento en la evolución de oxígeno y resistencia a la corrosión oxidativa. Su potencial de evolución de oxígeno es 0.2 V inferior al de los electrodos de platino, lo que los hace adecuados para unidades de pretratamiento de desalinización que requieren un entorno altamente oxidante. Este tipo de ánodo puede soportar mayores densidades de corriente y mantener un funcionamiento estable en condiciones de carga elevada de 2000 A/m², lo que lo hace ideal para los requisitos de operación continua de plantas de desalinización a gran escala.

Ánodo de titanio MMO de platino

La adición de metales del grupo del platino al recubrimiento permite la doble evolución de cloro y oxígeno, lo que resulta en la máxima eficiencia catalítica, pero también en un coste relativamente alto. Se utiliza principalmente en procesos de posdesalación donde los requisitos de calidad del agua son extremadamente altos, como la predesalación para la producción de agua ultrapura en la industria electrónica.

Ánodo de titanio MMO en malla

Fabricado con cinta de titanio tejida de 3×50 mm con una densidad de malla de 50-200 mesh, ofrece una gran superficie y una distribución uniforme de la corriente. La estructura porosa, creada mediante grabado láser, quintuplica la superficie y mejora la eficiencia de eliminación de incrustaciones en un 40 %. Ideal para tanques abiertos de pretratamiento de agua de mar, su fácil instalación y bajo coste de mantenimiento lo hacen ampliamente utilizado en plantas de desalinización pequeñas y medianas.

Ánodos tubulares de titanio MMO

Estos ánodos, basados ​​en un tubo de titanio, generalmente con un diámetro exterior de 50 mm y longitudes de hasta 6000 mm, están recubiertos con un revestimiento de MMO para crear una estructura tubular. Se pueden añadir rellenos de coque para mejorar la conductividad. Esta estructura facilita la integración en sistemas de desalinización por tuberías y es adecuada para unidades cerradas de tratamiento electroquímico. Es muy solicitada para aplicaciones que ahorran espacio en equipos de desalinización marina.

Ánodos de titanio MMO flexibles

Con un núcleo de titanio recubierto con una encapsulación de PTFE de 8 mm, los ánodos tienen un radio de curvatura mínimo de 50 mm, lo que permite un enrutamiento flexible a lo largo de los contornos del equipo y triplica la eficiencia de instalación en comparación con los ánodos de placa tradicionales. Son adecuados para equipos de desalinización complejos o sistemas de desalinización offshore, y soportan condiciones dinámicas como turbulencias y vibraciones.

Wstitanium ha desarrollado una biblioteca de formulaciones de recubrimientos específicos, adaptadas a los diversos requisitos técnicos de la desalinización de agua de mar. Para los entornos con alto contenido de cloro del pretratamiento por ósmosis inversa, se ha optimizado la proporción de RuO₂ a TiO₂ en el recubrimiento a base de rutenio, lo que aumenta la eficiencia de evolución del cloro a más del 92 %. Para los entornos de alta temperatura de la desalinización por destilación, se ha mejorado el proceso de sinterización del recubrimiento a base de iridio, aumentando su tolerancia térmica a 120 °C, superando ampliamente el límite superior estándar de la industria de 80 °C. Mediante un control preciso de la composición del recubrimiento, se puede reducir el consumo energético del ánodo entre un 22 % y un 30 % en aplicaciones específicas de desalinización, lo que prolonga su vida útil a más de 25 años.

Wstitanium tiene la capacidad de diseñar y fabricar ánodos en una amplia gama de configuraciones, ofreciendo una variedad de productos, incluyendo estructuras de malla, tubulares y flexibles, para satisfacer los requisitos de instalación de diversos equipos de desalinización. Para plantas de desalinización en islas grandes, ofrecemos mallas anódicas a gran escala tejidas con cintas de titanio de 3 mm de espesor, con un gradiente de potencial de protección de ≤10 mV/m y una cobertura de protección de bordes del 98 %. Para buques transoceánicos, desarrollamos cables anódicos flexibles miniaturizados con un radio de curvatura mínimo de 50 mm, ideales para su instalación en espacios reducidos. Para equipos piloto de desalinización en aguas profundas, ofrecemos ánodos especializados resistentes a la presión que pueden operar de forma estable a presiones de hasta 10 MPa, adecuados para profundidades de hasta 3,000 metros. Estos productos también funcionan a temperaturas de -40 °C a 120 °C, adaptándose a diversos climas, desde regiones polares hasta tropicales.