MMO titán anód anilinhez

Az anilinvegyületek fontos aromás amin szerves kémiai alapanyagok, és származékaik széles körben támogatják olyan kulcsfontosságú iparágak fejlődését, mint a gyógyszeripar, a színezékek és a növényvédő szerek. Ezek a vegyületek azonban erősen mérgezőek, nehezen lebomlanak biológiailag, és környezetileg kumulatívak. A gyártás, tárolás és szállítás során keletkező anilintartalmú szennyvíz a vízi környezet biztonságát veszélyeztető jelentős szennyező forrássá vált.

Vegyes fém-oxid titán anódok (MMO titán anódok) áttörést jelentenek a szerves szennyező anyagok elektrokémiai oxidációs kezelésében, kihasználva titán hordozójuk kiváló korrózióállóságát és nemesfém-oxid bevonatuk magas katalitikus aktivitását. Az elektrokémiai reakció pontos szabályozásával hatékony lebontást és akár az anilinvegyületek teljes mineralizációját érik el, leküzdve a hagyományos technológiák szűk keresztmetszeteit.

Anilinvegyület-szennyezés

Az anilinvegyületek okozta szennyezés elsősorban az anilintartalmú szennyvíz kibocsátásából ered, ami a legnagyobb környezeti kockázatot jelenti. Az anilin körülbelül 15-25%-a szennyvízként vész el a diazotálás és a festékszintézis kapcsolási reakciói, valamint a gyógyszerek nitrálása és redukciója során. Továbbá a tartályok szállítás közbeni szivárgása és a nem megfelelő hulladékkezelés szintén talaj- és vízszennyezést okozhat.

Biológiai toxicitásAz anilin bőrrel való érintkezés és belélegzés útján juthat be a szervezetekbe, károsítva a hemoglobin oxigénszállító képességét, methemoglobinémiához vezethet, és maradandó károsodást okozhat olyan szervekben, mint a máj és a vesék. Kísérleti adatok azt mutatják, hogy az anilin medián letális koncentrációja (LC50) halak számára mindössze 0.2-2.0 mg/l, így rendkívül mérgező anyag.

Környezeti tartósságAz anilin stabil molekulaszerkezettel rendelkezik, felezési ideje a természetes környezetben több hónaptól évekig terjed. Könnyen felhalmozódik a táplálékláncon keresztül, ami potenciális veszélyt jelent az ökoszisztémákra és az emberi egészségre.

Nehézség a lebomlásbanA nagy koncentrációjú anilin szennyvíz (>100 mg/l) erősen gátló hatású, inaktiválja a mikroorganizmusokat a biológiai tisztítórendszerekben. Eközben az alacsony koncentrációjú szennyvizet nehéz teljesen eltávolítani a hagyományos módszerekkel.

Komplex szennyezési jellemzőkAz ipari szennyvíz gyakran többféle szennyező anyagot tartalmaz, például anilint és nitrobenzolt, valamint magas sókoncentrációt, ami egy összetett szennyező rendszert hoz létre, amelyet a „toxicitás + magas sótartalom” jellemez, és tovább növeli a kezelés nehézségeit.

Az MMO titán anód működési elve

Az MMO titánanód elektrokatalitikus oxidációval bontja le az anilinvegyületeket. Ez a folyamat integrálja a közvetlen és közvetett oxidációs mechanizmusokat, dinamikusan igazítva a lebontási útvonalat a szennyezőanyag-koncentráció és a reakciókörülmények alapján, végső soron a szennyező anyagok ártalmatlan kezelését eredményezve.

(I) Közvetlen oxidáció

A közvetlen oxidáció az anilin molekulák közvetlen oxidációját jelenti az anód felületén elektronátvitel útján. Elsősorban nagy koncentrációjú anilin szennyvíz kezelésére alkalmas.

AdszorpcióAz anilin molekulák elektrosztatikus vonzás és van der Waals-erők révén adszorbeálódnak az MMO bevonat felületére, stabil adszorpciós réteget képezve, amely megteremti az elektronátvitel feltételeit.

Elektron átvitelAz elektromos tér hatására az anilin molekulák elektronokat veszítenek és kationos szabad gyökökké oxidálódnak. Ezt követően egy sor reakció játszódik le, beleértve a CN-kötés felhasadását és a benzolgyűrű felnyílását.

TermékkonverzióAz oxidációs termékek fokozatosan intermedierekké, például p-benzokinonná és maleinsavvá alakulnak, végül pedig részben CO₂-vé és H₂O-vá, ami mineralizációhoz vezet.

Kirk és munkatársai kísérletileg megerősítették, hogy az anilin lebomlása az MMO anód felületén elsősorban ezen a közvetlen oxidációs útvonalon alapul, az elektronátviteli hatékonyság meghaladja a 85%-ot.

(II) Közvetett oxidációs mechanizmus

Az indirekt oxidáció az anódos reakció által keletkező reaktív oxidatív fajokat (ROS) használja fel az anilin lebontásához, és ez a mechanizmus domináns az alacsony koncentrációjú szennyvíztisztításban.

A hidroxigyökök (H₂O vagy OH⁻) az anód felületén kisülnek, fizikailag adszorbeált ・OH-t hozva létre, amelynek redoxpotenciálja akár 2.8 V is lehet. Ez a szabad gyök megkülönböztetés nélkül megtámadhatja az anilin molekulákat, láncoxidációs reakciót indítva el, amely végül teljesen mineralizálja az anilint szervetlen termékekké. Ez a folyamat, amelyet „elektrokémiai égésnek” neveznek, kevés köztiterméket termel, és teljes lebomlást eredményez.

Közvetített oxidáció: Kloridtartalmú elektrolitrendszerben a Cl⁻ az anódon Cl₂-vé oxidálódik, amely tovább hidrolizál, aktív klórvegyületeket, például HClO/ClO⁻-t képezve. Ezzel egyidejűleg a fém-oxidok, például a Ru és az Ir az MMO bevonatban reverzibilis redox párt alkotnak, az elektrolízis során ciklikusan nagy vegyértékű oxidokká alakulnak, folyamatosan oxidálva és lebontva az anilint.

(III) Reakcióvezérlés

A Comninellis és munkatársai által javasolt elektróda oxidációs elmélet feltárja az MMO titánanód reakciószabályozási jellemzőit: amikor nem sztöchiometrikus, nagy vegyértékű oxidok képződnek az anódon, az anilin szelektív „elektrokémiai átalakuláson” megy keresztül, elsősorban biológiailag lebomló intermedierekké. Amikor az elektróda eléri a legmagasabb vegyértékállapotát, „elektrokémiai égés” történik elsősorban ・OH képződése révén. Ez a tulajdonság lehetővé teszi az MMO titánanód számára, hogy rugalmasan alkalmazkodjon a különböző kezelési célokhoz (méregtelenítés/újrahasznosítás) a feszültség és az áramsűrűséghez hasonló paraméterek beállításával.

Gyakorlati alkalmazásokban, amikor a szennyvíz Fe²⁺-t tartalmaz, a katódon keletkező H₂O₂ Fenton-rendszert alkothat Fe²⁺-val, szinergikus hatást fejtve ki az anód oxidációjával, növelve a KOI eltávolítási arányt több mint 77.5%-ra, az áramhatásfokot pedig akár 97.8%-ra, ami jelentősen fokozott lebomlási hatást mutat.

MMO titán anódok típusai anilinvegyületekhez

A bevonat összetételében és a szerkezeti kialakításban mutatkozó különbségek alapján az anilinvegyületekkel történő kezelésre alkalmas MMO titánanódokat elsősorban a következő három kategóriába sorolják. Minden anódtípusnak eltérő jellemzői vannak a katalitikus aktivitás és a stabilitás tekintetében.

(I) Ruténium MMO titán anódok

A RuO₂ a fő hatóanyag, amelyet oxidokkal, például TiO₂-vel egészítenek ki, hogy szilárd oldatbevonatot képezzenek. A tipikus készítmény a RuO₂-TiO₂ (moláris arány 1:1 és 1:4 között).

A ruténium alapú MMO titánanódok kiváló vezetőképességet és klórfejlődési aktivitást mutatnak, akár 1.3 V-os klórfejlődési potenciállal is. Hatékonyan képesek aktív klórvegyületeket előállítani klórozott szennyvízrendszerekben. A ruténium alapú MMO titánanódok alkalmasak nagy sótartalmú anilin szennyvíz, különösen kloridsókat tartalmazó szennyvíz, például a festékiparban használt szennyvíz kezelésére. 200 mg/l koncentrációjú anilin szennyvíz kezelésekor az áramhatékonyság elérheti a 75-85%-ot, a KOI eltávolítási aránya pedig meghaladhatja a 60%-ot.

(II) Iridium MMO titán anódok

Az IrO₂-t aktív komponensként használják, Ta₂O₅-val, TiO₂-val és más anyagokkal kombinálva kompozit bevonatot képezve. A leggyakoribb típus az IrO₂-Ta₂O₅-TiO₂. Az irídium alapú MMO titánanódok rendkívül magas kémiai stabilitást és oxigénfejlődési aktivitást mutatnak, és széles, 2-12 közötti pH-tartománynak ellenállnak. Erős OH-termelő képességgel és magas elektrokémiai égési hatékonysággal rendelkeznek, ami lehetővé teszi az anilin mély ércesedését.

Az irídium alapú MMO titánanódok alkalmasak nagy koncentrációjú, erősen savas anilin szennyvíz, például gyógyszeripari intermedierek gyártásából származó szennyvíz kezelésére. Egy kísérlet kimutatta, hogy az IrO₂-Ta₂O₅ anódokkal 180 mg/l anilin szennyvíz esetén az anilin eltávolításának aránya 10 órán belül meghaladta a 99%-ot.

(3) Ón-antimon MMO titán anód

Ez az anód SnO₂-t használ mátrixként, Sb₂O₅-t adalékként, és ritkaföldfémeket (Ce, La stb.) adnak hozzá a teljesítmény optimalizálása érdekében, így jön létre a Ti/SnO₂-Sb₂O₅-RE anód. Ez az ón-antimon alapú MMO titánanód magas oxigénfejlődési potenciállal rendelkezik (körülbelül 2.0 V ± 0.1 V), és hatékonyan termel OH-t. Alkalmas alacsony sótartalmú anilin szennyvíz mélytisztítására, és hatékony mineralizációt érhet el klórmentes rendszerben. A cériummal adalékolt ón-antimonanódok 100%-os eltávolítási arányt érnek el a hasonló aromás vegyületek esetében, és 97.7%-os KOI lebomlási arányt érnek el.