MMO titán anód elektrolitikus alumíniumhoz

MMO titán anódok A (titán alapú fém-oxid bevonatú anódok) nagy teljesítményű inert anódként életképes megoldást kínálnak a „szénmentes elektrolízis” elérésére az alumínium elektrolitikus iparban. Az MMO titán anódok nem vesznek részt a kémiai reakcióban az elektrolízis során, így teljesen kiküszöbölik a szén-dioxid-kibocsátást, miközben a cellafeszültséget is 0.3-0.5 V-tal csökkentik. Ezáltal az alumínium tonnájára vetített energiafogyasztás 13 500 kWh-ról 12 000 kWh alá csökken, ami potenciálisan több mint 10%-os energiamegtakarítást eredményezhet.

Az MMO titán anódok működési elve

Az MMO titánanódok alumínium elektrolízisben való alkalmazásának alapelve egy stabil elektrokémiai reakció létrehozása magas hőmérsékletű olvadt elektrolit környezetben. Az alumínium elektrolízisének alapvető reakciója az olvadt alumínium-oxid elektrolitikus bomlása kriolit elektrolitban. Az MMO titánanód inert anódként működik, ahol az oxigénionok oxidáción és oxigénfejlődésen mennek keresztül.

Katalitikus reakció

Az olvadt elektrolitban lévő oxigénionok (O²⁻) az MMO titánanód felületére vándorolnak, és a bevonatban lévő nemesfém-oxid aktív helyei adszorbeálják őket. Ezek a helyek elektronátvitel útján katalizálják az O²⁻ oxidációját, oxigéngázt termelve. Az anódos reakcióegyenlet: 2O²⁻ – 4e⁻ = O₂↑. Az irídium-ruténium-oxid kristályszerkezete megfelelő reakcióutat biztosít az oxigénionok számára, több mint 30%-kal csökkentve a reakció aktiválási energiáját.

Inert védelem

Az MMO bevonat sűrű szerkezete és kémiai stabilitása megakadályozza, hogy maga az anód részt vegyen a reakcióban, így elkerülhető a hagyományos szénanódokkal járó fogyasztás és CO₂-kibocsátás. Ugyanakkor a bevonat hatékonyan blokkolja a fluorid- és nátriumionok diffúzióját az olvadt elektrolitból a titán hordozóba, védve azt a korróziótól és biztosítva az anód hosszú távú stabil működését.

Katód kooperatív reakció

Az anódon keletkező elektronok egy külső áramkörön keresztül a katódra kerülnek, ahol az alumíniumionok (Al³⁺) olvadt alumíniummá redukálódnak. A reakcióegyenlet: Al³⁺ + 3e⁻ = Al. Az MMO titánanód méretstabilitása biztosítja az elektródák közötti állandó ±1 mm-en belüli távolságot és a cellafeszültség ±3%-on belüli ingadozását, stabil elektromos térkörnyezetet biztosítva a katódreakcióhoz.

MMO titán anódok típusai

Az alumínium elektrolízis előállítása magas hőmérsékletű, 950-1000°C-os olvadt elektrolit környezettel történik, az elektrolit pedig erősen korrozív, ami szigorú követelményeket támaszt az MMO titánanódok magas hőmérséklettel, hősokkkal és korrózióval szembeni ellenállásával szemben.

1. Irídium-tantál titán anódok

Ez az alumínium elektrolízis iparban használt legkiforrottabb MMO titán anód típus. A magbevonat-rendszer irídium-dioxidot (IrO₂) használ aktív komponensként, amelyet tantál-pentoxiddal (Ta₂O₅) adalékolnak, hogy kompozit szerkezetet képezzenek. A tipikus összetétel egy IrO₂-Ta₂O₅ gradiens bevonat, 30-50 μm bevonatvastagsággal. Ez a típusú anód kiváló korrózióállóságot mutat a Na₃AlF₆-Al₂O₃ olvadt rendszerben, a korróziós sebességet 0.002 mm/év alatt tartva. Alacsony oxigénfejlődési túlfeszültsége, körülbelül 1.5 V (az Al/Al³⁺-hoz képest), csökkenti az energiaveszteséget az anódos reakcióban, és alkalmas kísérleti alkalmazásokhoz közepes és alacsony hőmérsékletű alumínium elektrolízisben.

2. Irídium-ruténium titán anód

Magas hőmérsékletű és nagy áramsűrűségű ipari elektrolízis alkalmazásokhoz az irídium-ruténium-tantál bevonatú titánanód 1.4 V alá csökkenti az oxigénfejlődés túlfeszültségét, miközben javítja a bevonat hővezető képességét, megakadályozva a lokális túlmelegedést és lepattogzást.

3. Ritkaföldfémmel módosított titánanód

A nemesfém-felhasználás és a költségek csökkentése érdekében a ritkaföldfém-módosított bevonatok ritkaföldfém-oxidokat, például cérium-oxidot (CeO₂) és lantán-oxidot (La₂O₃) építenek be az irídium-tantál rendszerbe, így egy kvaterner kompozit bevonatot képeznek. A ritkaföldfémek finomítják a bevonat szemcseszerkezetét és növelik sűrűségét, 20-30%-kal csökkentve a nemesfém-felhasználást, miközben megőrzik a korrózióállóságot. Az ilyen típusú anód kiemelkedő előnyei a költséghatékonyság és a műszaki kompatibilitás. Hősokk-állósága 40%-kal javult, lehetővé téve, hogy alkalmazkodjon a hőmérséklet-ingadozásokhoz az elektrolizáló cellák indítása és leállítása során. Jelenleg elsősorban kis tesztcellákban és kísérleti üzemekben használják.

4. Lemezes MMO titán anód

Ez az anód 5-8 mm vastag Gr2 tiszta titánlemezből készül, homokfúvással tisztítják, savval aktiválják, majd katalitikus bevonattal látják el. A felület síkbeliségének tűrése ≤0.5 mm/m. A lemezanód egyszerű szerkezettel és kiforrott gyártástechnológiával rendelkezik. Egy 30 kA-es kis mérőcellában a lemezanód a cellafeszültséget körülbelül 4.0 V-on stabilizálja, ami 0.4 V-tal alacsonyabb, mint a szénanódok esetében.

5. Cső MMO titán anód

Ez az anód egy 20-30 mm külső átmérőjű, tiszta titáncsövet használ alapként, felülete bevonattal ellátva. A csőszerű szerkezet fajlagos felülete 2-3-szor nagyobb, mint egy síkanódé. Előnye a könnyű telepítés és karbantartás. A sérült anódok egyenként cserélhetők anélkül, hogy a cellát karbantartás céljából le kellene állítani.

6. Hálós MMO titán anód

Ez az anód 60%-70%-os porozitású hálómátrixba szőtt titánhuzalt használ. Ez a hálószerkezet optimalizálja az árameloszlást, az áramsűrűség eltérését ±5%-on belül tartja, miközben csökkenti az elektrolit áramlási ellenállását és javítja az alumínium-oxid oldódási hatékonyságát. Az anód titánhuzalának átmérője 2-3 mm, a hálóméret 10×10 mm, az érintkezési ellenállás pedig ≤5 mΩ. Szimulált nagy áramsűrűségű környezetben (1.2 A/cm²) a hálóanód áramhatásfoka 3%-kal magasabb, mint egy lemezanódé, miközben az olvadt alumínium szennyezett vastartalma 0.01% alatt marad.

A titán előnyei

Kína elektrokémiai területének vezető vállalataként a Wstitanium MMO titán anódokat fejlesztett ki, amelyek az alumínium elektrolízis ipar igényes üzemi körülményeit célozzák meg anyaginnováció, technológiai fejlesztések és átfogó minőségellenőrzés révén. Ez jelentős műszaki és alkalmazási előnyökhöz vezetett. A Wstitanium 15 éves elektrolitikus anyagkutatási és -fejlesztési tapasztalatára építve bevonatformulák adatbázisát építette fel, amely különféle elektrolízis forgatókönyveket fed le. Testre szabhatjuk a megoldásokat az Ön áramsűrűsége, elektrolit-összetétele és üzemi cikluskövetelményei alapján.

Precíz katalitikus szabályozásNanorészecske-diszperziós technológiát alkalmazva optimalizáljuk az IrO₂-RuO₂-Ta₂O₅ háromkomponensű komponensek arányát, így akár 1.38 V-os oxigénfejlődési túlfeszültséget is elérhetünk, ami 5%-os csökkenést jelent az iparági átlaghoz képest. Ez egy 450 kA-es elektrolizáló cellában több mint 1200 kWh energiát takaríthat meg alumíniumtonnánként.

Fokozott korrózióállóságKifejlesztett gradiens kompozit bevonattechnológia, amely egy 5-8 μm vastag Ta₂O₅ antioxidációs réteget képez a felületen, egy irídium-ruténium katalitikus réteget középen és egy titán alapú átmeneti réteget alul. Egy szimulált 1000°C-os olvadt elektrolit környezetben a bevonat degradációs sebessége kevesebb, mint 0.5 μm/év volt 2000 óra folyamatos üzem után.

Költségoptimalizált kialakításA ritkaföldfém-módosítás és a nemesfém nano-adagolási technológia révén a teljesítmény megőrzése mellett a nemesfém-felhasználás 25%-kal csökkent, ami 18–22%-kal csökkentette az anódanyag tonnánkénti költségét, javítva a műszaki és gazdasági hatékonyságot.

Az MMO titánanódok kivételes kémiai inertségükkel, katalitikus aktivitásukkal és szerkezeti stabilitásukkal forradalmi megoldást kínálnak az alumínium elektrolitikus ipar szén-dioxid-kibocsátásának és magas energiafogyasztásának kihívásaira. A testreszabott bevonattechnológiának, a precíziós gyártásnak és az átfogó életciklus-szolgáltatásoknak köszönhetően a Wstitanium MMO titánanódjai jelentős előnyöket kínálnak a katalitikus hatékonyság, a korrózióállóság és a költségellenőrzés terén, megbízható alternatívát kínálva az alumínium elektrolitikus vállalatok számára, amelyek technológiai fejlesztéseket keresnek.