MMO titán anód nitrogénhez

A nitrogénvegyület-szennyezés a globális vízgazdálkodás egyik fő kihívásává vált. Különböző formákat ölel fel, beleértve az ammónia-nitrogént, a nitrátokat és a nitriteket, komoly veszélyt jelentve az ökoszisztémákra és az emberi egészségre. A hagyományos nitrogénvegyület-kezelési technológiákat, mint például a biológiai denitrifikációt, a hosszú reakcióciklusok, az alacsony hőmérsékletekhez való gyenge alkalmazkodóképesség és a magas iszaptermelés korlátozza. A kémiai kicsapási módszerek hajlamosak a másodlagos szennyezésre, és nehezen tudnak megfelelni a jelenlegi szigorú környezeti kibocsátási követelményeknek.

MMO titán anódok A (titán alapú fém-oxid bevonatú anódok) nagy tisztaságú titán hordozót használnak, amelyet nemesfém-oxidok, például ruténium és irídium kompozit bevonatával vontak be. Ezek a szerek kiváló elektrokatalitikus aktivitást, korrózióállóságot és stabilitást biztosítanak. Nitrogénvegyület-kezelésben való alkalmazásuk hatékony szennyezőanyag-lebontást eredményez, és kulcsfontosságú technológiai útnak tekinthető a nitrogénvegyület-szennyezés összetett problémájának kezelésében.

A nitrogénvegyületek szennyezési veszélyei

A mezőgazdasági termelés a nitrogénvegyület-kibocsátás legnagyobb forrása. A műtrágyákra kijuttatott nitrogénműtrágya körülbelül 30-50%-át a növények nem szívják fel, hanem a felszíni lefolyáson és a talaj szivárgásán keresztül jut a víztestekbe, elsősorban az ammónia-nitrogén- és nitrátszennyezéshez járulva hozzá. A vegyipar, a gyógyszeripar és az élelmiszeripar jelentősen hozzájárul az ipari nitrogénszennyezéshez. A műtrágya- és festékgyárak magas ammónia-nitrogénkoncentrációjú szennyvizet termelnek (akár több ezer mg/l). A városi szennyvízben található nitrogénvegyületek elsősorban az emberi anyagcsere-termékekből és mosószerekből származnak. A nitrogénvegyület-szennyezés felhalmozódik a táplálékláncon keresztül, és ökológiai ciklusokon keresztül terjed, többrétegű veszélyeket teremtve:

A vízi ökoszisztémák károsodásaA nitrogénvegyületek magas koncentrációja a víztestek eutrofizációjához vezet, ami az algák, például a cianobaktériumok robbanásszerű növekedését idézi elő, ami „algavirágzást” vagy „vörös árapályt” eredményez. Az elpusztult algák bomlása nagy mennyiségű oldott oxigént fogyaszt, megfojtja a halakat és más vízi élőlényeket, és felborítja a víztest ökológiai egyensúlyát.

Az emberi egészséget és biztonságot fenyegető veszélyekAz ivóvízben található nitrátok az emberi emésztőrendszerben nitritekké alakulnak, amelyek ezután a hemoglobinhoz kötődve methemoglobint képeznek, ami szöveti hipoxiához és „kék baba szindrómához” vezet, ami különösen súlyos veszélyt jelent a csecsemőkre és a kisgyermekekre. A nitrátok a szervezetben lévő aminokkal is reakcióba léphetnek, nitrozaminokat képezve, amelyek erős rákkeltő anyagok, és növelik az emésztőrendszeri rákok kockázatát. Az ipari szennyvízben található nitrovegyületek erősen mérgezőek, és bőrrel való érintkezés vagy szennyezett víz fogyasztása esetén máj- és vesekárosodást okozhatnak.

Fokozott terhek a környezetgazdálkodásraA nitrogénvegyületek szennyezése kumulatív és vándorló. A talajba kerülve csökkenti a talaj termékenységét és befolyásolja a termés minőségét. A talajvízbe szivárogva regionális szennyezőanyag-felhőt képez, amelynek kármentesítési költségei köbméterenként meghaladják a több száz dollárt. Továbbá a nitrogéntartalmú hulladékgázok és a nitrogénvegyületek által kibocsátott szennyvíz átalakul a légkör-víz körforgásán, tovább bővítve a szennyezés mértékét és „másodlagos szennyezést” okozva.

Az MMO titán anód működési elve

Az MMO titánanód hatékony nitrid eltávolítást ér el kettős mechanizmuson, elektrokémiai oxidáción és katalitikus átalakításon keresztül. Alapelve, hogy a bevonat magas katalitikus aktivitását kihasználva redox reakciók sorozatát indítja el az elektróda felületén, a mérgező és káros nitrideket ártalmatlan anyagokká alakítva.

(I) Közvetlen elektrokémiai oxidáció

Elektromos tér hatására a nitrid molekulák közvetlenül adszorbeálódnak az MMO titán anód felületén lévő aktív helyekre (például RuO₂ és IrO₂ szemcsékre), ahol oxidálódnak és elektronátvitel útján lebomlanak. Az ammónia-nitrogén esetében egy dehidrogénezési reakció játszódik le az anód felületén, amely először hidrazin (N₂H₄) köztitermékké alakul, amelyet ezután nitrogéngázzá (N₂) oxidálnak. A magreakcióegyenlet: 2NH₃ – 6e⁻ = N₂↑ + 6H⁺. Ez a folyamat nem igényel további oxidálószert, és nagy reakciószelektivitást kínál, a nitrogénhozam meghaladja a 85%-ot. Az aromás nitrogénvegyületek, például a nitrobenzol esetében a közvetlen oxidáció hasítja a benzolgyűrűn lévő CN-kötést, a nitrocsoportot (-NO₂) nitráttá (NO₃⁻) alakítva, amelyet ezután tovább oxidálnak nitrogéngázzá, így egyidejűleg megszüntetik a toxicitást és eltávolítják a nitrogént.

(II) Közvetett elektrokémiai oxidáció

Az elektrolízis során az MMO titánanód oxidálja a vízben lévő kloridionokat (Cl⁻) és vízmolekulákat, erősen oxidáló hatóanyagokat hozva létre. Amikor kloridionok vannak jelen a szennyvízben, klórfejlődési reakció játszódik le az anód felületén: 2Cl⁻ – 2e⁻ = Cl₂↑. A klórgáz tovább reagál a vízzel, hipoklórossavat (HClO) és hipokloritot (ClO⁻) képezve. Ezek a klóralapú oxidálószerek gyorsan oxidálhatják az ammónia-nitrogént nitrogéngázzá, ami 3-5-szörösére növeli a reakciósebességet a közvetlen oxidációhoz képest. Kloridmentes rendszerben a vízmolekulák az anódon oxidálódnak, reaktív oxigénfajtákat (・OH, O₂⁻ és más szabad gyököket) hozva létre. A hidroxilgyök (・OH) redoxpotenciálja akár 2.8 V is lehet, és nem szelektíven lebonthatja a nitrátokat, nitriteket és más vegyületeket, nitrogéngázzá vagy nitráttá alakítva azokat.

(III) Szinergikus elektrokatalitikus konverzió

Az MMO bevonatban található nemesfém-oxidok szilárd oldatszerkezetet alkotnak a szelepfém-oxidokkal (például IrO₂-Ta₂O₅ és RuO₂-TiO₂). Ez az egyedülálló elektronvezetési tulajdonság csökkenti a reakció aktiválási energiáját és elősegíti a nitridek szelektív átalakulását. A nitrátos szennyvíz kezelésekor az anód felületén található katalitikus helyek szabályozhatják a reakcióutat, gátolják a nitráttá történő túloxidáció mellékreakcióját, és elősegítik a nitrát nitritté alakulását egy kétlépéses elektronátviteli folyamaton keresztül, amelyet további nitrogéngázzá redukció követ. A kutatások kimutatták, hogy az Ir-Ta alapú MMO anódok a nitrát nitrogénkonverziós hatékonyságát több mint 90%-ra növelhetik, jelentősen meghaladva a hagyományos elektródák hatékonyságát. Ugyanakkor a titán hordozó felületén kialakuló 10 nanométeres TiO₂ passziváló film gátolhatja az elektróda korrózióját és biztosíthatja a katalitikus aktivitás hosszú távú stabilitását.

MMO titán anód típusok

A bevonat összetétele és a katalitikus tulajdonságai alapján a nitridkezelésre alkalmas MMO titánanódokat elsősorban három kategóriába sorolják.

(I) Ruténium MMO titán anódok

Ez a típusú elektróda RuO₂-t használ elsődleges hatóanyagként, amely termikus bomlás útján 20-30 μm vastag porózus bevonatot képez a titán hordozón. Fő előnye az alacsony klórfejlődési túlfeszültség (140 mV-tal alacsonyabb, mint egy grafit anódé 1 A/cm² áramsűrűségnél). Hatékonyan képes hipoklórossavat előállítani klórtartalmú szennyvízrendszerekben, így különösen alkalmas magas klórtartalmú ammónia-nitrogén, például kommunális szennyvíz és akvakultúra-szennyvíz kezelésére.

(II) Irídium MMO titán anódok

Az IrO₂-Ta₂O₅/Ti anód, amelyet szol-gél módszerrel állítanak elő IrO₂ aktív komponensként és Ta₂O₅ bevonatjavítóként történő felhasználásával, az oxigénfejlődési reakciók területének sztárterméke. Az IrO₂ rendkívül magas katalitikus aktivitással rendelkezik az oxigénfejlődésben. A Ta₂O₅ és IrO₂ által képzett szilárd oldat jelentősen javítja a bevonat stabilitását és gátolja az aktív komponensek elvesztését. Kiemelkedő előnyei közé tartozik az erős korrózióállóság és az erős passzivációs ellenállás. Stabilan működik széles pH-értékű víztestekben, 1-14 között, így különösen alkalmassá teszi erősen savas, nagy koncentrációjú nitrovegyületek, például kémiai szennyvíz kezelésére. 200 mg/l nitrobenzol koncentrációjú szennyvíz kezelésekor ez az elektróda 89%-os nitrobenzol eltávolítási arányt és 72%-os TOC eltávolítási arányt ért el 3 órán belül 25 mA/cm² áramsűrűség mellett és 40°C hőmérsékleten. Továbbá, ez a típusú elektróda több mint 6 éves élettartammal büszkélkedhet, így ez az előnyben részesített elektródatípus a kihívást jelentő nitrogénszennyezés szabályozásához.

(III) Platina MMO titán anód

A platina (Pt) bevonatba történő bevezetésével létrehozott Pt-IrO₂/Ti kompozit elektróda a magas katalitikus aktivitást kivételesen hosszú élettartammal ötvözi. A platina hozzáadása csökkenti a nitrid-oxidáció aktiválási energiáját, javítja a reakció szelektivitását, és lehetővé teszi a nitrátok hatékony nitrogéngázzá alakítását alacsony áramsűrűség mellett. Ez a típusú elektróda alkalmas olyan alkalmazásokhoz, amelyek rendkívül magas vízminőséget igényelnek, például az ivóvízből történő mély nitrogéneltávolításhoz és az elektronikai ipar számára előállított ultratiszta vízhez. A kezelés után a kezelt víz nitridkoncentrációja 0.5 mg/l alá csökkenthető a nehézfémek oldódásának kockázata nélkül. Egy elektronikai gyárban végzett alkalmazási esettanulmány kimutatta, hogy egy 50 mg/l nitrátkoncentrációjú Pt-IrO₂/Ti anóddal kezelt szennyvíz 99%-os eltávolítási arányt ért el 5 mA/cm² áramsűrűség mellett, miközben a szennyvíz megfelelt az elektronikai minőségű tisztavíz-szabványoknak. Magas nemesfémtartalma miatt azonban a költsége 3-5-szöröse a ruténium alapú elektródáknak, így elsősorban a nagy teljesítményű kezelési forgatókönyvekben használják.