Titán anód elektrodialízishez

ElektrodialízisAz alacsony energiafogyasztás, a magas szelektivitás és a modularitás fő előnyeivel az elektrodialízis technológia kulcsfontosságú technológiává vált a tengervíz sótalanításában, a brakkvíz sótalanításában és az ipari szennyvíz újrahasznosításában. Az elektrodialízis rendszerek hosszú távú stabilitását azonban gyakran korlátozza fő alkotóelemeik, az elektródák teljesítménye. A hagyományos elektródák, mint például a grafit és az ólomalapú ötvözetek, hajlamosak a korrózióra, az oldódásra és a súlyos polarizációra a magas sótartalmú, erős sav-bázisú elektrodialízis környezetben, ami jelentősen akadályozza az elektrodialízis technológia ipari alkalmazását.

A MMO titán anód (vegyes fém-oxiddal bevont titán anód) kulcsfontosságú az elektrodialízis technológia szűk keresztmetszetének áttörésében. Ez az elektródaanyag, amely ipari tisztaságú titán mátrixból és több fém-oxid (például ruténium-iridium, irídium-tantál és ruténium-iridium-tantál) aktív bevonatából áll, háromszoros áttörést ér el a korrózióállóság, a katalitikus aktivitás és a stabilitás terén a precíz összetétel-tervezés és a fejlett gyártási folyamatok révén. Az elektrodialízis rendszerekben az MMO titán anódok nemcsak 0.2-0.5 V-tal csökkentik a klór/oxigén fejlődés túlfeszültségét, 15-25%-kal csökkentve a rendszer energiafogyasztását, hanem több mint 8,000 órán át stabilan működnek extrém környezetben, 5-20%-os sótartalom mellett, élettartamuk 4-6-szorosa a hagyományos ólomanódokénak. Jelenleg a világ csúcskategóriás elektrodialízis berendezéseinek több mint 85%-a MMO titán anódokat használ, és ezek elterjedése a tengervíz sótalanításában, az elektronikus ultratiszta víz előállításában és a sóstavak lítium-kinyerésében évi 12%-os ütemben növekszik.

Az elektrodialízis alkalmazásai

Az „ionszelektív migráció” elvén alapuló elektrodialízis technológia elektromos mező segítségével vezeti át a vízben lévő ionokat ioncserélő membránokon, ezáltal elérve a víz tisztítását és az erőforrások kinyerését.

Víz tisztításA tengervíz sótalanítása során az elektrodialízissel a tengervíz sótartalma 35 000 mg/l-ről 500 mg/l alá csökkenthető, ami megfelel az ivóvíz-előírásoknak, miközben a fordított ozmózis technológia által igényelt energia mindössze 60-70%-át fogyasztja. Különösen alkalmas a vízhiánnyal küzdő szigetek és tengerparti területek számára. A brakkvíz sótalanítása során az elektrodialízissel hatékonyan eltávolítható a talajvízből a magas fluorid-, arzén- és sótartalom. Például egy brakkvíz-projekt adatai azt mutatják, hogy a kezelt víz fluoridtartalma 2.8 mg/l-ről 0.5 mg/l alá csökkent, ami megfelel az ivóvíz-előírásoknak.

Ipari szennyvíz-visszanyerés: A galvanizáló szennyvízkezelés során az elektrodialízissel nehézfém-ionokat, például nikkelt, rezet és krómot lehet visszanyerni, a visszanyerési arány meghaladja a 95%-ot. A technológia bevezetése után a galvanizáló üzemek évi 12 tonnával csökkentették a nehézfém-kibocsátást, és több mint 3 millió jüant takarítottak meg a nyersanyagköltségeken. A festő szennyvízkezelés során az elektrodialízis eltávolítja a sókat és a szerves pigmenteket a szennyvízből, így 70%-ra növeli a szennyvíz újrafelhasználását, és csökkenti a frissvíz-fogyasztást.

Csúcskategóriás gyártásAz elektronikai iparban használt ultratiszta víz előállításakor az elektrodialízis, mint „mély sótalanítási” lépés, 18.2 MΩ·cm-re növelheti a víz ellenállását, teljesítve a chipgyártás szigorú ultratiszta vízkövetelményeit. A sótavakból történő lítiumkivonás során az elektrodialízis helyettesíti a hagyományos bepárlást, és hatékonyan elválasztja a lítiumot a nátrium- és káliumionoktól. Ez 70%-ról több mint 90%-ra növeli a lítium-kinyerést, 40%-kal csökkenti az energiafogyasztást, és megakadályozza a sótavak ökológiai károsodását.

Az MMO titán anód működési elve

Az MMO titánanód kulcsszerepet játszik az elektrodialízis rendszerben azáltal, hogy biztosítja az elektromos tér hajtóerejét és katalizálja az elektróda reakciót. Az elektrodialízis rendszerben az MMO titánanód anódként működik, elsősorban a klórfejlődési reakción (Cl⁻-domináns rendszer) vagy az oxigénfejlődési reakción (OH⁻-domináns rendszer) megy keresztül.

Elektromos mezőhajtásAmikor az elektrodialízis rendszer gerjesztődik, pozitív potenciál keletkezik az MMO titán anód felületén, ami elektromos térgradienshez vezet. Az elektromos tér hatására a vízben lévő anionok (például Cl⁻, SO₄²⁻ és OH⁻) az anód felé vándorolnak, míg a kationok (például Na⁺, Ca²⁺ és Mg²⁺) a katód felé vándorolnak, ami kezdeti ionszétválást eredményez.

AnódkatalízisA víz összetételétől függően kétféle magreakció játszódik le az anódon:
Klórfejlődési reakció (nagy sótartalmú rendszerek, például tengervíz és galvanizáló szennyvíz): Az MMO titánanód felületén található ruténium-iridium-oxid (RuO₂-IrO₂) katalitikus aktív helyként működik, csökkentve a Cl⁻ oxidáció aktiválási energiáját. A reakcióegyenlet: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑. Ennek a reakciónak a túlfeszültsége mindössze 0.1-0.2 V, ami jóval alacsonyabb, mint a hagyományos grafitelektródák 0.5-0.7 V-ja, ami jelentősen csökkenti az energiafogyasztást.

Oxigénfejlődési reakció (alacsony sótartalmú vagy lúgos rendszerek, például ultratiszta víz előkészítése, nyomtatás és festés szennyvíz): Amikor a víz Cl⁻-koncentrációja alacsony, az OH⁻ előnyösen oxidálódik az anódon. Az MMO titánanód irídium-tantál-oxid (IrO₂-Ta₂O₅) bevonata katalizálja ezt a reakciót a következő egyenlettel: 4OH⁻ – 4e⁻ → 2H₂O + O₂↑. A túlfeszültséget 0.25-0.35 V között szabályozzák, hogy elkerüljék a magas potenciálok által kiváltott szerves szennyező anyagokkal való mellékreakciókat.

Elektronvezetés és reakcióegyensúlyAz MMO titánanód titán hordozója kiváló vezetőképességgel rendelkezik, hatékonyan továbbítja az elektronokat a külső áramkörből a bevonat aktív helyeire. Továbbá a bevonat porózus szerkezete (pórusméret 50-200 nm) menekülési csatornákat biztosít a reakciótermékek (Cl₂, O₂) számára, megakadályozva a buborékok tapadása által okozott „elektróda polarizációt” és fenntartva a stabil reakciót.

Antiorganikus szennyezésAz MMO bevonat nagy potenciálja (1.2-1.5 V vs SHE) gyorsan oxidálja a felületen adszorbeált szerves szennyező anyagokat, CO₂-vé és H₂O-vá bontja azokat, megakadályozva az aktív helyek eltömődését. Ugyanakkor a bevonat nanoporózus szerkezete (fajlagos felület > 10 m²/g) képes diszpergálni a szerves szennyező anyagok adszorpciós sűrűségét és stabil katalitikus aktivitást fenntartani. A nyomtatási és festési szennyvíz kezelése során az MMO titánanód aktivitáscsökkenési sebessége mindössze 5%/év, míg a grafitelektróda aktivitáscsökkenési sebessége 30%/év.

MMO titán anód típusok

Az elektrodialízis rendszer vízminőségi jellemzői (sótartalom, pH, szennyezőanyag-típusok) és követelményei (áramsűrűség, energiafogyasztási célok) alapján az MMO titánanódok négy kategóriába sorolhatók. Minden termék jelentős különbségeket mutat a bevonat összetételében és a teljesítménybeli hangsúlyokban, hogy megfeleljen a különböző alkalmazási forgatókönyveknek.

1. Ruténium-IrO₂ titán anód (RuO₂-IrO₂/Ti)

Ez egy ruténium-iridium-oxid aktív bevonatot használ (Ru:Ir mólarány 3:1-5:1). Jellemzői a „magas klórfejlődési aktivitás + alacsony energiafogyasztás”, a klórfejlődési túlfeszültség akár 0.1 V is lehet, az áramhatásfok pedig meghaladja a 95%-ot. Alkalmas nagy sótartalmú rendszerekhez, ahol a Cl⁻ koncentráció > 5000 mg/l. Tipikus alkalmazások közé tartozik a tengervíz sótalanítása, a magas kloridtartalmú szennyvíz galvanizálása, valamint az elektrodialízises sótalanítás a klóralkáli iparban.

2. Irídium-tantál-titán anód (IrO₂-Ta2O5/Ti)

Ez az anód irídium-tantál-oxid aktív bevonattal rendelkezik (iridium-tantál mólarány 1:1-2:1), amely a „nagy oxidációs ellenállásra és lúgos korrózióállóságra” összpontosít. Oxigénfejlődési túlfeszültsége akár 0.25 V is lehet, és stabil a teljes 0-14 pH-tartományban, így alkalmassá teszi alacsony sótartalmú vagy lúgos elektrodialízis rendszerekhez. Tipikus alkalmazások közé tartozik az elektronikus ultratiszta víz előállítása (mély sótalanítás, Cl⁻ koncentráció < 10 mg/l), lúgos szennyvízkezelés (például papírgyártási szennyvíz), valamint elektrodialízises tisztítás hidrogéntermeléshez vízelektrolízissel.

3. Ruténium-Iridium-Tantál-Titán anód (RuO₂-IrO₂-Ta₂O₅/Ti)

Ez a háromkomponensű kompozit bevonat (ruténium:irídium:tantál = 4:3:3) a „klórfejlődési aktivitás, korrózióállóság és vízkőképződés elleni védelem” hármas előnyét ötvözi. Kiegyensúlyozott túlfeszültsége a klór- és oxigénfejlődésre 0.15 V, illetve 0.3 V, így alkalmassá teszi összetett kevert sórendszerekhez. Tipikus alkalmazások közé tartozik a brakkvíz sótalanítása (magas kalcium- és magnéziumtartalom, alacsony kloridtartalom), lítium kinyerése sóstavakból (Li⁺ elválasztása Na⁺-tól és K⁺-tól), valamint ipari keringtetett víz sótalanítása. Egy, ezt az anódot használó sóstói lítiumkivonási projekt 85%-ról 92%-ra növelte az elektrodialízis lítium-kinyerési arányát.

4. Speciálisan strukturált MMO titán anód

Hálós MMO titán anód: Titán hálót (pórusméret 2-5 mm) használ hordozóként és 0.5-2 μm bevonatvastagságot, így a „nagy fajlagos felület + alacsony áramlási ellenállás” előnyeit kínálja, és alkalmas kompakt elektrodialízis membránköteg kialakításokhoz, 30%-kal csökkentve a rendszer térfogatát. Általában kis háztartási víztisztítókban és mobil sótalanító berendezésekben használják.

Cső alakú MMO titánanód: Titáncső hordozó (10-50 mm átmérőjű) felhasználásával a bevonat egyenletesen fedi a belső és külső felületeket. Alkalmas cső alakú elektrodialízis reaktorokban való használatra, fokozza a víz keveredését és csökkenti a koncentráció polarizációját. Kiválóan alkalmas nagy viszkozitású szennyvíz (például élelmiszer-feldolgozási szennyvíz) kezelésére, 15%-kal javítva a KOI eltávolítását.

Rugalmas MMO titánanód: Titánfólián (vastagság 0.1-0.3 mm) alapulva, a bevonatot rugalmas ragasztóval módosítják, és hajlítható, hogy illeszkedjen szabálytalan elektrodialízis készülékekhez. Alkalmas speciális alakú membránkötegekhez vagy hordozható kezelőberendezésekhez, például kis elektrodialízis víztisztító készülékekhez vészhelyzeti katasztrófaelhárításhoz.