Titán anód nátrium-hipoklorithoz

Rendkívül hatékony és gazdaságos oxidálószerként és fertőtlenítőszerként a nátrium-hipoklorit központi szerepet játszik az ipari termelésben és a közegészségügyben. Alkalmazásai olyan kulcsfontosságú területekre terjednek ki, mint a víztisztítás, az orvosi fertőtlenítés és az élelmiszer-feldolgozás. Előállítása a klórgáz és a nátrium-hidroxid kémiai szintézisétől a sós víz elektrolíziséig terjedt. E technológiai áttörés mozgatórugója az elektródaanyagok innovációja volt.

A 20. század közepén a vegyes fém-oxid (MMO) titán anód, egy újszerű, titánmátrixon alapuló elektróda, amelyet nemesfém-oxidokkal, például irídiummal és ruténiummal vontak be, a korrózióállóságot elektrokatalitikus aktivitással kombinálta, így a nátrium-hipoklorit előállításának jelenlegi hatékonyságát 85%-95% fölé növelte. A modern nátrium-hipoklorit előállítási technológia standard alapalkotójává vált.

A nátrium-hipoklorit alkalmazásai

Erős oxidáló és baktericid tulajdonságainak köszönhetően a nátrium-hipoklorit számos területen bizonyította pótolhatatlan szerepét. Alkalmazásai a hagyományos iparágakon túl a közjólét minden aspektusát lefedik.

(I) Vízkezelés

A vízkezelési iparban az egyik legfontosabb fertőtlenítőszerként a nátrium-hipoklorit rendelkezik a legnagyobb piaci részesedéssel. Az ivóvízkezelésben hatékonyan elpusztítja a vízben lévő baktériumokat, vírusokat és protozoonokat anélkül, hogy rákkeltő melléktermékeket, például trihalometánokat termelne. Az ipari szennyvízkezelésben a nátrium-hipoklorit oxidálhatja és lebonthatja a mérgező szennyező anyagokat, például a cianidot és a szulfidot. A keringtetett hűtővíz-rendszerekben gátolja a mikroorganizmusok növekedését és bioiszapot képez, miközben szabályozza a csővezetékek korrózióját is.

(II) Élelmiszerek és gyógyszerek

Az élelmiszeriparban a nátrium-hipoklorit elismerten biztonságos fertőtlenítőszer, amelyet széles körben használnak gyümölcsök és zöldségek mosására, húsfeldolgozó berendezések sterilizálására és élelmiszer-csomagolóanyagok sterilizálására. A tejtermelésben a hígított nátrium-hipoklorit felhasználható fermentációs tartályok és csővezetékek helyszíni fertőtlenítésére, elpusztítva a kórokozókat, például a Listeriát, és a maradványok könnyen leöblíthetők. A gyógyszeripar erős oxidáló tulajdonságait az orvostechnikai eszközök előkezelésére és fertőtlenítésére használja ki, így különösen alkalmas a fogászatban és a szemészetben használt precíziós műszerek fertőtlenítésére.

(III) Ipari gyártás

A papírgyártásban a nátrium-hipokloritot olcsó fehérítőszerként használják a fapép delignifikálására, hatékonyan eltávolítva a színes anyagokat a pépből. A textilipar oxidáló tulajdonságait hasznosítja pamutszövetek írtelenítésére és fehérítésére. A kémiai szintézisben a nátrium-hipoklorit oxidálószerként használható különféle szerves reakciókban, például klórhidrinek és kinonvegyületek előállításában.

(IV) Közegészségügy

A közegészségügyben a nátrium-hipoklorit a járványmegelőzés és -ellenőrzés alapvető fontosságú forrása, és felhasználható környezeti fertőtlenítésre kórházi osztályokon és nyilvános helyeken. Hígított termékét széles körben használják háztartási fertőtlenítésre és uszodák vízminőségének fenntartására. A helyszínen, MMO titánanódokkal készített nátrium-hipoklorit oldat (kb. 0.8%-os koncentrációjú) közvetlenül adagolható.

Az MMO titán anód működési elve

A nátrium-hipoklorit MMO titánanóddal történő előállításának lényege a sóoldat elektrolízise. A pontosan szabályozott elektrokémiai reakciók révén a nátrium-klorid-oldat nátrium-hipoklorit-oldattá alakul.

(I) Magreakció

A nátrium-hipoklorit elektrolízis 3%-5%-os nátrium-klorid oldatot használ alapanyagként. Az elektrolizáló cellában az MMO titán anód és katód elektromos teret alkot, amely irányított ionvándorlást és redoxireakciót idéz elő. A teljes reakcióegyenlet: NaCl + H₂O → NaClO + H₂↑. Ez a reakció nem igényel magas hőmérsékletet vagy magas nyomást; szobahőmérsékleten és nyomáson végbemegy.

(II) Elektróda reakció

Az anódrégió a nátrium-hipoklorit előállításának kulcsfontosságú reakcióhelye. Az MMO bevonat magas katalitikus aktivitása kulcsszerepet játszik itt. Az anód felületén a kloridionok előnyösen oxidálódnak: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑. A reakció hatékony működése az MMO bevonat alacsony klórfejlődési túlfeszültségének köszönhető. A ruténium-iridium-oxid bevonat 0.2 V-tal csökkenti a klórfejlődési túlfeszültséget, jelentősen növelve a klórképződés sebességét. Továbbá az MMO bevonat 1.6 V fölé emeli az oxigénfejlődési reakciópotenciált, hatékonyan elnyomva a vízmolekulák oxigénné oxidálódási mellékreakcióját.

A katód régió elsősorban redukciós reakción megy keresztül. A vízmolekulák elektronokat vesznek fel, hidrogént és nátrium-hidroxidot fejlesztve: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. A katódon keletkező nátrium-hidroxid az anódon keletkező klórral együtt diffundál az oldatba, ami diszproporcionálódási reakciót eredményez: 2NaOH + Cl₂ → NaCl + NaClO + H₂O, ami végül nátrium-hipokloritot eredményez.

(III) Az MMO bevonat kulcsszerepe

Az MMO bevonatot fém-oxidok, például irídium, ruténium és titán magas hőmérsékletű szinterezésével állítják elő. Nanoskálájú szerkezete kiváló teljesítményt biztosít az elektróda számára. A bevonat magas kémiai stabilitása biztosítja, hogy az elektróda ellenálló marad az oldódással és a leválással szemben erősen korrozív környezetben, pH 2 és 12 között. Továbbá alacsony érintkezési ellenállása (mindössze egyötöde a grafit anódnak) csökkenti az elektromos energiaveszteséget, több mint 30%-kal csökkentve az elektrolízis energiafogyasztását. Továbbá a bevonat nagy áramsűrűsége (akár 2500 A/m²) lehetővé teszi a nagyméretű gyártást korlátozott elektródafelületeken.

MMO titán anód típusok

A nátrium-hipoklorit gyártásának mértékétől, a berendezés felépítésétől és az üzemeltetési követelményektől függően az MMO titánanódokat különféle típusokra fejlesztették ki. Ezek a típusok szerkezeti kialakításukban és teljesítményükben jelentősen különböznek egymástól, így a kisméretű laboratóriumi előállítástól a nagyméretű ipari termelésig számos forgatókönyv igényeit kielégítik.

(I) Lemezes MMO titán anódok

A lemezanódok a nátrium-hipoklorit előállításában leggyakrabban használt típusok. TA1 vagy TA2 tiszta titánlemezeket használnak hordozóként, amelyeket egyenletesen ruténium-iridium MMO bevonattal látnak el. Előnyük egyszerű szerkezetükben és könnyű feldolgozhatóságukban rejlik. Az elektrolizáló cella méretéhez igazíthatók, és az elektróda felületén egyenletes árameloszlásuk stabil nátrium-hipoklorit termékkoncentrációt biztosít.

A lemezanódok jellemzően több lemezből álló összeszerelési kialakítást alkalmaznak, amelyeket közönként helyeznek el elektrolitikus egységet alkotva. Ez a szerkezet megkönnyíti a szétszerelést és a karbantartást. A lemezanódok a kis és közepes méretű nátrium-hipoklorit generátorok több mint 70%-át teszik ki, és különösen alkalmasak helyszíni előkészítésre kórházakban és uszodákban.

(2) Cső alakú MMO titán anódok

A csőanódok vékony falú titáncsöveken alapulnak, amelyek belső és külső felületét egyaránt egyenletesen fedi a bevonat. Nagy felülettel és nagy mechanikai szilárdsággal rendelkeznek. Csőszerkezetük megkönnyíti az elektrolizáló cellákba vagy csővezetékrendszerekbe való behelyezést, így különösen alkalmasak folyamatos áramlású nátrium-hipoklorit gyártóberendezésekhez, biztosítva az oldat és az elektródák közötti megfelelő érintkezést, és javítva a reakció hatékonyságát.

A cső alakú MMO titánanódok különösen jól teljesítenek a nagy sótartalmú szennyvízkezeléshez és a nátrium-hipoklorit előállításához használt integrált berendezésekben. A vízáramlási lökésekkel szembeni ellenállásuk lehetővé teszi számukra, hogy alkalmazkodjanak az összetett folyadékkörnyezetekhez, és könnyű kialakításuk (mindössze 4.5 g/cm³ sűrűség) csökkenti a berendezések terhelési követelményeit.

(3) Hálós MMO titán anódok

A hálóanódok titánhuzalból készülnek, amelyet hálóvá szőnek, majd MMO bevonattal vonnak be. Kiváló rugalmasságot és rendkívül egyenletes árameloszlást kínálnak. Összetett formákra, például gyűrűkre és spirálokra hajlíthatók, hogy szorosan illeszkedjenek a tartályok és reaktorok falába.

Ennek az anódtípusnak egy másik jelentős előnye a könnyű súlya és a könnyű telepíthetősége. Széles körben alkalmazzák mobil nátrium-hipoklorit generátorokban, és jelentősen, akár 42%-kal csökkentheti a berendezések szállítási költségeit. Nagy áramsűrűség-terhelhetősége (akár 10 000 A/m²) kiváló választássá teszi olyan helyzetekben, amikor gyors nátrium-hipoklorit-előállításra van szükség, például vészhelyzeti mentési műveletek esetén.

(IV) Szalag MMO titán anódok

A szalaganódok titán szalaghordozót használnak, amelynek bevonatvastagsága az áramkövetelményeknek megfelelően állítható, jellemzően 0.5 és 2 mm között. Lineáris szerkezetük biztosítja az egyenletes árameloszlást a teljes hosszukban. Egyetlen védett szakasz elérheti a több tíz métert, a potenciálkülönbség pedig kisebb, mint ±0.05 V. Csővezetékes nátrium-hipoklorit gyártórendszerekben a szalaganódok a csővezeték belső fala mentén helyezhetők el, így folyamatos elektrolízis zónát hoznak létre. Ez biztosítja a folyamatos reakciót az oldat áramlása során, jelentősen növelve a termék koncentrációját.