MMO Titanium Anode Voor Aniline

Anilineverbindingen zijn belangrijke aromatische amine-grondstoffen voor organische chemie en hun derivaten ondersteunen op grote schaal de ontwikkeling van belangrijke industrieën zoals de farmaceutische, kleurstof- en pesticidenindustrie. Deze verbindingen zijn echter zeer giftig, moeilijk biologisch afbreekbaar en milieuvervuilend. Anilinehoudend afvalwater dat tijdens productie, opslag en transport ontstaat, is een belangrijke bron van vervuiling geworden die de veiligheid van het aquatisch milieu bedreigt.

Gemengde metaaloxide titanium anoden (MMO titanium anoden) bieden baanbrekende voordelen in de elektrochemische oxidatiebehandeling van organische verontreinigingen, waarbij ze gebruikmaken van de uitstekende corrosiebestendigheid van hun titaniumsubstraat en de hoge katalytische activiteit van hun edelmetaaloxidecoating. Door de elektrochemische reactie nauwkeurig te regelen, bereiken ze een efficiënte afbraak en zelfs volledige mineralisatie van anilineverbindingen, waardoor knelpunten in traditionele technologieën worden opgelost.

Verontreiniging door anilineverbindingen

Verontreiniging met anilineverbindingen wordt voornamelijk veroorzaakt door de lozing van anilinehoudend afvalwater, wat het grootste milieurisico vormt. Ongeveer 15%-25% van de aniline gaat verloren als afvalwater tijdens diazotering en koppelingsreacties bij de kleurstofsynthese, en tijdens nitrering en reductie in geneesmiddelen. Bovendien kunnen lekkage uit containers tijdens transport en onjuiste afvalverwerking ook bodem- en waterverontreiniging veroorzaken.

Biologische toxiciteitAniline kan via huidcontact en inademing in organismen terechtkomen, waardoor het zuurstoftransportvermogen van hemoglobine wordt aangetast, wat leidt tot methemoglobinemie en permanente schade aan organen zoals de lever en de nieren. Experimentele gegevens tonen aan dat de mediane letale concentratie (LC50) van aniline voor vissen slechts 0.2-2.0 mg/l bedraagt, waardoor het een extreem giftige stof is.

Milieupersistentie: Aniline heeft een stabiele moleculaire structuur, met een halfwaardetijd van enkele maanden tot jaren in de natuurlijke omgeving. Het wordt gemakkelijk geaccumuleerd via de voedselketen en vormt een potentiële bedreiging voor ecosystemen en de menselijke gezondheid.

Moeilijkheid bij afbraak: Afvalwater met een hoge concentratie aniline (>100 mg/l) is sterk remmend en inactiveert micro-organismen in biologische zuiveringssystemen. Afvalwater met een lage concentratie is daarentegen moeilijk volledig te verwijderen met conventionele methoden.

Complexe vervuilingskenmerken:Industrieel afvalwater bevat vaak meerdere verontreinigende stoffen, zoals aniline en nitrobenzeen, samen met hoge zoutconcentraties. Hierdoor ontstaat een complex vervuilingssysteem dat wordt gekenmerkt door ‘toxiciteit + hoog zoutgehalte’, wat de moeilijkheidsgraad van de behandeling nog verder vergroot.

Werkingsprincipe van de MMO-titaniumanode

De MMO-titaniumanode breekt anilineverbindingen af ​​door middel van elektrokatalytische oxidatie. Dit proces integreert directe en indirecte oxidatiemechanismen en past het afbraakpad dynamisch aan op basis van de concentratie van de verontreinigende stof en de reactieomstandigheden, wat uiteindelijk resulteert in een onschadelijke zuivering van de verontreinigende stoffen.

(I) Directe oxidatie

Directe oxidatie omvat de directe oxidatie van anilinemoleculen op het anodeoppervlak door middel van elektronenoverdracht. Het is voornamelijk geschikt voor de behandeling van afvalwater met een hoge concentratie aniline.

adsorptie:Anilinemoleculen worden door elektrostatische aantrekkingskracht en vanderwaalskrachten op het oppervlak van de MMO-coating geadsorbeerd. Hierdoor ontstaat een stabiele adsorptielaag die de omstandigheden voor elektronenoverdracht schept.

Elektronen overdrachtOnder invloed van het elektrische veld verliezen anilinemoleculen elektronen en worden ze geoxideerd tot kationische vrije radicalen. Vervolgens vindt een reeks reacties plaats, waaronder het verbreken van de CN-binding en het openen van de benzeenring.

Productconversie:De oxidatieproducten worden geleidelijk omgezet in tussenproducten zoals p-benzochinon en maleïnezuur en uiteindelijk gedeeltelijk in CO₂ en H₂O, wat leidt tot mineralisatie.

Kirk et al. hebben experimenteel bevestigd dat de afbraak van aniline op het anodeoppervlak van de MMO voornamelijk afhankelijk is van dit directe oxidatiepad, met een elektronenoverdrachtsefficiëntie van meer dan 85%.

(II) Indirect oxidatiemechanisme

Bij indirecte oxidatie worden reactieve oxidatieve soorten (ROS) die ontstaan ​​tijdens de anodische reactie gebruikt om anilineafbraak te bewerkstelligen. Dit mechanisme is een dominant mechanisme bij de behandeling van afvalwater met een lage concentratie.

Hydroxyradicalen (H₂O of OH⁻) ontladen zich op het anodeoppervlak en genereren fysiek geadsorbeerde ・OH, met een redoxpotentiaal tot wel 2.8 V. Dit vrije radicaal kan anilinemoleculen willekeurig aanvallen en een kettingoxidatiereactie in gang zetten die uiteindelijk de aniline volledig mineraliseert tot anorganische producten. Dit proces, bekend als "elektrochemische verbranding", produceert weinig tussenproducten en bereikt volledige afbraak.

Gemedieerde oxidatie: In een chloridehoudend elektrolytsysteem wordt Cl⁻ aan de anode geoxideerd tot Cl₂, dat vervolgens hydrolyseert tot actieve chloorsoorten zoals HClO/ClO⁻. Tegelijkertijd vormen metaaloxiden zoals Ru en Ir in de MMO-coating een reversibel redoxkoppel, dat tijdens elektrolyse cyclisch wordt omgezet in hoogvalente oxiden en aniline continu oxideert en afbreekt.

(III) Reactiecontrole

De elektrode-oxidatietheorie van Comninellis et al. onthult de reactiecontrolekarakteristieken van de MMO-titaniumanode: wanneer niet-stoichiometrische hoogvalente oxiden aan de anode worden gevormd, ondergaat aniline een selectieve "elektrochemische omzetting", voornamelijk in biologisch afbreekbare tussenproducten. Wanneer de elektrode zijn hoogste valentie bereikt, vindt "elektrochemische verbranding" plaats, voornamelijk door de vorming van ・OH. Deze eigenschap stelt de MMO-titaniumanode in staat zich flexibel aan te passen aan verschillende behandelingsdoelen (ontgifting/recycling) door parameters zoals spanning en stroomdichtheid aan te passen.

In praktische toepassingen kan, wanneer het afvalwater Fe²⁺ bevat, de H₂O₂ die bij de kathode wordt gegenereerd, een Fenton-systeem met Fe²⁺ vormen, wat een synergetisch effect met anode-oxidatie tot gevolg heeft. Hierdoor kan het COD-verwijderingspercentage toenemen tot meer dan 77.5% en de stroomefficiëntie tot wel 97.8%, wat een aanzienlijk verbeterd degradatie-effect aantoont.

Soorten MMO-titaniumanoden voor anilineverbindingen

Op basis van verschillen in coatingsamenstelling en structureel ontwerp worden MMO-titaniumanodes die geschikt zijn voor de behandeling met anilineverbindingen, primair onderverdeeld in de volgende drie categorieën. Elk anodetype heeft specifieke kenmerken wat betreft katalytische activiteit en stabiliteit.

(I) Ruthenium MMO Titanium Anodes

RuO₂ is het primaire actieve ingrediënt, aangevuld met oxiden zoals TiO₂ om een ​​vaste oplossingscoating te vormen. De typische formule is RuO₂-TiO₂ (molaire verhouding 1:1 tot 1:4).

MMO-titaniumanodes op basis van ruthenium vertonen een uitstekende geleidbaarheid en chloorontwikkelingsactiviteit, met een chloorontwikkelingspotentieel van slechts 1.3 V. Ze kunnen efficiënt actieve chloorsoorten genereren in gechloreerde afvalwatersystemen. MMO-titaniumanodes op basis van ruthenium zijn geschikt voor de behandeling van anilineafvalwater met een hoog zoutgehalte, met name afvalwater dat chloridezouten bevat, zoals die in de verfindustrie. Bij de behandeling van anilineafvalwater met een concentratie van 200 mg/l kan het huidige rendement 75%-85% bereiken en de COD-verwijderingspercentages meer dan 60%.

(II) Iridium MMO Titanium Anodes

IrO₂ wordt gebruikt als actieve component, gecombineerd met Ta₂O₅, TiO₂ en andere materialen om een ​​composietcoating te vormen. Het meest voorkomende type is IrO₂-Ta₂O₅-TiO₂. MMO-titaniumanodes op iridiumbasis vertonen een extreem hoge chemische stabiliteit en zuurstofontwikkelingsactiviteit en zijn bestand tegen een breed pH-bereik van 2-12. Ze hebben een sterk vermogen om OH te genereren en een hoge elektrochemische verbrandingsefficiëntie, wat diepe mineralisatie van aniline mogelijk maakt.

MMO-titaniumanodes op basis van iridium zijn geschikt voor de behandeling van hooggeconcentreerd, zeer zuur aniline-afvalwater, zoals afvalwater afkomstig van de productie van farmaceutische tussenproducten. Eén experiment toonde aan dat het gebruik van IrO₂-Ta₂O₅-anodes voor de behandeling van 180 mg/l aniline-afvalwater resulteerde in een anilineverwijderingspercentage van meer dan 99% binnen 10 uur.

(3) Tin-antimoon MMO-titaniumanode

Deze anode gebruikt SnO₂ als matrix, Sb₂O₅ als dopant en zeldzame aardmetalen (Ce, La, enz.) worden toegevoegd om de prestaties te optimaliseren, wat resulteert in de Ti/SnO₂-Sb₂O₅-RE-anode. Deze MMO-titaniumanode op basis van tin en antimoon heeft een hoog zuurstofontwikkelingspotentieel (ongeveer 2.0 V ± 0.1 V) en genereert efficiënt OH. De anode is geschikt voor de diepe zuivering van aniline-afvalwater met een laag zoutgehalte en kan efficiënte mineralisatie bereiken in een chloorvrij systeem. Ceriumgedoteerde tin-antimoonanoden bereiken een verwijderingspercentage van 100% voor vergelijkbare aromatische verbindingen en een COD-afbraakpercentage van 97.7%.