MMO Titanium Anode voor Stikstof

Verontreiniging met stikstofverbindingen is een belangrijke uitdaging geworden in het wereldwijde waterbeheer. Het omvat verschillende vormen, waaronder ammoniakstikstof, nitraten en nitrieten, en vormt een ernstige bedreiging voor ecosystemen en de menselijke gezondheid. Traditionele technologieën voor de behandeling van stikstofverbindingen, zoals biologische denitrificatie, worden beperkt door lange reactiecycli, een geringe aanpassing aan lage temperaturen en een hoge slibproductie. Chemische precipitatiemethoden zijn gevoelig voor secundaire vervuiling en hebben moeite om te voldoen aan de huidige strenge emissie-eisen.

MMO titanium anoden (Met metaaloxide gecoate anodes op basis van titanium) maken gebruik van een zeer zuiver titaniumsubstraat, gecoat met een composietcoating van edelmetaaloxiden, zoals ruthenium en iridium. Ze combineren uitstekende elektrokatalytische activiteit, corrosiebestendigheid en stabiliteit. Hun toepassing in de behandeling van stikstofverbindingen zorgt voor een efficiënte afbraak van verontreinigende stoffen en wordt beschouwd als een belangrijke technologische stap in de aanpak van het complexe probleem van stikstofverontreiniging.

Verontreinigingsgevaren van stikstofverbindingen

De landbouwproductie is de grootste bron van stikstofverbindingen. Ongeveer 30%-50% van de stikstofmeststof die in meststoffen wordt gebruikt, wordt niet opgenomen door gewassen en komt in plaats daarvan in oppervlaktewater terecht via afstroming en bodemsijpeling, wat voornamelijk bijdraagt ​​aan de vervuiling met ammoniakstikstof en nitraat. De chemische, farmaceutische en voedselverwerkende industrie dragen in belangrijke mate bij aan de industriële stikstofvervuiling. Kunstmest- en verffabrieken produceren afvalwater met hoge concentraties ammoniakstikstof (tot duizenden mg/l). Stikstofverbindingen in stedelijk rioolwater zijn voornamelijk afkomstig van menselijke stofwisselingsproducten en detergenten. Stikstofverbindingen hopen zich op in de voedselketen en verspreiden zich door ecologische kringlopen, waardoor er meerdere gevaren ontstaan:

Schade aan aquatische ecosystemenHoge concentraties stikstofverbindingen leiden tot eutrofiëring van waterlichamen, wat een explosieve groei van algen zoals cyanobacteriën veroorzaakt, wat resulteert in "algenbloei" of "rode vloed". De ontbinding van dode algen verbruikt grote hoeveelheden opgeloste zuurstof, waardoor vissen en andere waterorganismen stikken en het ecologische evenwicht van het waterlichaam wordt verstoord.

Bedreigingen voor de menselijke gezondheid en veiligheidNitraten in drinkwater worden in het menselijke spijsverteringskanaal omgezet in nitrieten, die zich vervolgens aan hemoglobine binden om methemoglobine te vormen, wat leidt tot weefselhypoxie en het "blauwebabysyndroom", een bijzonder ernstige bedreiging voor baby's en jonge kinderen. Nitraten kunnen ook reageren met aminen in het lichaam om nitrosaminen te vormen, een krachtige kankerverwekkende stof die het risico op kanker van het spijsverteringsstelsel verhoogt. Nitroverbindingen in industrieel afvalwater zijn zeer giftig en kunnen lever- en nierschade veroorzaken door contact met de huid of het drinken van verontreinigd water.

Toenemende belasting van het milieubeheerVerontreiniging met stikstofverbindingen is cumulatief en migrerend. Eenmaal in de bodem vermindert het de bodemvruchtbaarheid en beïnvloedt het de kwaliteit van gewassen. Het sijpelt door naar het grondwater en vormt een regionale vervuilingspluim, met saneringskosten die oplopen tot honderden dollars per kubieke meter. Bovendien transformeren stikstofhoudende afvalgassen en afvalwater met stikstofverbindingen door de atmosfeer-watercyclus, waardoor de vervuiling verder toeneemt en er "secundaire vervuiling" ontstaat.

Werkingsprincipe van de MMO-titaniumanode

De MMO-titaniumanode bereikt een efficiënte verwijdering van nitriden via een dubbel mechanisme van elektrochemische oxidatie en katalytische omzetting. Het kernprincipe is om de hoge katalytische activiteit van de coating te benutten om een ​​reeks redoxreacties op het elektrodeoppervlak te activeren, waarbij giftige en schadelijke nitriden worden omgezet in onschadelijke stoffen.

(I) Directe elektrochemische oxidatie

Onder invloed van een elektrisch veld worden nitridemoleculen direct geadsorbeerd aan actieve plaatsen op het oppervlak van de MMO-titaniumanode (zoals RuO₂- en IrO₂-korrels), waar ze worden geoxideerd en afgebroken door middel van elektronenoverdracht. Voor ammoniakstikstof vindt een dehydrogeneringsreactie plaats op het anodeoppervlak, waarbij het eerst wordt omgezet in het tussenproduct hydrazine (N₂H₄), dat vervolgens wordt geoxideerd tot stikstofgas (N₂). De kernreactievergelijking is: 2NH₃ – 6e⁻ = N₂↑ + 6H⁺. Dit proces vereist geen extra oxidatiemiddel en biedt een hoge reactieselectiviteit, met een stikstofopbrengst van meer dan 85%. Bij aromatische stikstofverbindingen zoals nitrobenzeen zorgt directe oxidatie ervoor dat de CN-binding op de benzeenring wordt gesplitst, waardoor de nitrogroep (-NO₂) wordt omgezet in nitraat (NO₃⁻), dat vervolgens verder wordt geoxideerd tot stikstofgas. Hierdoor worden de giftigheid en stikstof gelijktijdig verwijderd.

(II) Indirecte elektrochemische oxidatie

Tijdens het elektrolyseproces oxideert de MMO-titaniumanode chloride-ionen (Cl⁻) en watermoleculen in het water, waardoor sterk oxiderende actieve stoffen ontstaan. Wanneer chloride-ionen in het afvalwater aanwezig zijn, vindt er een chloorontwikkelingsreactie plaats op het anodeoppervlak: 2Cl⁻ – 2e⁻ = Cl₂↑. Het chloorgas reageert vervolgens met water tot hypochloorzuur (HClO) en hypochloriet (ClO⁻). Deze chlooroxidatiemiddelen kunnen ammoniakstikstof snel oxideren tot stikstofgas, waardoor de reactiesnelheid 3-5 keer hoger ligt dan bij directe oxidatie. In een chloridevrij systeem worden watermoleculen aan de anode geoxideerd tot reactieve zuurstofsoorten (・OH, O₂⁻ en andere vrije radicalen). Het hydroxylradicaal (・OH) heeft een redoxpotentiaal van wel 2.8 V en kan nitraten, nitrieten en andere verbindingen niet-selectief afbreken en omzetten in stikstofgas of nitraten.

(III) Synergetische elektrokatalytische conversie

De edelmetaaloxiden in de MMO-coating vormen een vaste oplossingsstructuur met ventielmetaaloxiden (zoals IrO₂-Ta₂O₅ en RuO₂-TiO₂). Deze unieke eigenschap van elektronengeleiding verlaagt de activeringsenergie van de reactie en bevordert de selectieve omzetting van nitriden. Bij de behandeling van nitraatafvalwater kunnen de katalytische locaties op het anodeoppervlak het reactiepad reguleren, waardoor de nevenreactie van overoxidatie tot nitraat wordt geremd en de omzetting van nitraat naar nitriet wordt bevorderd via een tweestaps elektronenoverdrachtsproces, gevolgd door verdere reductie tot stikstofgas. Onderzoek heeft aangetoond dat MMO-anodes op basis van Ir-Ta de stikstofomzettingsefficiëntie van nitraat kunnen verhogen tot meer dan 90%, aanzienlijk hoger dan die van conventionele elektroden. Tegelijkertijd kan de 10-nanometer TiO₂-passivatiefilm die op het oppervlak van het titaniumsubstraat wordt gevormd, corrosie van de elektrode voorkomen en de stabiliteit van de katalytische activiteit op lange termijn waarborgen.

MMO Titanium Anode Types

Op basis van de coatingsamenstelling en katalytische eigenschappen worden MMO-titaniumanodes die geschikt zijn voor nitridebehandeling, hoofdzakelijk ingedeeld in drie categorieën.

(I) Ruthenium MMO Titanium Anodes

Dit type elektrode gebruikt RuO₂ als primair actief bestanddeel en vormt via thermische ontleding een 20-30 μm dikke poreuze coating op een titaniumsubstraat. Het belangrijkste voordeel is de lage chloorontwikkeling met overpotentiaal (140 mV lager dan die van een grafietanode bij een stroomdichtheid van 1 A/cm²). Het kan efficiënt hypochloorzuur genereren in chloorhoudende afvalwatersystemen, waardoor het bijzonder geschikt is voor de behandeling van ammoniakstikstof met een hoog chloorgehalte, zoals gemeentelijk rioolwater en afvalwater van aquacultuur.

(II) Iridium MMO Titanium Anodes

De IrO₂-Ta₂O₅/Ti-anode, bereid via een sol-gelmethode met IrO₂ als actieve component en Ta₂O₅ als coatingversterker, is een sterproduct in de zuurstofontwikkelingsreactie. IrO₂ heeft een extreem hoge katalytische activiteit voor zuurstofontwikkeling. De vaste oplossing gevormd door Ta₂O₅ en IrO₂ verbetert de coatingstabiliteit aanzienlijk en remt het verlies van actieve componenten. De uitstekende voordelen zijn onder andere een sterke corrosiebestendigheid en een sterke passiveringsweerstand. Het werkt stabiel in een breed scala aan wateren met een pH van 1-14, waardoor het bijzonder geschikt is voor de behandeling van zeer zure, hooggeconcentreerde nitroverbindingen, zoals chemisch afvalwater. Bij de behandeling van afvalwater met een nitrobenzeenconcentratie van 200 mg/l behaalde deze elektrode een verwijderingspercentage van 89% nitrobenzeen en een verwijderingspercentage van 72% TOC binnen 3 uur bij een stroomdichtheid van 25 mA/cm² en een temperatuur van 40 °C. Bovendien heeft dit type elektrode een levensduur van meer dan 6 jaar, waardoor het de voorkeurselektrode is voor uitdagende stikstofverontreinigingsbestrijding.

(III) Platina MMO-titaniumanode

De Pt-IrO₂/Ti-composietelektrode, gevormd door de toevoeging van platina (Pt) in de coating, combineert een hoge katalytische activiteit met een uitzonderlijk lange levensduur. De toevoeging van platina verlaagt de activeringsenergie voor nitride-oxidatie, verbetert de reactieselectiviteit en maakt een efficiënte omzetting van nitraten in stikstofgas bij lage stroomdichtheden mogelijk. Dit type elektrode is geschikt voor toepassingen die een extreem hoge waterkwaliteit vereisen, zoals diepe stikstofverwijdering uit drinkwater en de productie van ultrapuur water voor de elektronica-industrie. Na behandeling kunnen de nitrideconcentraties in het behandelde water worden verlaagd tot minder dan 0.5 mg/l, zonder risico op het oplossen van zware metalen. Een toepassingscase study in een elektronicafabriek toonde aan dat procesafvalwater dat met een Pt-IrO₂/Ti-anode is behandeld met een nitraatconcentratie van 50 mg/l een verwijderingspercentage van 99% behaalde bij een stroomdichtheid van 5 mA/cm², waarbij het effluent voldeed aan de normen voor zuiver water van elektronische kwaliteit. Vanwege het hoge gehalte aan edelmetaal zijn de kosten echter 3 tot 5 keer hoger dan die van elektroden op basis van ruthenium. Hierdoor worden ze voornamelijk gebruikt in geavanceerde behandelingsscenario's.