MMO Titaniumanode voor oppervlakteactieve stoffen

Van wasserij tot oliewinning, van voedselverwerking tot farmaceutische bereiding, oppervlakteactieve stoffen zijn doorgedrongen in tal van belangrijke sectoren van de samenleving en de economie. Wanneer oppervlakteactieve stoffen echter rechtstreeks in waterlichamen worden geloosd zonder effectieve behandeling, kunnen ze niet alleen het evenwicht van aquatische ecosystemen verstoren, maar ook de gezondheid van de mens bedreigen via de voedselketen.

MMO titanium anoden (Titanium-gebaseerde gemengde metaaloxide-anoden) zijn een belangrijke oplossing geworden voor de uitdagingen van oppervlakteactieve stoffenbehandeling. MMO-titaniumanoden, ook bekend als DSA's (maatvaste anoden), maken gebruik van een titaniumsubstraat bedekt met edelmetaaloxiden zoals iridium, ruthenium en tantaal. Deze anoden combineren uitstekende elektrokatalytische activiteit, chemische stabiliteit en een extreem lange levensduur en bieden daarmee een oplossing voor de geavanceerde behandeling van afvalwater met oppervlakteactieve stoffen.

Verontreiniging door oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve stoffen kunnen worden onderverdeeld in vier categorieën op basis van hun moleculaire structuur: anionisch, kationisch, niet-ionisch en amfoteer. In het dagelijks leven domineren anionische oppervlakteactieve stoffen, met producten zoals alkylbenzeensulfonaten en vetalcoholethersulfaten die veel worden gebruikt in wasmiddelen, afwasmiddelen en douchegels. Niet-ionische oppervlakteactieve stoffen vormen vanwege hun mildheid een hoofdingrediënt in babyverzorgingsproducten en hoogwaardige cosmetica. De metaalbewerkingsindustrie vertrouwt op hun roestwerende en ontvettende eigenschappen, met een jaarlijks verbruik in de machinebouw alleen al van honderdduizenden tonnen. Kationische oppervlakteactieve stoffen worden gebruikt voor desinfectie van zwembaden en flocculatie van afvalwater vanwege hun bacteriedodende eigenschappen. Grootschalige lozingen van oppervlakteactieve stoffen zijn een belangrijke bron van waterverontreiniging geworden.

Met betrekking tot ecologische gevaren: Wanneer de concentratie oppervlakteactieve stoffen in water hoger is dan 4 mg/l, verlagen ze de oppervlaktespanning aanzienlijk, wat leidt tot schade aan de kieuwmembranen van vissen en een verstoorde ademhalingsfunctie. Bij concentraties van 10 mg/l kunnen de meeste zoetwatervissen niet overleven. Ernstiger is dat typische oppervlakteactieve stoffen zoals natriumalkylbenzeensulfonaat (ABS) potentieel teratogeen zijn en gemakkelijk eutrofiëring van waterlichamen kunnen veroorzaken, wat leidt tot algenbloei en verstoring van aquatische ecosystemen.

Met betrekking tot de menselijke gezondheidResterende oppervlakteactieve stoffen in het milieu kunnen via drinkwater en voedsel worden opgenomen. Langdurige ophoping kan het endocriene systeem verstoren, waarbij met name kationogene oppervlakteactieve stoffen mogelijk een nadelige invloed hebben op het voortplantingssysteem. Bovendien kunnen oppervlakteactieve stoffen de oplosbaarheid en mobiliteit van andere verontreinigende stoffen vergroten, waardoor schadelijke stoffen zoals zware metalen en pesticiden gemakkelijker in organismen kunnen doordringen, wat leidt tot samengestelde vervuiling.

Werkingsprincipe van MMO-titaniumanoden

Het kernmechanisme van MMO-titaniumanodes bij de behandeling van oppervlakteactieve afvalwater is het verstoren van de moleculaire structuur ervan door middel van elektrochemische oxidatiereacties, wat leidt tot afbraak of mineralisatie van verontreinigende stoffen. Dit proces berust voornamelijk op het synergetische effect van directe en indirecte oxidatieprocessen.

(I) Directe oxidatie

Directe oxidatie is het proces waarbij oppervlakteactieve moleculen oxidatief ontbinden op het oppervlak van MMO-titaniumanodes door middel van elektronenoverdracht. De gemengde metaaloxidecoating (zoals IrO₂-Ta₂O₅ of RuO₂-TiO₂) op het titaniumsubstraat bezit een overvloed aan actieve plaatsen en uitstekende elektronenoverdrachtseigenschappen. Oppervlakteactieve moleculen accumuleren op het anodeoppervlak door fysische of chemische adsorptie. Hun hydrofobe groepen vormen vanderwaalskrachten met het coatingoppervlak, terwijl de hydrofiele groepen zich richten door elektrostatische interacties. Vervolgens breken chemische bindingen binnen de moleculen, zoals CC- en etherbindingen, onder invloed van elektrongaten, waardoor ze geleidelijk worden afgebroken tot kleine organische moleculen en uiteindelijk oxideren tot CO₂ en H₂O.

(II) Indirecte oxidatie

Indirecte oxidatie omvat de afbraak van oppervlakteactieve stoffen door middel van elektrolyse van MMO-titaniumanodes, waarbij sterk oxiderende tussenproducten ontstaan ​​(zoals hydroxylradicalen (OH) en actieve chloorsoorten). Deze oxidatieroute vertoont niet-selectieve oxidatiekenmerken en kan een breed scala aan complexe verontreinigingen behandelen.

In chloorhoudende elektrolytsystemen wordt de chloorontwikkelingsfunctie van de MMO-titaniumanode geactiveerd. Cl⁻ in de oplossing verliest elektronen aan het anodeoppervlak om Cl₂ te vormen, dat vervolgens hydrolyseert tot actieve chloorsoorten zoals HClO en ClO⁻, volgens de reactievergelijking: Cl⁻ → ClO⁻ → HClO. Deze actieve chloorsoorten zijn sterk oxiderend en kunnen de hydrofobe ketens en polaire groepen in oppervlakteactieve moleculen aantasten, waardoor reacties zoals desulfonering en ketensplitsing worden geïnitieerd. In afvalwater met een hoge concentratie oppervlakteactieve stoffen draagt ​​indirecte oxidatie ongeveer 60-80% bij aan de afbraakefficiëntie.

In chloorvrije of chloorarme systemen genereert de MMO-titaniumanode hydroxylradicalen via de zuurstofontwikkelingsreactie, volgens de reactievergelijking: H₂O → OH + H⁺ + e⁻. Hydroxylradicalen, met een redoxpotentiaal tot wel 2.80 V, kunnen alle soorten oppervlakteactieve stoffen willekeurig oxideren. Zelfs moeilijk afbreekbare niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen (zoals polyoxyethyleenethers) kunnen effectief worden afgebroken. Onderzoek heeft aangetoond dat PbO₂-gecoate anodes op basis van titanium hydroxylradicalen kunnen genereren in concentraties tot 1.2 × 10⁻⁴mol/l, met een afbraaksnelheid van meer dan 90% voor polyoxyethyleenoctylfenolether.

MMO Titanium Anode Types

Op basis van de samenstelling van de coating en de structurele kenmerken worden MMO-titaniumanodes die geschikt zijn voor oppervlakteactieve behandeling, voornamelijk ingedeeld in de volgende drie categorieën. Elk anodetype vertoont aanzienlijke prestatieverschillen en voldoet aan de behoeften van verschillende bedrijfsomstandigheden.

(I) Ruthenium-Iridium MMO Titanium Anodes

Ruthenium-iridium-anoden zijn momenteel het meest gebruikte type. Hun coating bestaat uit RuO₂ als primaire actieve component en IrO₂ als stabilisator, waardoor een vaste oplossingsstructuur ontstaat door sinteren bij hoge temperatuur. Dit type anode vertoont een uitstekende chloorontwikkeling en elektrische geleidbaarheid en presteert uitzonderlijk goed bij de behandeling van afvalwater met gechloreerde oppervlakteactieve stoffen, waarbij efficiënt actieve chloorsoorten worden gegenereerd om verontreinigende stoffen af ​​te breken.

(II) Iridium-Tantalium MMO Titanium Anodes

Iridium-tantalium-anoden, met IrO₂ als actieve component en Ta₂O₅ als coatingstabilisator, bieden een uitzonderlijke chemische stabiliteit en corrosiebestendigheid, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor de behandeling van afvalwater met zure oppervlakteactieve stoffen. De toevoeging van Ta₂O₅ verbetert de kristalliniteit en dichtheid van de coating aanzienlijk, waardoor de anode stabiele prestaties kan leveren in zeer zure omgevingen met een pH-bereik van 1-4. Dit type anode vertoont een hoge zuurstofontwikkelingsoverpotentiaal (ongeveer 1.6 V), waardoor de nevenreactie van de zuurstofontwikkeling effectief wordt onderdrukt en de oxidatieve degradatie-efficiëntie wordt verbeterd. Het is bijzonder effectief in de afbraak van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen.

(III) Flexibele MMO-titaniumanode

Flexibele MMO-titaniumanodes zijn gevlochten uit Gr1- of Gr2-titaniumdraden, gecoat met een IrO₂-Ta₂O₅-coating. Ze vertonen een uitstekende flexibiliteit en vervormbaarheid. Dit type anode kan flexibel worden aangepast aan de vorm van de reactor, waardoor het contactoppervlak tussen de elektrode en het afvalwater aanzienlijk wordt vergroot, de stroomverdeling uniformer wordt en lokale overspanningsproblemen worden voorkomen. De uniformiteit van de stroomdichtheid overtreft die van stijve anodes, waardoor deze bijzonder effectief is in complexe reactorconfiguraties. Ze zijn met name geschikt voor compacte, mobiele afvalwaterzuiveringsinstallaties met oppervlakteactieve stoffen.

De tegenstelling tussen het wijdverbreide gebruik van oppervlakteactieve stoffen en milieuvervuiling is een belangrijk obstakel geworden voor de duurzame ontwikkeling van de industrie. Als belangrijkste drager van deze technologie heeft de MMO-titaniumanode, met zijn uitstekende elektrokatalytische prestaties, stabiliteit en lange levensduur, een revolutie teweeggebracht in de behandeling van afvalwater met oppervlakteactieve stoffen.

Door de synergetische werking van directe en indirecte oxidatie vernietigt de MMO-titaniumanode efficiënt de moleculaire structuur van diverse oppervlakteactieve stoffen, waardoor volledige mineralisatie van verontreinigende stoffen wordt bereikt, van grote moleculen tot kleine moleculen, tot en met CO₂ en H₂O. Verschillende typen MMO-titaniumanoden bieden hun eigen voordelen: Ruthenium-iridiumanoden brengen kosten en efficiëntie in evenwicht en zijn geschikt voor conventioneel gechloreerd afvalwater; iridium-tantaliumanoden bieden een uitstekende corrosiebestendigheid en zijn effectief voor zuur, refractair afvalwater; titaniumgebaseerde IRO₂-anoden bieden sterke mineralisatiemogelijkheden en zijn geschikt voor geavanceerde zuiveringsbehoeften; en flexibele anodes breiden de toepassing van complexe apparatuur uit.