Acoperire cu tije cu anod din titan multistrat pentru performanță stabilă la electroliză

Unul dintre cele mai bune lucruri despre acoperirile multi-strat este că pot crea mai multe scuturi de protecție. Când o tijă de anod de titan funcționează în electroliza hipocloritului de sodiu, stratul superior al acoperirii este expus direct la radicalii puternici de clor și la niveluri ridicate de curent. Chiar dacă un singur strat de oxid de ruteniu funcționează bine ca catalizator, se dezvoltă microfisuri după o perioadă de utilizare, deoarece creșterea sa termică nu se potrivește cu baza de titan.

Structurile multi-strat au straturi de legătură în mijloc care se deplasează încet de la metalul de bază de titan la acoperirea catalitică din exterior. Aceste zone de tranziție preiau solicitări mecanice și împiedică răspândirea fisurilor la bază. Cercetătorii din programele de inginerie electrochimică au descoperit că compozițiile cu gradient de iridiu-ruteniu scad efortul de forfecare la interfață cu aproximativ 35% în comparație cu joncțiunile abrupte cu un singur-strat.

Datele de teren de la sistemele de curățare a piscinelor arată că electrozii cu strat de gradient mențin ratele de generare de clor la aproximativ 5% din nivelul lor inițial după trei ani de utilizare. În aceeași perioadă de timp, 20 până la 30% din capacitatea electrozilor cu un singur-strat din aceleași locații s-a pierdut. Stabilitatea mai bună vine din faptul că structura multi-strat împiedică pasivizarea prea rapidă a substratului de titan, ceea ce menține locurile catalitice disponibile.

În dispozitivele de electroliză, cantitatea de energie utilizată este direct legată de cât de stabilă este tensiunea. Pe măsură ce acoperirile electrozilor se uzează, tensiunea celulei crește încet pentru a menține producția de clor la nivelul țintă, ceea ce crește costul energiei electrice. Deriva de tensiune este redusă de arhitecturile de acoperire cu mai multe-strat pe produsele cu tije cu anod de titan în două moduri: ele mențin conductivitatea electrică prin grosimea acoperirii și activitatea catalitică la interfața electrolitului.

Testele comparative în sistemele industriale de apă curgătoare au arătat că electrozii multi-strat funcționează la 3,2 până la 3,8 kWh per kilogram de clor disponibil pe toată perioada în care sunt folosiți. După doi ani, creșterea tensiunii în hainele uniforme tradiționale le determină să utilizeze 4,5 până la 5,2 kWh de energie pe kilogram. Această diferență de performanță înseamnă că instalațiile care rulează cicluri continue de electroliză 24 de ore pe zi vor economisi bani pe costurile lor.

Ideea principală din spatele tehnologiei multi-strat este că proporțiile de metale prețioase se schimbă într-un mod planificat pe măsură ce stratul devine mai gros. O arhitectură de gradient comună începe cu un strat de adeziv bogat-iridiu care este pus direct deasupra unei baze de titan care a fost deja tratată. Proprietățile bune de aderență ale iridului și rata de expansiune la temperatură, care este apropiată de titan, îl fac o bază puternică pentru straturi ulterioare.

În zonele de acoperire mijlocie, cantitatea de ruteniu crește pentru a face reacțiile de degajare a clorului mai catalitice. Dopanți specializați, cum ar fi tantalul sau oxizii de staniu, pot fi în stratul superior. Acestea se adaugă și mai mult la eficiența transferului de electroni. Această modificare a machiajului oprește formarea-suprafețelor cu stres ridicat, ceea ce este ceea ce descompune straturile obișnuite de oxid de metal amestecat uniform.

Cât de bine funcționează un gradient depinde de cât de precis a fost fabricat. Cele mai bune companii care produc tije cu anod de titan folosesc metode de defalcare termică controlată care implică arderea tijelor de mai multe ori la temperaturi cuprinse între 380 și 520 de grade. Fiecare pas de foc între ele lasă stresul să se relaxeze înainte de a adăuga următorul strat de acoperire. Acest lucru face ca structurile să fie mai solide, cu puțină tensiune rămasă.

Ionii de clorură din soluțiile de electroliză atacă suprafețele de titan care sunt vizibile într-un mod foarte violent. Ele creează straturi de pasivare ne-conductoare care împiedică funcționarea electrodului. Structurile de acoperire cu mai multe straturi creează căi de difuzie foarte întortocheate, ceea ce face ca clorura să ajungă mult mai lentă la substrat. Fiecare interfață de acoperire acționează ca o barieră parțială, iar când există mai multe straturi, este nevoie de mai mult timp pentru ca speciile corozive să ajungă la baza de titan.

Electrozii cu tije anod de titan cu trei sau mai multe straturi distincte de acoperire păstrează integritatea substratului timp de 8-10 ani în generatoarele de hipoclorit de sodiu, conform testelor de viață accelerate efectuate în condiții de clorură ridicată. În aceleași setări de testare, electrozii cu un singur-strat arată pasivizarea substratului după 3 până la 5 ani. Protecția suplimentară vine din două seturi de mecanisme de etanșare care compensează defectele inevitabile din fiecare strat.

Defectarea electrodului are loc de obicei atunci când stratul de acoperire se desprinde brusc, nu atunci când performanța se înrăutățește încet în timp. De îndată ce delaminarea începe la locurile defectelor, substratul de titan cu-conductivitate ridicată care este expus are o concentrație de curent localizată care răspândește rapid defecțiunea pe suprafața electrodului. Dispozitivele de deviere a fisurilor de la granițele straturilor în straturile de acoperire cu mai multe-strat împiedică producerea acestor tipuri de defecțiuni.

Testele de rezistență interfață arată astatija de anod de titanacoperirile cu gradient care sunt proiectate corespunzător necesită de trei până la patru ori mai multă energie pentru a se dezlipi decât versiunile cu un singur-strat. Această rezistență mai mare la defecțiuni catastrofale duce direct la sisteme mai fiabile și mai puține necesități de întreținere în timpul situațiilor de urgență în aplicații importante de tratare a apei.

Schimbările de temperatură în celulele electrolitice depind de cantitatea de curent care curge și de cât de bine soluția conduce electricitatea. Electrozii de titan cu anod trebuie să-și păstreze forma chiar dacă lucrează la temperaturi cuprinse între temperatura camerei și 80 de grade. Mai multe straturi de acoperiri cu coeficienți de dilatare termică atent adaptați pe toate straturile opresc acumularea de stres cauzată de căldură.

Sa dovedit prin modelarea cu elemente finite a distribuției tensiunilor termice că arhitecturile de acoperire cu gradient scad stresul interfacial de vârf cu 40–55% în comparație cu modelele cu un singur-strat atunci când temperaturile sunt modificate de la 25 de grade la 75 de grade . Această predicție computerizată se potrivește cu ceea ce vedem în lumea reală, și anume că electrozii multi-strat nu își pierd prea mult din performanță după mii de cicluri termice în metodele automate de testare.

Cantitatea de clor care poate fi produsă depinde de cât de bine sunt păstrate în timp forma electrodului și suprafața. Atunci când sistemele nu sunt bine proiectate, eroziunea stratului de acoperire și coroziunea substratului micșorează încet dimensiunea electrodului efectiv. Structurile cu tije cu anod de titan multi-strat nu își schimbă dimensiunea deoarece au straturi de protecție la exterior care nu se uzează.

Studiile care au folosit măsurători precise pentru a urmări dimensiunile electrozilor pe parcursul a cinci ani de funcționare arată că electrozii acoperiți cu gradient-pierd mai puțin de 0,5% din grosime. Această stabilitate fizică asigură că rata producției de clor rămâne aceeași, fără a fi nevoie să modifice în mod regulat densitatea de curent, ceea ce poate face sistemele de control automate mai dificil de utilizat.

Generatoarele de hipoclorit de sodiu folosesc astăzi ansambluri de electrozi cu flux{0}}prin care au proprietăți hidraulice mai bune. Produsele cu tije cu anod de titan trebuie să poată face față atât la viteze liniare rapide, cât și la condiții de curgere aspre, fără a deteriora acoperirea. Deoarece sunt bine-legate și consolidate, clădirile cu mai multe-straturi sunt foarte rezistente la eroziune în aceste circumstanțe hidraulice dificile.

Producătorii folosesc tehnologia de acoperire cu mai multe-straturi pentru a realiza electrozi într-o varietate de forme și dimensiuni, cum ar fi tubulare, plăci și plasă. Din acest motiv, integratorii de sistem pot găsi cele mai bune configurații de electrozi pentru diferite debite și nevoi de producție de clor, variind de la 50 de grame pe oră pentru sistemele de piscine mici până la 5000 de grame pe oră pentru instalațiile publice.