Višeslojna prevlaka šipke titanske anode za stabilnu izvedbu elektrolize

Jedna od najboljih stvari kod više-slojnih premaza je ta što mogu stvoriti višestruke zaštitne štitove. Kada titanska anodna šipka radi u elektrolizi natrijevog hipoklorita, gornji sloj premaza izravno je izložen jakim radikalima klora i visokim razinama struje. Čak i ako jedan premaz od rutenijevog oksida dobro funkcionira kao katalizator, na njemu se nakon nekog vremena upotrebe pojavljuju mikropukotine jer se njegov toplinski rast ne poklapa s bazom od titana.

Više{0}}slojne strukture imaju povezujuće slojeve u sredini koji se polako kreću od osnovnog metala titana do katalitičkog premaza s vanjske strane. Ove prijelazne zone preuzimaju mehanička opterećenja i sprječavaju širenje pukotina prema podlozi. Istraživači u programima elektrokemijskog inženjeringa otkrili su da gradijentne kompozicije iridija-rutenija smanjuju smično naprezanje na sučelju za oko 35% u usporedbi s naglim jedno-slojnim spojevima.

Terenski podaci o sustavima za čišćenje bazena pokazuju da elektrode s gradijentnim premazima održavaju stopu stvaranja klora na oko 5% njihove izvorne razine nakon tri godine korištenja. Tijekom istog vremena izgubljeno je 20 do 30 posto kapaciteta jedno-slojnih elektroda s istih mjesta. Bolja stabilnost proizlazi iz činjenice da više-slojna struktura sprječava prebrzu pasivizaciju titanijskog supstrata, što održava katalitička mjesta dostupnima.

U uređajima za elektrolizu, količina korištene energije izravno je povezana s koliko je stabilan napon. Kako se obloge elektroda troše, napon ćelije polako raste kako bi se održao izlaz klora na ciljanoj razini, što povećava cijenu električne energije. Pomak napona smanjuje se arhitekturom više{2}}slojnog premaza na proizvodima titanskih anodnih šipki na dva načina: oni održavaju električnu vodljivost kroz debljinu premaza i katalitičku aktivnost na sučelju elektrolita.

Usporedni testovi u industrijskim sustavima protočne vode pokazali su da više{0}}slojne elektrode rade s 3,2 do 3,8 kWh po kilogramu dostupnog klora za cijelo vrijeme njihove upotrebe. Nakon dvije godine, porast napona u tradicionalnim jednoobraznim kaputima uzrokuje da oni koriste 4,5 do 5,2 kWh energije po kilogramu. Ova razlika u performansama znači da će postrojenja koja izvode kontinuirane cikluse elektrolize 24 sata dnevno uštedjeti novac na svojim troškovima.

Glavna ideja više{0}}slojne tehnologije je da se omjeri plemenitih metala planirano mijenjaju kako premaz postaje deblji. Uobičajena gradijentna arhitektura počinje slojem ljepila -bogata iridijem koji se stavlja izravno na titansku podlogu koja je već obrađena. Dobra adhezijska svojstva iridija i brzina temperaturnog širenja koja je slična titanu čine ga jakom podlogom za kasnije slojeve.

U srednjim zonama premaza, količina rutenija raste kako bi reakcije razvijanja klora bile katalitičke. Specijalizirani dopanti, poput oksida tantala ili kositra, mogu biti u gornjem sloju. Oni još više povećavaju učinkovitost prijenosa elektrona. Ova promjena sastava sprječava stvaranje-površina pod visokim stresom, što je ono što razgrađuje uobičajene ujednačene premaze od miješanog metalnog oksida.

Koliko dobro gradijent funkcionira ovisi o tome koliko je precizno proizveden. Najbolje tvrtke koje proizvode šipke od titanijske anode koriste metode kontroliranog toplinskog razgradnje koje uključuju mnogo puta pečenje šipki na temperaturama između 380 stupnjeva i 520 stupnjeva. Svaki korak između požara omogućuje opuštanje stresa prije dodavanja sljedećeg sloja premaza. To čini strukture koje su čvršće s malim preostalim naprezanjem.

Kloridni ioni u otopinama za elektrolizu napadaju površine titana koje su vidljive na vrlo silovit način. Oni stvaraju ne{1}}provodljive pasivne slojeve koji sprječavaju rad elektrode. Više{3}}slojne strukture premaza stvaraju difuzijske putove koji su vrlo zavojiti, zbog čega klorid puno sporije dolazi do podloge. Svako sučelje premaza djeluje kao djelomična barijera, a kada postoji više od jednog sloja, potrebno je više vremena da korozivne tvari dođu do baze od titana.

Titanijeve anodne štapićaste elektrode s tri ili više različitih slojeva premaza održavaju cjelovitost supstrata 8-10 godina u generatorima natrijevog hipoklorita, prema ubrzanom ispitivanju životnog vijeka provedenom u uvjetima visokog klorida. U istim postavkama ispitivanja, jedno-slojne elektrode pokazuju pasivizaciju podloge nakon 3 do 5 godina. Dodatna zaštita dolazi od dva seta mehanizama za brtvljenje koji nadoknađuju neizbježne nedostatke u svakom sloju.

Kvar elektrode obično se događa kada se premaz iznenada skine, a ne kada se učinkovitost s vremenom polako pogoršava. Čim počne delaminacija na mjestima oštećenja, supstrat od titana visoke{1}}vodljivosti koji je izložen ima lokaliziranu koncentraciju struje koja brzo širi kvar po površini elektrode. Uređaji za otklanjanje pukotina na granicama slojeva u više-slojnim premazima sprječavaju pojavu ovakvih kvarova.

Ispitivanje međufazne žilavosti to pokazujetitanska anodna šipkapremazi s gradijentom koji su ispravno dizajnirani trebaju tri do četiri puta više energije za skidanje od jedno-slojnih verzija. Ova veća otpornost na katastrofalne kvarove izravno dovodi do pouzdanijih sustava i manje potrebe za održavanjem tijekom hitnih slučajeva u važnim aplikacijama za obradu vode.

Promjene temperature u elektrolitičkim ćelijama ovise o količini struje koja teče io tome koliko dobro otopina provodi električnu struju. Elektrode od titanske anodne šipke moraju zadržati svoj oblik čak i ako rade na temperaturama u rasponu od sobne temperature do 80 stupnjeva. Višestruki slojevi premaza s pažljivo usklađenim koeficijentima toplinskog širenja u svim slojevima zaustavljaju nakupljanje naprezanja uzrokovano toplinom.

Modeliranjem raspodjele toplinskog naprezanja pomoću konačnih elemenata dokazano je da arhitekture gradijentnog premaza smanjuju vršni međufazni stres za 40–55% u usporedbi s jedno-slojnim dizajnom kada se temperature mijenjaju s 25 stupnjeva na 75 stupnjeva. Ovo računalno predviđanje odgovara onome što vidimo u stvarnom svijetu, a to je da više-slojne elektrode ne gube mnogo od svojih performansi nakon tisuća toplinskih ciklusa u automatskim metodama ispitivanja.

Količina klora koja se može proizvesti ovisi o tome koliko se dobro održavaju oblik i površina elektrode tijekom vremena. Kada sustavi nisu dobro projektirani, erozija premaza i korozija podloge polako smanjuju veličinu učinkovite elektrode. Više-slojne strukture titanskih anodnih šipki ne mijenjaju veličinu jer imaju zaštitne slojeve izvana koji se ne troše.

Studije koje su koristile precizna mjerenja za praćenje veličina elektroda tijekom pet godina rada pokazuju da gradijent{0}}prevučene elektrode gube manje od 0,5% svoje debljine. Ova fizička stabilnost osigurava da stopa proizvodnje klora ostane ista, bez potrebe za redovitom promjenom gustoće struje, što može otežati korištenje sustava automatske kontrole.

Generatori natrijevog hipoklorita danas koriste protočne-sklopove elektroda koji imaju bolja hidraulička svojstva. Proizvodi od titanskih anodnih šipki moraju biti u stanju nositi se s velikim linearnim brzinama i teškim uvjetima protoka bez oštećenja premaza. Budući da su dobro-povezane i konsolidirane, više-slojne zgrade vrlo su otporne na eroziju u ovim teškim hidrauličkim okolnostima.

Proizvođači koriste tehnologiju više{0}}slojnog premaza za izradu elektroda u različitim oblicima i veličinama, kao što su cjevaste, pločaste i mrežaste. Zbog toga integratori sustava mogu pronaći najbolje postavke elektroda za različite brzine protoka i potrebe proizvodnje klora, u rasponu od 50 grama po satu za male bazenske sustave do 5000 grama po satu za javne instalacije.