高純度チタン基板をベースとした高度なチタン陽極ロッド技術

高純度チタンには、電気化学的環境において際立った特別な特性があります。チタン基板は単に構造を保持するだけではありません。また、電気分解条件が厳しい場合には、導電体および腐食バリアとしても機能します。高純度チタン（通常グレード 1 またはグレード 2）は、塩化物イオンの攻撃に対して非常に耐性があり、これは電気分解に次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合に重要です。チタンは、グラファイト、ステンレス鋼、鉄、銅のように安定した不動態酸化物層を形成しません。代わりに、導電性を維持しながらベースメタルを保護する触媒コーティングを形成します。

電気工学の研究によると、チタンは pH 2 ～ 12 の範囲で形状を維持でき、活性塩素種による酸化条件にも耐性があるため、錆びません。この安定性により、都市の水処理施設では通常の 24 時間使用でも、チタン陽極棒が長期間同じように機能し続けることが保証されます。

グラファイト陽極は最初は安価ですが、酸化して摩耗しやすいため、塩素発生用途ではすぐに故障します。塩化物-が豊富な電解質はステンレス鋼に孔食と不動態化を引き起こし、電圧を上昇させてエネルギーを浪費します。銅や鉄の表面はすぐに錆びて電解液を汚染し、水質を悪化させる老廃物を生成します。

チタンは、温度が変化したり機械的応力が加わった場合でも形状を維持できるため、プロフェッショナル グレードの電解システムのベースとして使用できる唯一の素材です。{0}この材料は、-20 度から 80 度の温度範囲でも機械的特性を維持します。これは、強度を損なうことなく、四季を通じて屋外プロジェクトで使用できることを意味します。

モダンなチタン陽極棒グラデーションコーティングを採用。この方法は、微小亀裂、コーティングの剥離、基板の不動態化、塩化物イオンの浸透を防ぎます。最新のコーティング技術は、組成を変化させた多くの層を提供します。

タンタルおよびニオブのバルブ金属は、最も深い層に多くの割合で存在します。これらの金属は結合して拡散を防ぎます。中間層には、塩素生成に十分な量のルテニウムとイリジウムを含む混合金属酸化物が含まれています。電気分解の強力な酸化種による摩耗に耐えるために、最上層にはより多くのイリジウムが与えられました。

このアーキテクチャ技術は、熱的および機械的ストレス要因を表面全体に分散させます。これにより、応力の蓄積による致命的なコーティングの破壊が防止されます。フィールド実験では、勾配コーティングされた電極が高塩化物環境で 50,000 時間以上にわたって触媒活性の 90% 以上を維持することが実証されています。{{2}

純粋な二酸化ルテニウムのような単一金属コーティングは、最初はうまく機能しますが、陽極酸化すると塩化物溶液中ですぐに分解します。酸化イリジウムを添加すると、触媒部位の活性を維持し、構造をより安定させる相乗効果が得られます。ルテニウムは、中間塩素を含む表面種を生成することにより、塩素の発生に大きな役割を果たします。-一方、イリジウムは構造を安定させ、浸食から保護します。

最適なルテニウム-対-イリジウムの比率は使用条件によって異なります。次亜塩素酸ナトリウムを作る場合、最も一般的な比率は 60:40 ～ 70:30 です。この化学物質の混合により、チタン陽極ロッドは動作中ずっと塩素発生率を 95% 以上に保ち、不必要な酸素の生成を防ぎます。

外側のコーティング層は主に、電解液の流れや酸化種による化学攻撃による材料の摩耗を防ぐ壁として機能します。この層内のイリジウムの量が増えると、表面がより硬くなり、耐摩耗性が高まり、その形状を維持できるようになります。一部の最新の配合には、浸食に対する耐性をさらに高めるために、少量のタンタルまたは酸化スズが添加されています。

高電流密度での連続動作を模倣した実験室での加速寿命テストでは、多層コーティングされたチタン陽極ロッドが 60,000～80,000 時間動作し続けることが示されています。これは、約 8～10 年の連続使用に相当します。{0}これは通常の単層電極よりも 3 ～ 5 倍優れており、ライフサイクル全体で塩素を製造するコストが大幅に低くなります。{8}}

商業プール、ウォーターパーク、その他の水中施設は、塩素レベルを維持し、化学薬品の取り扱いと保管を減らすために定期的に消毒する必要があります。チタン陽極棒電解槽を使用して現場で次亜塩素酸ナトリウムを製造することは、塩素ガスやバルク次亜塩素酸塩を供給するよりも優れています。

これらの装置は電気を利用して弱塩水 (3 ～ 5 g/L 塩化ナトリウム) を 0.6% ～ 0.8% 次亜塩素酸ナトリウムに変換します。これはプールの循環に自動的に追加されます。利点としては、建物敷地内の化学物質配送トラックの減少、有害な製品の保管によるリスクの軽減、自動化された需要に合わせた製造による塩素レベルの安定化などが挙げられます。{6}}

標準的な 500,000 リットルの商業用プールには、100 ～ 150 g/h の塩素排出量が必要です。 1 日 8 ～ 12 時間稼働する適切なサイズのチタン アノード アセンブリは、発生する塩素 1 キログラムあたりわずか 3.5 ～ 4.2 kWh しか利用せずにこの需要を満たし、稼働コストは供給される化学薬品と同程度になります。

次亜塩素酸ナトリウムの製造は、最も厳しい電気化学条件の 1 つです。高い塩化物含有量、酸性条件、陽極分極によりコーティングの崩壊が促進されます。ルテニウム-イリジウム混合酸化物コーティングは、共同プロセスにより、これらの設定において安定しています。

ルテニウムは塩素発生の主な触媒ですが、イリジウムはコーティングを安定化し、ルテニウムの溶解を遅らせます。混合酸化物は、機械的応力を分散して腐食を防ぐ共有結晶格子構造を備えた固溶体として固化します。このため、チタンアノードロッドは、塩化物イオンが 20 ～ 100 g/L、pH 7 ～ 9 の液体中で効果的に機能します。

有効なルテニウム-イリジウム コーティングは、10,000 A/m² の電流密度で塩溶液中で電極を使用する加速試験技術で示されているように、10,000 時間の動作後に質量の損失が 2% 未満です。この安定性により、電極は長期間にわたって一貫して動作することが保証されます。

50 g/h のスイミング プール システムから 5000 g/h の自治体施設まで、塩素の発生量は使用状況によって異なります。効率と寿命を最大化するために、各容量範囲の特定の動作電流密度に合わせてコーティング配合を最適化することができます。

容量が小さいシステムでは、電流値は通常 200 ～ 500 A/m² の範囲になります。最大の触媒活性と低いセル電圧を実現するには、70 ～ 80% のルテニウムを含む配合物をカバーするのが最適です。高容量システム (1000 ～ 2000 A/m²) は、イリジウムを 30 ～ 40% 増量することでより安定し、高電流レベルでの摩耗の加速を防ぎます。

この最適化により、各チタン陽極ロッドが目的に応じて最適なエネルギー効率、動作安定性、耐用年数を確保できるようになり、システム管理者に最高の投資収益率を提供します。