チタンアノードと塩素の発生: 反応の仕組み

水処理エンジニアが現場での次亜塩素酸ナトリウムの生成について話すとき、-ある要素が常に話題になります。 チタン陽極棒。これはあらゆる電解槽の中心に位置しており、これがなければ塩素発生反応は現代の消毒システムが要求するとおりに実行できません。この記事では、その反応がどのように機能するのか、なぜアノード材料がそれほど重要なのか、そして信頼できる電極と予定より早く故障する電極を分けるものは何かについて詳しく説明します。

チタン陽極棒はどのようにして塩素発生反応を引き起こすのでしょうか?

塩素生成の背後にある電気化学メカニズム

単純な電気化学原理を使用して、電解次亜塩素酸ナトリウムが製造されます。直流電流がブライン溶液を流れると、塩化物イオンはアノード表面に向かって移動します。その表面での酸化プロセスで電子を放出し、塩素ガス (Cl₂) を生成します。ガスは陰極近くの塩基性溶液にすぐに溶解し、消毒に使用される次亜塩素酸 (HOCl) と次亜塩素酸イオン (OCl⁻) を生成します。

2 つの Cl- 原子は Cl2 と 2 つの e- 原子に変化します。次亜塩素酸ナトリウムは、液体 Cl2 が陰極で生成された水酸化ナトリウムと混合すると生成されます。プロセス全体は、アノード表面が塩化物酸化の最初のステップをどれだけスピードアップできるかによって決まります。

アノード材料が反応効率を決定する理由

工業環境では、この反応はすべての導電性材料で常に起こるとは限りません。

アノードは、過電圧を低く抑えながら、塩化物-と酸化性の高い環境で動作できなければなりません。これは、反応を促進するために理論上の最小値を超える追加の電圧が必要です。混合金属酸化物 (MMO) で覆われたチタン アノード ロッドは、塩素発生のために 40 ～ 80 mV の過電圧を生成する可能性がありますが、これは他のオプションよりも大幅に低くなります。過電圧を下げることは、使用可能な塩素 1 kg あたりに使用されるエネルギーの削減に直接つながります。

チタン陽極棒と陽極表面の塩化物イオン酸化

電極と電解質の界面で何が起こるか

アノード表面の化学的性質は非常に明確です。塩化物イオンが電極と溶液の接触点に達すると、層上の活性触媒サイトに付着します。ルテニウム-イリジウム MMO 層の二酸化ルテニウム (RuO₂) 部分は、Cl- 酸化プロセスの開始に必要なエネルギーを低下させるため、反応の触媒作用に非常に優れています。二酸化イリジウム (IrO₂) は、長期間の酸化中にコーティングの安定性を保ち、有用な塩素を生成せずに電流を消費してしまう競合する酸素発生反応 (OER) を停止します。

Journal of The Electrochemical Society に掲載された研究によると、RuO₂ と IrO₂ の混合酸化物コーティングは、塩水中で繰り返し電気分解した場合、電流効率とコーティングの安定性の両方の点で、単一成分の酸化物層よりも常に優れています。-

コーティング組成物が選択性をどのように形成するか

成功を測定する 1 つの方法は、塩素発生の選択性 (O2 ではなく Cl2 に流れる電流の量) に注目することです。温度と電流密度に応じて、よくできた MMO-チタン陽極棒濃縮塩水中で 85 ～ 95% 以上の塩素電流効率を得ることができます。この選択の多さは間違いではありません。イリジウムに対するルテニウムの量、コーティングの厚さ、および表面の形状がすべて連携して、水の酸化よりも Cl- の吸着が起こりやすくなります。高性能 MMO アノードは、これらのパラメータを最適化するため、標準製品とは大きく異なります。

MMO チタン陽極棒がどのようにして塩水中の塩素の発生を促進するのか

混合金属酸化物のコーティングは、塩化物を多く含む溶液と直接反応する密度の高い表面を形成します。酸化物格子には単位面積あたり多くの活性サイトがあり、これにより塩化物イオンと電極間の電荷移動ステップが高速化されます。

電気化学インピーダンス分光法の研究により、MMO で覆われたチタン電極は、同じブライン中で使用した場合、コーティングされていない、またはグラファイトで作られていない電極よりも電荷移動抵抗がはるかに低いことが示されています。{0}

-海洋防汚や工業用循環水処理などの高塩分濃度の状況では、MMO チタン陽極ロッドは、他の材料の機能を妨げる表面の汚れや酸化物不動態化を起こすことなく、塩素出力を一定に保ちます。

熱分解した MMO コーティングは多孔質の亀裂{0}}泥の形態をしているため、実際の活性表面積はさらに増加し​​ます。これにより、電極を大きくすることなく触媒のスループットが向上します。

チタン陽極棒の表面活性と次亜塩素酸ナトリウムの生成

界面活性と生成される次亜塩素酸ナトリウムの量は直接関係しています。表面活性が高い場合、単位面積あたり単位時間あたりにより多くの塩化物イオンが酸化されます。これは、より多くの Cl₂ が溶液に溶解し、より多くの HOCl/OCl⁻ が消毒されることを意味します。エンジニアリングのより困難な作業は、その動作を何千時間にもわたって継続し続けることです。

この問題は、触媒酸化物を 1 つの接触箇所に集中させるのではなく、複数の層に分散させる傾斜複合コーティング技術によって解決されます。内側の層は互いにくっついてストレスを軽減し、外側の層は触媒作用を発揮します。この構造は、塩化物-によって引き起こされる不動態化がチタンベースに到達する層間剥離や微小亀裂の広がりを防ぎます。

基材が不動態化すると、セル内の電荷が急速に増加し、エネルギー使用量が増加し、塩素の排出量が減少します。を構築する場合チタン陽極棒正しく言えば、このように分解されることはなく、高い表面活性が長期間維持されます。

チタン陽極棒が電気分解における安定した塩素生成をどのようにサポートするか

ピーク能力と同じくらい重要なのは、一貫性です。市の廃水処理プラントとスイミングプールを清潔に保つシステムは常に稼働しています。放出される塩素の量が変化すると、消毒の程度や規則への準拠度に影響します。

連続電解用に設計されたチタン陽極棒により、塩素生成速度は一定に保たれます。-これは、低く安定したセル電圧、高いコーティング密着性、およびベースの耐食性を組み合わせることで実現されます。

チタンの自然酸化層（TiO₂）は、塩化物が豊富な環境での腐食に対して非常に耐性があります。{0}}ただし、この酸化層は MMO コーティングの下で​​成長しすぎると問題になる可能性があり、これはパッシベーションと呼ばれます。

エッチング、表面粗化、中間結合層などの高度な基板前処理により、コーティングと基板が接触する部分での TiO2 の成長が阻止されます。その結果、何年も継続して使用した後でもセル電圧を狭い範囲に維持する電極アセンブリが得られます。これにより、単位エネルギー使用量は使用可能な塩素 1 キログラムあたり 3.2 ～ 3.8 kWh に保たれます。

結論

塩素の発生プロセスは簡単そうに見えますが、実際に行うのは非常に困難です。の表面では、チタン陽極棒、すべてのパフォーマンス変数が一緒になります。これらには、過電圧、電流効率、コーティングの耐久性、および基板の安定性が含まれます。この反応がどのように機能するかを理解すると、都市の水処理、プールの消毒、工業用循環水、海水の防汚に使用される電解次亜塩素酸ナトリウムを製造するには、慎重に設計された MMO コーティングを施したチタンが唯一の方法である理由がより明確になります。

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NAVI Titanium Metal Technology Co., Ltd. は、高塩分、強酸化性、24 時間連続の電解環境で機能するルテニウム-イリジウムでコーティングされた電極を製造しています。-専用としてチタン陽極棒サプライヤーである NAVI Titanium は、勾配コーティング技術、高純度の基板改質、界面触媒の最適化を利用して、8～10 年間使用でき、使用可能な塩素 1 kg あたり 3.2 kWh という低エネルギーの電極を製造しています。{0}プロジェクトで 50 g/h を処理できる小型ユニットが必要な場合でも、5,000 g/h を処理できる大型システムが必要な場合でも、NAVI Titanium にはそれを実現するスキルと能力があります。今すぐ連絡して、エンジニアリング チームにお客様のシステムに適した電極ソリューションを構築させてください。

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参考文献

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