涂层钛阳极

2017/10/28 祺鑫钛业 262

涂层钛阳极

一、基材:钛
      钛是一种金属元素,灰色,原子序数22,相对原子质量47.867。能在氮气中燃烧,熔点高。钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料,主要用于航天工业和航海工业。 由于钛具有熔点高、比重小、比强度高、韧性好、抗疲劳、耐酸碱腐蚀、导热系数低、高低温度耐受性能好、在急冷急热条件下应力小等特点,其商业价值在二十世纪五十年代开始被人们认识,被应用于航空、航天等高科技领域。随着不断向化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行业推广,钛金属日益被人们重视,被誉为现代金属、智慧金属、战略金属,是提高国防装备水平不可或缺的重要战略物资。

 

1、物理性质,纯金属钛呈银白色。和其他金属材料相比,钛的特点如下: 
      ①熔点高达1660度。
      ②钛在室温下(低于885度)呈密排六方晶格,而在高于885度时呈体心立方晶格,同时体积增大了5.5%。
        ③钛的密度约4.51g/cm3,是不锈钢的60%左右,超过铝,比铝大60%左右。 
      ④虽然纯钛的拉伸强度为350~700MPa,但一般的钛合金可达700~1200MPa,甚至达1400MPa。因此钛合金的比强度(即强度对密度的比值),比目前其他任何材料都大。 
      ⑤钛的比热、导热系数和电阻率与不锈钢在同一水平,但钛的膨胀系数较钢小50%。钛的导热性较差,导电性能也较差,近似于不锈钢。 
      ⑥钛的杨氏模量较不锈钢小,它能在较低的应力下弯曲。
        ⑦在200~300温度范围内遵循稳定的蠕变特性。 

2、化学性质 
      ①与酸作用在室温下,钛不易也无机酸反应,但加热后往可以反应。
        ②与碱作用钛与通常的碱溶液反应很慢,与稀的碱溶液不反应。
        ③与非金属作用在一般情况下,钛不太活泼,但在高温下,钛能直接同许多非金属元素生成很稳定、很硬并且难溶的填隙式化合物。
        4)吸气性钛的一个重要特性是能够强烈地吸收气体(氧、氮、氢)。钛和氧、氮的作用是不可逆的,因而钛是一种良好的吸气剂。钛中吸收的氢气在真空中加热到800~900度时可以从金属中排出。 
       5、机械加工性能钛的强度和密度之比高于铁和铝。它的强度比纯铁大1倍,比纯铝高5倍。 

二、钛电极 钛阳极全称叫钛基金属氧化物涂层钛阳极(MMO)。也叫DSA阳极(尺寸形状稳定型阳极)。它以钛为基板,在钛基板上刷涂贵金属涂层,使其具有良好的电催化活性及导电性。        与原始石墨阳极和铅阳极相比,钛电极具有以下优点: 
       1、电极尺寸较稳定,电解的过程当中电极间距离不会变化,确保电解操作在槽电压稳定的情况下进行; 
       2、催化活性高,工作电压低; 
       3、工作电压低,因此电能消耗较小,直流电耗可降低10%---20%; 
       4、钛阳极的工作寿命长,隔膜法生产氯气工业中金属阳极耐氯和碱的腐蚀,阳极的寿命已达5~7以上,而石墨阳极仅只有8个月而已; 
       5、可克服石墨阳极和铅阳极的溶解问题,避免了对电解液和阴极产物的污染,因而大大提高了金属产品的纯度; 
       6、可提高电流的密度,增加电解效率; 
       7、贵金属铱和钌的氧化物具有抗氧化性,因此钛电极的耐腐蚀性较强; 
       8、可避免铅阳极变形后的短路问题,从而可提高电流的效率;
         9、钛电极重量轻,较之石墨阳极和铅阳极可减轻劳动强度;
        10、钛基体形状及制作较容易,可高精度化; 
      11、在未受损伤的前提下,基体可以反复试用;

 

钛阳极分类: 
        1、按照在电化学反应中阳极析出气体来区分,析出氯气的称析氯阳极,如钌系涂层钛电极:析出氧化的称为析氧阳极,如铱系涂层钛电极和白金钛网/板。 析氯阳极(钌系涂层钛极):电解液中氯离子含量高,一般在盐酸环境及电解海水,电解食盐水环境。对应我公司产品为钌铱钛阳极,钌铱锡钛阳极。
         2、析氧阳极(铱系涂层钛电极):电解液一般为硫酸环境。对应我公司产品为铱钽阳极,铱钽锡钛阳极,高铱钛阳极。
         3、涂铂阳极:钛为基材。表面涂铂,涂层厚度一般为0.5-5μm,白金钛网网孔规格一般为12.5×4.5mm或6×3.5mm.

         

三、生产工艺流程简介 
        1、选择TA1牌号钛基材,确定基材表面光洁平整,无划伤、起皮、开裂、分层等缺陷。 
        2、对所选购钛基体进行机械加工,加工为客户所需要的规格尺寸。 
        3、以600℃的温度对钛基材进行退火校平处理。 
        4、退火校平处理时钛基材表面会形成致密的氧化钛层,以机械方式将其进行打磨,使其表面呈钛的金属光泽。 
        5、用10%浓度草酸对钛基材进行酸洗腐蚀,在微沸状态下进行10小时,使其表面氧化层蚀刻为氢化钛表面。
         6、按客户所应用阳极环境进行合理的贵金属溶液的定性和定量配置。 
        7、检测酸洗钛基材合格,即表层为灰色均匀的麻面结构,然后进行人工涂履,按设定合适的温度进行烧结,烧结出炉后自然冷却,冷却至常温时进行第二次涂履,依次类推,直至18~22余次将配置溶液涂履完。 
        8、以上加工件烧结完成后,以随炉试片进行寿命实验测试,测试合格包装发货。 

四、主要应用领域 
      1、氯碱工业氯酸盐工业次氯酸钠的电解生产 
       以电解食盐水溶液的方法抽取氯气、氢气和烧碱的化学工业称为氯碱工业,是现代电化学工业中规模最大的部门,在国民经济中占有重要的地位。 除以上外,进而还可以制取下游产品氯化氢、次氯酸钠、氯化石碏、聚氯乙烯(简称PVC Polyvinyl chloride polymer = PVC分子结构)、双氧水等。 氯碱生产中,以纯净的饱和食盐水为电解溶液,以钛电极为阳极,以铁网附石棉绒为阴极,阳极室产生氯气,阴极室产生氢气和氢氧化钠,提纯后广泛应用于各工业生产中。 钛阳极的应用极大地推进了氯碱工业的发展,是对电化学领域划时代的贡献,电极析氯催化活性高,对析氯反应具有良好的电催化活性、机械稳定性及化学稳定性,因而在当今氯碱工业中是不可取代的电极材料,使用寿命在五年以上。 
      2、电解功能水 
      功能水定义为通过人为处理,获得各种有用功能的水,电解水作为一种具有灭菌效果好,实用性强且无二次污染的杀菌处理技术受到欢迎。通过钛电极电解饮用水或微量淡盐水产生功能水,广泛应用于电解水机中。        ①利用电解产生次氯酸根、新生态氧、羟基自由基等具有强氧化性物质对微生物杀灭。 
      ②利用电解电极直接作用于微生物,使其死亡。 
      ③碱性离子水可直接治疗多种疾病,有效改善人体新陈代谢功能,消除有害的酸性代谢产物自由基,增强体质起预防和提高抗病能力的作用。
        ④酸性离子水具有抑制细菌生长、消毒、收敛的作用,效果与美容的收敛水相同,并应用强氧化性进行杀菌消毒处理。 
      3、次氯酸钠发生器、二氧化氯发生器电极制造。 
       次氯酸钠电解温度应维持在40°C以下,温度过高,NaClO会分解,降低Cl2的溶解度,不利于NaClO生成,溶液呈碱性,阳极O2增加,降低析氯的电流效率。电极距离选用3~10mm,极距减小可使槽压和电耗降。电流密度,使用涂层钛电极时为13~20A/dm2。次氯酸钠发器电耗一般约为3.7~7kW·h/kg。
      二氧化氯发生器,采用隔膜电解槽,电解氯化钠溶液,生成包括二氧化氯在内的混合气体,在水中溶解形成杀菌消毒液体。 次氯酸钠的分子式是ClO2,易溶于水,遇水分解,容易和水发生化学反应在水中的溶解度是氯的5-8倍。溶于碱溶液而生成亚氯酸盐和氯酸盐。 
       4、阴极保护 
      由于在海洋、船体、桥梁等钢材使用环境中,由于钢中杂质及微电池的腐蚀作用,加上复杂的自然环境,虽然选用耐蚀合金钢,并增加材料厚度涂制优良耐蚀油漆,但这些构筑物的腐蚀仍非常严重,极大的威胁安全生产,而阴极保护是对海洋中永久性钢构筑物进行有效保护方便而重要的措施。
       ①利用外加电流,使被保护金属结构的整个表面变成阴极,叫做外加电流阴极保护。 
     ②在需要保护的金属设备上连接一种电位更负的金属或合金,叫做牺牲阳极保护。 
      应用于以下领域: 
      1)淡水及海水中,防止船舶、码头、平台、闸门和冷却设备等的腐蚀。 
      2)碱及盐类溶液中,防止储槽、蒸发罐、熬碱锅等的腐蚀。 
      3)土壤及海泥中,防止管线及电缆等的腐蚀。 
      5、镀金、钢板镀锌镀锡 
      钛电极具有优良的导电性和耐蚀性,使用寿命比铅阳极高得多,可稳定工作4000小时以上,成本低,将是国内外电镀锌、锡生产发展的必然趋势。 钛电极目前在日本、美国、德国、国内使用,不仅大大节省电镀能耗,而且由于可以增大电镀电流密度,为生产厚镀锌、锡钢板创造了条件。
        6、有色金属提取 
       电解冶金在湿法冶金工业中占有很大的比重,采用电解冶金生产的有色金属包括Zn、Cd、Cu、Mn、Co、Ni、Cr等。
         电解冶金的优点是具有很高的选择性,可获得高纯金属,能回收有用的金属,因此可处理低品位的矿物及组分复杂的多金属矿,有利于资源的综合利用。另外,对环境的污染较小,生产较易连续化和自动化。 近些年来电解提取金属领域已广泛使用涂层钛电极,已成为第二个大规模使用钛电极的工业领域。
        7、电解铜箔 
      随着科技发展,自动化程度日益提高,推动了电子工业迅速发展。大型集成电路的应用使得电子及仪表工业对铜箔的需求量增加,对铜箔的质量要求也越来越高。 根据厚度,可分为105µm、70µm、35µm、18µm、12µm、9µm以及5µm等几种,其中12µm以下铜箔一般称之为超薄铜箔。 电解铜箔采用部分浸在硫酸铜溶液中不断旋转的金属辊筒作为阴极,连续电解产生箔材。国际上铜箔生产主要由日本控制,国内生产企业约十五家,产能在35000吨左右。
         8、污水处理 
       随着工农业的迅速发展和人口增长,人类排放的污水量急剧增加,致使许多水域都遭受到不同程度的污染,电化学处理污水分为直接电解和间接电解。
        ①直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除。直接电解可分为阴极过程和阳极过程。阳极过程指污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较低的物质或易生物降解物质,甚至发生有机物无机化,从而达到削减污染的目的,阴极过程是指污染物质在阴极表面还原而得以去除,主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。 
      ②间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂,使污染物转化成毒性更小的物质,间接电解可分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程指的是氧化还原物质在电解过程中可电化学再生和循环使用;不可逆过程指利用不可逆电化学反应产生的物质氧化有机物。 应用于印染废水处理、垃圾渗滤液处理、烘便污水处理、含氰废水处理、制药废水处理、医院污水处理、有机废水处理。
        9、蚀刻液再生及铜回收 
      蚀刻是印刷线路板生产中一个重要工序,随着蚀刻进行,废蚀刻液中含有大量的铜离子或其他金属离子,可通过电解的方式进行回收利用。通过此回收环节,企业不仅仅是以回收铜等金属增加经济效益,更重要的是排放达标和资源回收利用,具有长远的社会效益。 废液包括:酸性蚀刻废液、碱性蚀刻废液、低含铜废液、废定影液、废边框料、含镍废液、含金和钯的废液、废退锡水。 

五、电极使用注意事项 
       1、钛电极经氧化烧结完成后为黑色表面,不涂层表面呈蓝色不具有电极性能,黑色一面对应阴极使用。
         2、钛电极基体一旦酸洗完成,以后所有的生产加工工序及使用工序中,必须严格小心进行,挪运时戴干净手套卡住阳极两端或边缘处,最好接触在不涂层部分,涂层表面严禁任何异物划伤。 
       注:钛基体本身不导电,其外层涂履贵金属氧化物涂层才具有电催化活性、导电性、抗氧化性,但其厚度只有30微米左右,如遭到划伤或破坏,则在电解过程中,电极首先会从损伤处腐蚀,进而影响整个电极的使用质量和效果。 
      3、电解液保持稳定性,尤其不能含有氰离子和氟离子,这些杂质会严重腐蚀钛基体; 
      4、电解液进入电解槽前加过滤装置,不能含有直径大于0.1mm的金属粒子,以防止聚集过多而导致阳极阴极短路。
        5、电解回收铜、镍、金、银、钴等金属时,阴极附着物不得过厚,以防止极间距过小或者尖状金属生成导致阴阳极短路击穿。
        6、阴阳极间距可根据实际生产设定,一般在5-25mm。总体来讲,极距大会增加电压降,但不宜过小,否则阴极表面产生的阴极垢容易造成极板短路; 
      7、避免倒极使用。贵金属氧化物涂层一旦作为阴极使用,表面产生还原反应,易转变成金属单质,就无法与钛基有效的结合,造成涂层脱落。
        8、停机时不宜长时间以断电模式浸泡在溶液中,最好加载一个5A左右的小电流来保护极板。 
      9、停机或其他检修状况时,加稀酸或用清水清洗电极表面,但不得用尼龙或机械物质等冲刷。
        10、电解液工作时温度不宜过高,理想温度25-40℃,可加换热装置以保持电极最佳使用环境。
        11、正常工作电流密度2000A/m²以内,电流过大造成反应太激烈,缩短阳极寿命; 
      12、开机时,给电解槽加载电流时循序渐进,不要一次性升到位,停机时亦然。
        13、在生产使用当中保持阳极洁净,不能沾染油污或其他附着物,以免影响电解效果和电极寿命。


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