涂层钛阳极抗锰离子污染性能研究

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针对电解海水防污工艺中钛阳极经常遇到的锰离子污染问题,首先分析影响锰离子污染的自然因素,然后根据涂层晶体结构和表面形貌分析,重点研究不同晶体结构阳极的电催化性能和抗锰离子污染性能,并初步探讨其机理。论文以实际存在的锰离子污染问题为基础,实验模拟锰离子污染的过程。通过对电极的电流效率、极化曲线、交流阻抗、循环伏安曲线的测试来表征其电催化性能,采用扫描电镜、电子探针点分析来观察锰沉积对阳极表面形貌和元素分布的影响,X-射线衍射分析方法分析阳极涂层的晶体结构。根据海水自然条件变化,论文首先分析了自然环境因素对阳极抗锰离子污染性能的影响。实验表明,(1)溶解在海水中的锰离子在阳极沉积,使得电解池槽压升高,电流效率降低:(2)温度对电极的影响很复杂,升高温度有助于阳极抗锰离子污染性能的提高,但温度升高使得阳极电流效率下降,并且加速电极的失效;(3)当溶液的pH值呈酸性时,电解制氯的电流效率较小,同时加速电极的失效;呈中性时,有较好的电流效率;呈碱性时,二氧化锰较易沉积在电极表面,使得电极电流效率降低,电催化活性减小。(4)电解过程中,电流密度越大,产生的有效氯浓度越大,抗锰离子污染性能较好,抑制了二氧化锰在阳极表面的沉积,但电流效率并不增大。但电流效率并不增大,抗锰离子污染性能较好,抑制了二氧化锰在阳极表面的沉积。(5)在搅拌条件下,由于次氯酸易分解,使得电解的电流效率下降,阳极的抗锰离子污染性能也下降,电催化活性降低。其次,实验对尖晶石结构涂层阳极、金红石结构涂层阳极进行了改性,以期提高其电催化性能和抗锰离子污染性能。实验结果表明,(1)添加Ir元素以后,提高了Ti/RuTiCoOx尖晶石结构涂层电化学性能,减少了涂层裂缝,降低了涂层的钝化速率,提高了阳极寿命,而添加Sn元素后阳极涂层性能没有显著提高;并且在抗锰离子污染实验中发现,添加Ir、Sn元素后的涂层电极在含锰离子的海水中电解电流效率较高。(2)金红石结构涂层阳极在含锰海水中电解电流效率较低,电解后阳极涂层电催化性能下降;掺杂Pd元素后该阳极涂层的析氯电位降低,在含锰海水中电解电流效率较高,电解后涂层仍然具有较高的电化学性能;掺Mn元素后,阳极涂层电化学性能下降,抗锰离子污染能力降低。最后,实验对实际运行失效的阳极分析,结果表明,海水中Mn2+的存在是导致钛阳极失效的重要原因。电解过程中,Mn2+在阳极表面形成MnO2沉积层,增大阳极表面电阻,降低了阳极的电流效率;另一方面,MnO2的形成也会影响阳极表面的电流的均匀分布,导致阳极涂层机械破裂,加速阳极涂层失效。
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