涂层钛阳极抗锰离子污染性能研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 电极的发展史
• 1.2 DSA阳极的研究现状
• 1.2.1 DSA阳极的发展
• 1.2.2 DSA阳极的分类
• 1.2.3 DSA阳极制备方法
• 1.2.4 DSA阳极应用研究
• 1.3 阳极材料的一般性质
• 1.3.1 贵金属氧化物及相关化合物的一般性质
• 1.3.2 电极的电催化性能
• 1.4 电解防污技术
• 1.4.1 电解制氯原理
• 1.4.2 电解槽槽压组成
• 1.4.3 海水电解制氯技术的研究概况
• 1.4.4 海水电解技术发展前景
• 1.5 钌钛阳极工作及失效机理研究进展
• 1.5.1 钌钛涂层的导电机理
• 1.5.2 涂层钛阳极的失效机理研究
• 1.6 涂层的改进
• 1.6.1 目前存在的问题
• 1.6.2 钛阳极研究的发展趋势
• 1.7 阳极抗锰离子污染研究
• 1.8 选题意义及介绍
• 2 实验方法和测试分析
• 2.1 材料的准备
• 2.1.1 主要化学试剂
• 2.1.2 主要实验仪器
• 2.2 涂层钛阳极的制备过程
• 2.2.1 基体金属的选择
• 2.2.2 钛片的前处理
• 2.2.3 涂液的配制
• 2.2.4 涂液的涂刷
• 2.2.5 热分解法制备阳极涂层
• 2.3 阳极性能的测试方法
• 2.3.1 有效氯浓度和电流效率测试
• 2.3.2 极化曲线和循环伏安曲线测试
• 2.3.3 析氯电位和极化率测试
• 2.3.4 电化学交流阻抗谱
• 2.3.5 强化寿命测试
• 2.3.6 表面形貌观察（SEM）
• 2.3.7 X射线衍射结构分析（XRD）
• 2.3.8 表面成分分析（EPMA）
• 3 海水电解工艺条件对锰离子污染的影响
• 3.1 锰离子浓度对阳极涂层性能的影响
• 3.1.1 对有效氯浓度和电流效率的影响
• 3.1.2 阳极涂层的交流阻抗谱（EIS）表征
• 3.1.3 极化曲线表征
• 3.2 温度对锰离子污染的影响
• 3.3 pH值对锰离子污染的影响
• 3.4 电流密度对锰离子污染的影响
• 3.5 搅拌对锰离子污染的影响
• 3.6 本章小结
• 4 抗锰离子污染的阳极涂层的研究
• 4.1 钴系尖晶石结构涂层阳极研究
• 4.1.1 RuTiCo三元涂层阳极涂层制备
• 4.1.2 RuTiCo三元涂层阳极电化学性能表征
• 4.1.3 掺杂Ir、Sn对RuTiCoOx阳极涂层的影响
• 4.1.4 钴尖晶石结构涂层阳极抗锰离子污染性能
• 4.1.5 阳极涂层表面形貌（SEM）
• 4.2 金红石结构阳极涂层研究
• x阳极涂层性能表征'>4.2.1 金红石结构RuTiIrSnO_x阳极涂层性能表征
• 4.2.2 掺杂Pd元素对阳极涂层性能的影响
• 4.2.3 掺杂Mn元素对阳极涂层性能的影响
• 4.3 本章小结
• 5 锰离子污染的机理探讨
• 5.1 丹东电厂失效阳极分析
• 5.2 锰污染后的涂层阳极的表面分析
• 5.3 二氧化锰沉积的机理
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 次氯酸钠发生器GB 12176-90
• A. 电流效率的计算方法
• B. 有效氯浓度的化验方法
• C. 阳极强化寿命试验
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢