?工作壽命是衡量涂層鈦陽極性能的一個重要參數,可以借鑒前人的試驗數據對鈦陽極工作壽命進行預測。
意大利Bianchi教授提供的RuIrTi涂層電極在100A/dm2,0.5mol/LH2SO4時快速放氧壽命為60h,鹽水中電解時的放氯壽命為2300h。
倪懷祖(研究了Ir中間層,RuIrTi涂層電極在100A/dm2,0.5mol/LH2SO4中快速放氧壽命為470h,參考Bianchi的數據,則放氯壽命為18017h(2300*470/60≈18017)
陳康寧提供一個試驗數據,釕鈦涂層鈦陽極在0.5mol/L 下快速放氧壽命為800min以上,則在飽和氯化鈉溶液15-20A/dm2下,工作壽命為5年左右。
文獻[6]作者提供一個數據,在1mol/LH2SO4中,于1A/cm2下進行強化壽命試驗,強化壽命為4000min時,涂層鈦陽極在氯堿生產中使用壽命可達8年以上。
研究新涂層配方時,由于鈦陽極實際運轉壽命很長,往往都在幾個月,甚至幾年以上,因此不可能等到陽極運轉鈍化后,才獲得一個工作壽命數據。各國學者都在使用國際上通用的強化壽命試驗,又稱快速壽命試驗,即在大電流密度、苛刻電解介質中強化運轉,其鈍化時間稱為強化(快速)運轉壽命,它可以定性地判斷所研制的涂層鈦陽極實際工作壽命的長短。下面分四個方面來敘述這個問題。
1、強化壽命試驗條件
各國學者在進行強化壽命試驗時,對電解因素的選擇沒有一個統一的標準,現把收集到的資料匯總如下:
從上面資料可以看出,強化壽命電解因素為:電解液組分電解溫度、電流密度。
2、點解因素對強化壽命的影響
?。?)與硫酸質量濃度的關系。鈦陽極強化壽命與硫酸質量濃度的關系見圖4-1。強化壽命試驗條件為:60℃,1.5A/cm2。
從圖4-1可見,硫酸質量濃度范圍在1~300g/L時,鈦電極強化壽命幾乎不受硫酸質量濃度的影響。
圖4-1鈦陽極強化壽命與硫酸質量濃度的關系
(2)與電解溫度的關系。鈦陽極強化壽命與電解溫度的關系見圖4-2,強化壽命試驗條件:H2SO4 150g/L 1.5A/cm2 電解溫度升高,鈦陽極強化壽命縮短,從圖4-2可見,強化壽命在電解溫度為60℃時明顯短于電解溫度為40℃時。
圖4-2鈦陽極強化壽命與電解溫度的關系
(3)與電流密度的關系。強化壽命試驗條件:H2SO4 150g/L,60℃,電流密度范圍 0.01A-3A/cm2時,鈦陽極強化壽命與電流密度呈反比密度呈反比(見圖4-3)。
圖4-3鈦陽極強化壽命與電流密度的關系
有學者介紹了他們的研究成果,圖4-4表示了電解溫度、電流密度對強化壽命的影響。
圖4-4電解溫度、電流密度對強化壽命的影響
從圖4-4可見,電解溫度為40℃時,強化壽命為20000h,而電解溫度提高至60℃時,強化壽命為4000h,降至1/5。電解溫度對電極壽命影響很大。
電流密度為1A/cm2時,強化壽命為12000h,而電流密度提高至2A/cm2時,強化壽命為4000h,降至1/3。電流密度對電極壽命影響也很大。
鈦陽極鋼板鍍鋅實驗室試驗時,溫度、電流密度不變,分別為60℃,2A/cm2,電解液1mol/LNa2SO4,pH值為2的電極壽命,與電解液150g/L H2SO4相比較,壽命縮短10%。電解液組分對壽命影響小。
相同涂層鈦陽極在150g/L H2SO4,20℃下的強化壽命為270g/L Na2SO4,60℃下壽命的5~10倍。電解溫度對電極壽命起著重要作用。
本書作者對相同涂層(47號配方)鈦電極在不同濃度硫酸中進行強化壽命試驗時,使用0.5mol/L H2SO4及1 mol/L H2SO4。 通常人們以為1mol H2SO4濃度高、酸度大,電極壽命會短,其實不然。電解溫度相同(35℃),電流密度相同(3A/cm2),鈦電極放在0.5mol/L H2SO4中,強化壽命為218h;而放在1mol/L H2SO4中,強化壽命為288h,是前者的1.3倍。這可能與1mol/L H2SO4酸度大、導電性好、初始槽電壓低有關。1mol/ H2SO初始槽電壓為4.1V,而0.5mol/L H2SO4初始槽電壓為5.3V,盡管這樣,強化壽命相關不大,這說明硫酸濃度對強化壽命影響不大。
3、累計通電量和標準強化壽命
從上面的敘述知道,各國學者在進行強化壽命試驗時,選取的電解因素各不相同,而電解因素對電極強化壽命影響很大。這樣在進行涂層配方篩選試驗時,沒有辦法直接對比獲得的強化壽命數據。誰研制的涂層可以獲得更長的工作壽命,也無法說清。
為了進行比較ECardarelli介紹了“累計通電量”概念,即在強化壽命試驗時,單位面積累計通過的總電量,單位為 kA·h/m2。
IrTa氧化物涂層是公認的最優秀的析氧涂層,可獲得最佳的電催化活性和電化學穩定性。在研究IrTa涂層時,92號試片在1mol/L H2SO4,40度 4A/cm2 下連續電解運轉2928.5h(即122天)累計通電量達到 11.7x104A?h/cm2。
但是,累計通電量又與涂層使用銥金屬(Ir)量有關,即Ir涂敷量大,強化壽命長,累計通電量大。因此,作者推出一個新概念,用標準強化壽命綜合衡量電極性能和經濟性。強化壽命(快速壽命)試驗時,將獲得的單位面積累計通電量 換算為1g(Ir)/m2涂敷量的壽命,即為標準強化壽命,單位為104A·h/g(Ir)。我們在低Ir涂敷量(低于10g/m2)研究中,23號試片標準強化壽命達327.87*104A.h/g Ir損耗量0.3μg/(A·h)。
4、強化壽命試驗電解因素選擇的建議
張招賢曾建議涂層鈦陽極強化壽命試驗條件統一化、標準化。
如果把強化壽命試驗條件中各電解因素標準化,所獲得的強化壽命就可以直接進行對比,有利于科研人員相互交流。因此,對強化壽命試驗中各電解因素的選擇有如下建議:
(1)電解液組分:建議用1mol/LH2SO4。
(2)電解溫度:建議用40℃,60℃。
(3)電流密度:研究析氯涂層時,建議用 最好用2A/cm2;研究析氧涂層時,建議用3A/cm2、 4A/cm2、 5A/cm/2、6A/cm2,最好用4A/cm2。
電流密度要根據初始槽電壓來選擇,只要初始槽電壓不超過5V,就可以在這個大電流密度下進行強化壽命試驗。我們研究IrTa涂層時,強化壽命試驗條件為1mol/l H2SO4 ,40℃,電流密度為4A/cm2時,93號試片初始槽電壓為3.45V;5A/cm2時,槽電壓為3.9V;6A/cm2時,槽電壓為4.2V;8A/cm2時,槽電壓為4.9V。