Анод с формованным активным покрытием

Полезная модель относится к области электрохимических производств, в частности, к изготовлению составных магнетитовых анодов для процессов электролиза водных сред с рН=2-14 (промышленный электролиз, катодная защита от коррозии внешним током, очистка стоков). Задачей полезной модели являлось понижение внутреннего электрического сопротивления составного анода и стабилизация этого параметра в процессе эксплуатации. Технический результат достигается созданием промежуточного слоя между токоподводящей основой и оксидом Fе ₂O₄, обеспечивающего их сцепление, оптимальный токопередающий контакт и защиту от окисления. В состав промежуточного слоя входят гальванические покрытия и оловянно-свинцовый припой.

Полезная модель относится к области электрохимических производств, в частности, к изготовлению составных магнетитовых анодов для процессов электролиза водных сред с рН=2÷14 (промышленный электролиз, катодная защита от коррозии внешним током, очистка стоков).

Известен составной анод для электролиза щелочных растворов содержащий токоподводящую основу из титана и активное покрытие из магнетита (Fе₂O ₄), нанесенное плазменным методом [FR №2009337, от 30.01.1970 г.].

Известен составной анод для электролиза водных сред с активным покрытием, полученным нанесением смеси порошка магнетита с термопластичным полимером на токоподводящую основу из титана с последующей термической обработкой [SU №384209].

Ближайшим аналогом (прототипом) предложенной полезной модели является составной анод, состоящий из металлической токоподводящей основы с наклеенным активным покрытием из спеченного магнетита [US №515674 от 07.05.85].

Недостатком указанных устройств является достаточно высокое внутреннее электрическое сопротивление, возрастающее в процессе эксплуатации составного анода.

Задачей полезной модели являлось понижение внутреннего электрического сопротивления составного анода и стабилизация его в процессе эксплуатации.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Составной анод, состоящий из металлической токоподводящей основы (Ti, Аl, сталь) и активного покрытия из спеченного формованного магнетита, отличается от прототипа тем, что промежуточный слой имеет многослойную структуру,

включающий гальванические покрытия (медь и/или никель) нанесенные на основу и на магнетит, и легкоплавкий сплав (припой) между ними. Дополнительное отличие состоит в том, что активное покрытие анода выполнено формованным в кольца или пластины.

Внутреннее электрическое сопротивление (R_вн. ) составного анода суммируется из трех компонент: сопротивления токоподводящей основы, сопротивления активного покрытия и сопротивления контакта (R_конт.). Принимая во внимание малую скорость растворения магнетита (<0,1 мм · год ^-1 [RU №2169210 от 20.06.2001]), и относительное постоянство удельных электрических сопротивлений контактирующих материалов, легко придти к заключению, что наблюдаемый экспериментально рост величины R_вн. в процессе эксплуатации [Hayes M., Kuhn А.Т. - J. Appl. Electrochem., 1978, v.8, р.327-332], определяется изменением величины R_конт. , т.е. R_вн.=f(R_конт. ,). Этот факт подтверждается рядом экспериментальных работ [Фиошин M.Я., Смирнова M.Г. Электрохимические системы в синтезе химических продуктов. - M.: Химия, 1985. - 256 с.]. Существенное влияние на контактное электрическое сопротивление оказывает способ крепления активного покрытия к основе. Обусловлено это механизмом электронной проводимости магнетита. Перенос электронов в шпинельной структуре Fе₃O₄ осуществляется перескоками между разнозаряженными ионами железа, находящимися в октаэдрических междуузельях анионной подрешетки [Разина Н.Ф. Оксидные электроды в водных растворах. - Алма-Ата: Наука, 1982. - 160 с.]. Таким образом, поверхность магнетита не является однородной в части токопередачи. На поверхности оксида имеется некоторое число (N) активных токопередающих центров. Обеспечить оптимальный контакт, - это значит задействовать максимальное число таких центров: N(N_макс.). В этом случае достигается технический результат: R_конт.(R_конт.)_мин. .

Поскольку при плазменном напылении имеет место точечное приваривание активного покрытия к токоведущей основе [Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е., Солоненко О.П., Сафиуллин В.А. Нанесение

покрытий плазмой - М.: Наука, 1990. - 408 с.;], а при наклеивании не получается сплошной клеевой прослойки между склеиваемыми поверхностями, то устройства предлагаемые аналогами и прототипом не обеспечивают оптимальный токопередающий контакт на границе с оксидом Fе₃O ₄. Кроме того, при применении в качестве токоподводящей основы материалов, атомы, которых имеют электроотрицательность меньшую, чем у атомов железа (Ti, Аl, хромоникелевые стали), происходит их окисление кислородом активного покрытия [Якименко Л. М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. - М.: Химия, 1977. - 264 с.]. По мере накопления кислорода, в поверхностном слое основы образуются оксиды способные запирать анодный ток (формируется р-n переход), что сопровождается ростом величины R_конт.. Чтобы увеличить срок эксплуатации анода необходимо уменьшить динамику роста электрического сопротивления контакта: (dR_конт./d)0.

Достижение технических результатов: R _конт.(R_конт.)_мин. и (dR_конт./d)0 в полезной модели достигается созданием промежуточного слоя между токоподводящей основой и оксидом Fе ₃O₄, обеспечивающего их сцепление, оптимальный токопередающий контакт и защиту от окисления. В состав промежуточного слоя входят: оловянно-свинцовый припой (ПОССу 40-05, ПОС 61) и гальванические покрытия (Сu и/или Ni) спаиваемых поверхностей. Гальваническое покрытие оксида обеспечивает: оптимальный токопередающий контакт, прочность сцепления и паяемость [...]. Меднение или никелирование материала токоподводящей основы требуется для обеспечения хорошей паяемости и сцепления. Комплексный состав промежуточного слоя и присутствие в нем атомов с электроотрицательностью большей, чем у атомов железа, создают достаточно эффективную защиту материала основы от окисления.

Предлагаемый анод изображен на фигуре. Устройство включает: токоподводящую металлическую основу 1, активное покрытие из спеченного магнетита 2, формованного в пластины 2.1 или в кольца 2.2; промежуточный

слой включает: гальванические покрытия (медь и/или никель) 3 толщиной 50-200 мкм нанесенные на магнетит и основу, а также легкоплавкий сплав (припой) 4 между ними; стыки между отдельными элементами активного покрытия 5, заполненные эпоксидной смолой и пропиточным материалом; электрический кабель 6; узел соединения токоподводящей основы и электрического кабеля 7; герметик-заполнитель 8; гидрофобные прокладки 9; крышки из термореагирующей пластмассы 10.

1. Составной анод, применяемый для электролиза водных сред, состоящий из металлической токоподводящей основы (Ti, Al, сталь) и активного покрытия из формованного спеченного магнетита, отличающийся тем, что промежуточный слой имеет многослойную структуру, включающую гальванические покрытия (медь и/или никель), нанесенные на основу и магнетит, и легкоплавкий сплав (припой) между ними.

2. Составной анод по п.1, отличающийся тем, что магнетит формован в пластины или кольца.