Титановые аноды: виды, характеристики и применение

Титановые аноды — нерастворимые электроды для гальванических процессов и электролиза. Основа из технического титана обеспечивает коррозионную стойкость, а активное покрытие (оксиды рутения, иридия или платина) — электрокаталитические свойства. Применяются в производстве хлоропродуктов, электрохимическом обезжиривании, осаждении металлов и обеззараживании воды.

Принцип работы титановых анодов в гальванике

В гальванической ванне титановый анод подключается к положительному полюсу источника постоянного тока. На аноде происходят окислительные реакции, а на катоде (обрабатываемой детали) — восстановление ионов металла с образованием покрытия.

Функции анода в электрохимическом процессе:

• подвод тока в электролит и равномерное распределение по поверхности деталей;
• поддержание окислительных реакций для стабилизации состава электролита;
• в случае растворимых анодов — возмещение убыли металла в растворе.

Титановые аноды работают как нерастворимые электроды. В отличие от растворимых (медных, никелевых, цинковых), они не загрязняют электролит продуктами анодного растворения и сохраняют стабильные геометрические размеры на протяжении всего срока эксплуатации.

Виды титановых анодов по типу покрытия

Тип активного покрытия определяет рабочие характеристики анода, область применения и стоимость.

Окисно-рутениевые титановые аноды (ОРТА)

Аноды ОРТА — наиболее распространённый тип для электролиза хлорсодержащих растворов. Активное покрытие состоит из оксидов рутения (RuO₂) и титана (TiO₂). Закладка рутения составляет 6,5–13 г/м² в зависимости от требуемого ресурса.

Технические характеристики ОРТА:

• максимальная анодная плотность тока — до 30 А/дм²;
• рабочий диапазон pH — до 10;
• температура эксплуатации — до +50 °C;
• типовые габариты — до 500×700 мм;
• основа — титан марки ВТ1-0 или ВТ1-00 по ГОСТ 19807-91.

Области применения: производство гипохлорита натрия, электролиз поваренной соли, обеззараживание воды, электрохимическое обезжиривание и полировка металлических поверхностей.

Окисно-иридиевые рутений-титановые аноды (ОИРТА)

Аноды ОИРТА (также обозначаются как ОРТА-И) содержат в покрытии дополнительно оксид иридия (IrO₂). Трёхкомпонентный состав обеспечивает повышенную коррозионную стойкость и увеличенный срок службы — до 8 раз по сравнению с двухкомпонентными ОРТА при эксплуатации в агрессивных средах.

Применяются в условиях, когда требуется максимальный ресурс: промышленные электролизёры большой мощности, системы водоподготовки с непрерывным режимом работы.

Платинированные титановые аноды

Платинированные аноды — титановая основа с покрытием из платины толщиной 2–5 мкм (в специальных случаях до 20 мкм). Сочетают электрохимические свойства платины с механической прочностью и коррозионной стойкостью титана.

Рабочие параметры:

• допустимая анодная плотность тока — до 75 А/дм²;
• стабильность в кислых электролитах;
• минимальное перенапряжение выделения кислорода и хлора.

Применяются в гальванических процессах осаждения драгоценных металлов (золочение, серебрение, родирование, палладирование), хромировании сложнопрофильных деталей, электродиализе и опреснительных установках.

Конструктивные формы титановых анодов

Форма анода выбирается в зависимости от геометрии гальванической ванны и характера обрабатываемых деталей.

Пластинчатые (листовые) аноды — плоские электроды из листового титана. Обеспечивают равномерное распределение тока при обработке плоских деталей. Толщина листа обычно составляет 1–2 мм.

Сетчатые аноды — изготавливаются из просечно-вытяжной или сварной титановой сетки. Преимущества: улучшенная циркуляция электролита, более равномерное электрическое поле. Особенность: при равных габаритах с пластиной сетка имеет меньшую активную площадь поверхности, что требует корректировки токовых режимов.

Трубчатые и стержневые аноды — для обработки внутренних поверхностей деталей, отверстий и полостей. Позволяют подвести ток непосредственно к труднодоступным участкам.

Аноды специальной формы — изготавливаются по чертежам заказчика для конкретных технологических задач: фигурные, конусные, с отверстиями под крепление.

Материал основы: марки титана по ГОСТ 19807-91

Для изготовления анодов применяется технически чистый титан марок ВТ1-0 и ВТ1-00. Оба материала обладают высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред.

Титан ВТ1-0 — содержание титана 99,24–99,7 %. Прочность выше, чем у ВТ1-00 (временное сопротивление до 590 МПа). Применяется в большинстве стандартных анодов.

Титан ВТ1-00 — содержание титана 99,58–99,9 %. Минимальное количество примесей обеспечивает лучшую пластичность и технологичность при изготовлении изделий сложной формы.

Химическая стойкость титана обусловлена образованием на поверхности тонкой оксидной плёнки (TiO₂), которая восстанавливается при повреждении в присутствии кислорода. Однако при анодной поляризации в кислых средах без защитного покрытия титан подвержен локальному разрушению, поэтому для работы в качестве анода требуется нанесение активного слоя из платиноидов или их оксидов.

Преимущества титановых анодов перед другими типами

Сравнение с традиционными анодными материалами.

По сравнению с графитовыми анодами:

• отсутствие механического износа и загрязнения электролита частицами;
• стабильность межэлектродного расстояния на протяжении всего срока службы;
• возможность работы при более высоких плотностях тока.

По сравнению со свинцовыми анодами:

• отсутствие токсичных продуктов растворения;
• меньшая масса при сопоставимых размерах;
• не требуют периодической зачистки поверхности.

По сравнению с растворимыми металлическими анодами:

• постоянство геометрических размеров — не требуется корректировка подвески;
• не образуют шлам, не засоряют электролит;
• длительный ресурс при соблюдении режимов эксплуатации.

Важное свойство титановых анодов с оксидным покрытием — отсутствие эффекта шелушения при интенсивной эксплуатации. Это критично при нанесении дорогостоящих покрытий из драгоценных металлов, где попадание посторонних частиц в электролит недопустимо.

Условия эксплуатации и ограничения

Срок службы титанового анода зависит от соблюдения рабочих параметров.

Анодная плотность тока. Превышение допустимых значений (30 А/дм² для ОРТА, 75 А/дм² для платинированных) приводит к ускоренному износу покрытия и разрушению анода.

Состав электролита. Присутствие фторид-ионов разрушает пассивную плёнку титана. В электролитах, содержащих HF или фториды, титановые аноды не применяются.

Температура. Для ОРТА рекомендуемый предел — +50 °C. Повышение температуры ускоряет деградацию оксидного покрытия.

Реверсирование тока. Кратковременное изменение полярности (анод становится катодом) приводит к восстановлению оксидов и разрушению активного слоя. В процессах с реверсивными режимами применяются специальные аноды с двусторонним покрытием повышенной толщины.

Области применения титановых анодов

Основные технологические процессы, в которых используются титановые аноды ниже.

Производство гипохлорита натрия — электролиз раствора поваренной соли. Применяются аноды ОРТА и ОИРТА в электролизёрах различной производительности.

Гальваническое производство — электрохимическое обезжиривание деталей перед нанесением покрытий, осаждение металлов из электролитов с нерастворимыми анодами (хромирование, никелирование из сульфаматных электролитов).

Электрохимическая полировка — придание металлическим поверхностям зеркального блеска путём анодного растворения микронеровностей.

Катодная защита от коррозии — титановые аноды с ММО-покрытием (Mixed Metal Oxide) применяются для защиты подземных и подводных металлоконструкций, резервуаров, трубопроводов.

Водоподготовка и обеззараживание — электролизные установки для получения активного хлора непосредственно на месте применения.

Формы поставки

Титановые аноды поставляются в следующих исполнениях:

• пластины (листы) различных размеров с односторонним или двусторонним покрытием;
• сетчатые аноды из просечно-вытяжной сетки;
• трубчатые и стержневые электроды;
• аноды по чертежам заказчика с учётом конструктива гальванических ванн;
• титановая основа без покрытия для последующего нанесения активного слоя.

Изготовление анодов производится по индивидуальным техническим требованиям. При заказе указываются: габаритные размеры, тип и плотность покрытия (г/м²), марка титановой основы, форма исполнения.

Хранение и транспортировка

Титановые аноды с оксидным покрытием хранятся в сухих помещениях при температуре от +5 до +35 °C. Не допускается механическое воздействие на активную поверхность — царапины и сколы покрытия сокращают срок службы.

Платинированные аноды требуют особой осторожности при обращении. Тонкий слой платины чувствителен к абразивному воздействию. Транспортировка осуществляется в индивидуальной упаковке с фиксацией от смещения.