Електрод для обробки води методом електролізу та спосіб його виготовлення

Реферат: Винахід належить до виробів на основі карбіду кремнію, зокрема до електродів і способу їх виготовлення, і може бути застосований для обробки води електрохімічними методами. Запропонований електрод містить, мас. %: фаза вільного кремнію - 15-20; вуглець - 0,1-3 %; карбід кремнію - решта. Запропонований також спосіб виготовлення електрода, який включає виготовлення суміші з карбіду кремнію, вуглецю, що взяті в мас. %, відповідно до заявленого складу. Новим у способі є те, що спікання здійснюють при температурі 1900-2100 С з одночасним просочуванням заготовки кремнієм. Технічним результатом є підвищення електропровідності і електрохімічної стійкості електродів. UA 105544 C2 (12) UA 105544 C2 UA 105544 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до виробів на основі карбіду кремнію, зокрема до електродів і способу їх виготовлення, і може бути застосований для обробки води електрохімічними методами і, зокрема, може бути використаний при підготовці питної води в побуті та промисловості. Так, для очистки води методом електролізу часто застосовують графітові електроди. Відомий графітовий електрод для електрохімічної обробки води, що забруднена фенолами. Він виготовлений з графіту із використанням епоксидного зв'язуючого [Патент CN № 101302051, кл. C02F1/461, 2008]. Проте використання в ньому полімерного зв'язуючого обмежує термін експлуатації такого електрода із-за поступової деструкції (старіння) полімеру і руйнування матеріалу електрода. Відомий також анод для електроактиватора питної та лікувальної води, що виконаний з електропровідного матеріалу "Екосил". Цей матеріал містить графіт у кількості від 30 до 70 мас. % та додатково кремній у кількості від 5 до 70 мас. % [Патент України № 68051, кл. С02Р 1/46, 2004]. Недоліком цього анода є те, що в процесі електролізу води та хімічних речовин, що утримуються в ній, вода в катодній камері апарата очищення інтенсивно насичується іонами металів, що призводить до накопичення щільного осаду з гідроксидів металів на поверхні металевого електрода-катода за реакцією: + Ме + nОН  Ме(ОН)n Осад вкриває стінки катодної камери та діафрагму електролізера, а також сам катод. Очищення металевого катода в апараті очищення води утруднено внаслідок накопичення гідроксидів, що утворюються саме в шарі приелектродної води за наведеною вище формулою. Шар осаду, що накопичується на поверхні металевого катода, негативно впливає на роботу апарата для очищення води та потребує періодичного його видалення механічним способом. Найбільш близьким аналогом є електрод з боридів металів та вуглецю з вмістом карбіду кремнію, який містить до 40 % карбіду кремнію, до 40 % вуглецю і від 40 до 90 % бориду металу [СА № 1113427, кл. С25В11/04, С04В35/565, 1981]. Відомий спосіб виготовлення графітового електрода із використанням епоксидного зв'язуючого для електрохімічної обробки води, що забруднена фенолами, який включає змішування вихідних матеріалів, формування електрода, твердіння його, випалювання, активацію та повторне випалювання [Патент CN № 101302051, кл. C02F1/461, 2008]. Недоліком цього способу є використання полімерного зв'язуючого завдяки чому міцність буде низькою та обмежується термін експлуатації електрода через поступову деструкцію (старіння) полімеру і руйнування матеріалу електрода. Відомий спосіб виготовлення матеріалу для електродів електролізера, що містить порошки кремнію 79-20 %, графіту 20-79 %, решта - зв'язуюче. Як зв'язуюче взяті чистий крохмаль або олія та інші. Порошки перемішують, формують методом пресування. Електроди спікають в печі при температурі 1800-2100 °C [Патент Росії № 2282679, кл. С25В11/12, C02F 1/46, 2006]. Проте реально таким способом отримати матеріал з вмістом графіту та кремнію не можливо. По-перше, порошки не спресуються з використанням 1 % олії як пластифікатора. Подруге, в процесі спікання графіт з кремнієм будуть хімічно взаємодіяти з утворенням карбіду кремнію. По-третє, пресовка, яка містить до 79 % кремнію, при температурі вище 1550 С розплавиться. Найближчим аналогом способу є спосіб одержання електрода з боридів металів та вуглецю з вмістом карбіду кремнію методом порошкової металургії, який включає приготування суміші порошків з органічним зв'язуючим чи водою, формування електродів пресуванням або екструзією; спікання при температурах до 1500 °C в атмосфері азоту протягом 24 годин [див. патент СА № 1113427, кл. С25В11/04, С04В35/565, 1981]. Недоліками найближчого аналога є одержання електродів з великою пористістю, яка знижує їх електропровідність та міцність. Це обумовлено тим, що в процесі експлуатації такого електрода пори заповнюються осадом, який утворюється в процесі електролізу води. Це скорочує термін експлуатації електродів і потребує прискореної їх заміни. В основу винаходу поставлено задачу створити такий електрод для обробки води методом електролізу, в якому шляхом додавання реакційно спеченого карбіду кремнію досягається підвищення його електропровідності і електрохімічної стійкості. В основу винаходу поставлено також задачу створити спосіб виготовлення електрода для обробки води методом електролізу, в якому шляхом зміни режиму операції спікання досягається можливість силіціювання вуглецевої складової матеріалу парою кремнію, безпосередньої взаємодії твердого вуглецю з кремнієвим розплавом і дифузійного переносу розчиненого вуглецю через рідкий кремній з кристалізацією вторинного SiC. При застосуванні 1 UA 105544 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 методу електрохімічної обробки води (електролізу) це обумовлює підвищені електропровідність, електрохімічну стійкість електродів і підвищення якості води Для вирішення задачі запропонований електрод для обробки води методом електролізу, що містить карбід кремнію та вуглець, який, згідно з винаходом, додатково містить фазу вільного кремнію, при такому співвідношенні компонентів, мас. %: фаза вільного кремнію - 15-20; вуглець - 0,1-3 %; карбід кремнію - решта. Для вирішення задачі також запропонований спосіб виготовлення електрода, який включає виготовлення суміші з карбіду кремнію та 0,1-3 мас. % вуглецю, формування заготовки і її спікання, який відрізняється тим, що спікання здійснюють при температурі 1900-2100 °С з одночасним просочуванням заготовки кремнієм з розрахунку насичення вільним кремнієм в межах 15-20 мас. %. Кераміка з реакційноспеченого карбіду кремнію має достатню електропровідність (електроопір 1-12 Омсм), високу міцність і корозійну (хімічну) стійкість навіть до агресивних водних розчинів. Карбід кремнію підходить для забезпечення в процесах електролізу як катодних, так і анодних реакцій, що дає можливість використовувати його для використання в апаратах електролізу - як катодів, так і анодів. Карбід кремнію зменшує адгезію осаду з поверхнею електрода і, на відміну від металевих електродів, сприяє легкому видаленню осаду з поверхні електродів після процесу електролізу шляхом змивання водою. Фази вільного кремнію та вуглецю, що містить запропонована кераміка з реакційноспеченого карбіду кремнію, покращують електропровідність електрода, а також дають можливість корисного насичення води кремнієм. Вміст вільного кремнію повинен знаходитися в межах 1520 %. Зменшення вмісту кремнію нижче 15 % призводить до зниження електропровідності матеріалу електродів. Збільшення вмісту кремнію вище за 20 % хоча і зменшує електроопір матеріалу, проте знижує електрохімічну стійкість і експлуатаційні властивості електродів. Вуглець знаходиться в реакційноспеченому карбіді кремнію у вигляді дрібних включень між зернами карбіду. Вміст до 3 % фази вуглецю підвищує електропровідність карбіду кремнію. Збільшення вмісту вільного вуглецю вище за 3 %, внаслідок зміни структури матеріалу призводить до незначного збільшення електроопору, проте знижує електрохімічну стійкість електродів і, таким чином, їх експлуатаційні властивості. Для отримання електропровідної кераміки запропонованого складу була створена технологія реакційного спікання карбіду кремнію. Як вихідні матеріали для виготовлення електродів використовуються порошки карбіду кремнію та вуглецю (сажі, нафтового коксу та ін.). Масове співвідношення компонентів у вихідній шихті зазвичай складає: порошок карбіду кремнію до сажі 4,5:1. Регульований вміст фази вільного кремнію в реакційноспеченному карбіді кремнію обумовлюється щільністю пресовок. Для заданого складу шихти оптимальна пористість 3 і питома вага пресовки (1,9-2,0 г/см ) електрода визначається з врахуванням вмісту вуглецю в шихті. В процесі спікання електродів в діапазоні температур 1600-2100 С відбувається силіціювання вуглецевої складової матеріалу парою кремнію, безпосередня взаємодія твердого вуглецю з кремнієвим розплавом і дифузійний перенос розчиненого вуглецю через рідкий кремній з кристалізацією вторинного SiC. Після спікання пластини піддаються механічній обробці (зачищуються від шлаку, напливів кремнію) з наступним контролем властивостей. Приклад. Електроди були отримані за вище наведеною технологією Результати випробувань зразків електродів наведені в таблиці 1. Таблиця 1 № зразку 1 2 3 (за прототипом) SiC 87 77 Вміст компонентів, % Siвільн Cвільн 10 3 20 3 20 79 Електроопір, Омсм 5-10 2-5 Електрохімічна стійкість, цикли 2300 2500 5-10 1500 Примітки: Siвільн - фаза вільного кремнію у складі матеріалу Cвільн - фаза вільного вуглецю у складі матеріалу. 45 Як свідчать дані таблиці суттєвою ознакою винаходу є підвищення електропровідності (зниження електроопору) матеріалу електродів порівняно з прототипом, і таким чином, 2 UA 105544 C2 5 10 15 можливість зниження витрат електроенергії. Крім того, новий склад електродів дозволяє значно підвищити термін експлуатації. Слід відмітити, що запропонований фазовий склад електродів на основі реакційноспеченого карбіду кремнію забезпечується оптимізованою технологією реакційного спікання і може бути багаторазово відтворений, що відповідає критерію "промислова застосовність". Використання запропонованого електрода дозволяє: 1. Спростити конструкцію та виготовлення обладнання для електрохімічної обробки питної води завдяки використанню лише електродів з реакційноспеченого карбіду кремнію замість різних за матеріалами електродів (катода та анода), що застосовувалися у відомих апаратах для електричної обробки води. 2. Видаляти осад з елементів конструкції в катодній камері і з поверхні самого катода шляхом змиванням водою. 3. Здійснювати зміну полярності підключення електродів. 4. Забезпечити можливість застосування електрода поперемінно як анода, так і катода. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 1. Електрод для обробки води методом електролізу, що містить карбід кремнію та вуглець, який відрізняється тим, що він додатково містить фазу вільного кремнію при такому співвідношенні компонентів, мас. %: фаза вільного кремнію 15-20 вуглець 0,1-3 карбід кремнію решта. 2. Спосіб виготовлення електрода згідно з п. 1, який включає виготовлення суміші з карбіду кремнію та 0,1-3 мас. % вуглецю, формування заготовки і її спікання, який відрізняється тим, що спікання здійснюють при температурі 1900-2100 °C з одночасним просочуванням заготовки кремнієм з розрахунку насичення вільним кремнієм в межах 15-20 мас. %. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3