외부전원 시스템_Anode 일반

양극 반응

 

음극방식에서 여러 양극 재료가 사용됩니다. 흑연, 실리콘-크롬-철, 발티나이트 티타늄/나이오븀, 혼합 금속 산화물은 부식 공학자들이 Ground-Bed를 설계할 때 선택할 수 있는 몇 가지 재료입니다. 각 재료는 특정 환경에서의 성능에 영향을 미치는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 성능 특성은 환경마다 다양하며 모든 응용에 대해 검토되어야 합니다. 표면에서 일어나는 반응이 재료의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에, 이 토의는 주요 양극 반응을 간단히 검토하는 것으로 시작하겠습니다.

양극 표면에서 발생할 수 있는 많은 산화 반응이 있습니다. 양극 재료와 환경이 주로 지배하는 반응을 결정합니다. 양극 표면에서의 세 가지 주요 반응은 다음과 같습니다

 

• 금속 산화

• 산소 발생

• 염소 발생

 

희생 양극 재료의 경우, 주된 양극 반응은 일반적으로 금속의 산화입니다

 

M → M⁺ + e^-

 

중성 토양에서 금속 이온은 불안정하며 수분과 반응하여 수산화물이나 수화 산화물 및 수소 이온을 형성합니다.

 

M ⁺+ H₂O → MOH + H⁺

 

이 반응은 외부전원 양극에도 소모되는 정도에 적용됩니다.

수분/물의 염소 농도가 극히 낮은 경우에는 외전 양극에서의 주요 양극 반응이 산소 발생이 될 것입니다.

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-
4OH^- → 2H₂O + Ο₂ + 4e^-

 

전해질에 황상이온이 존재 할 때 비슷한 반응이 일어 납니다.

한 번 더 말하면, 산소가 방출되고 수소 이온이 형성됩니다.

염소 발생은 염화 이온이 존재할 때 인상전류 양극 표면에서 일어나는 반응입니다.

 

 

그런 다음 염소 가스는 물과 만나 하이포클로로오스와 염산을 형성합니다. 하이포클로로오스산은 다른 많은 산들만큼 이온화되어 수소 이온을 형성하지 않습니다. 따라서 염소의 발생은 양극 표면의 pH를 산소의 발생보다 낮춥니다. 코크가 인상전류 양극의 백필 재료로 사용되는 경우 양극 반응이 코크 입자 표면에서 발생합니다

 

 

코크 입자의 양극 소모는 양극 환경의 pH를 낮추는 데 기여합니다.

모든 주요 양극 반응은 양극 주변의 용액 pH를 감소시킵니다.

 

수산 이온에 대한 표준 산화환원 전위는 +0.40 [V] SHE이고 염화 이온에 대한 표준 산화환원 전위는 +1.36 [V] SHE입니다. 역학적으로 말하면, 양극이 두 이온을 포함하는 전해질에 편극된 경우 산소가 먼저 생성되고 그 다음에 염소가 생성될 것입니다. 이는 실제로는 반드시 사실이 아닙니다. 예를 들어 흑연의 경우 산소 발생에 대한 과전압은 염소 발생에 비해 훨씬 높습니다. 양극으로 편극된 흑연 양극은 먼저 염소를 생성할 것입니다.

 

질량 이동

 

전해질을 통한 질량 이동의 특성은 지하 응용에서 매우 중요한 요소입니다. 염소의 발생은 바다에서 산소 발생보다 더 선호됩니다. 이는 반응물(염화 이온)이 양극 표면으로 더 쉽게 이동하고 반응 생성물(염소 가스)이 산소 발생 반응과 비교하여 더 쉽게 이동할 수 있기 때문입니다. 하지만 이러한 상황은 지하에서는 종종 해당되지 않으며, 수분의 흐름, 이온의 이동 및 확산에 따라 달라집니다. 염화 이온의 고갈과 염화 이동의 제한은 산소 발생 반응이 우세해지게 합니다. 이 행동은 직접 관찰을 통해 확인되었습니다. 실제로 몇 일의 작동 후에는 양극 환경에서 pH가 1.0까지 떨어지는 경우가 발생할 수 있습니다. 지하 환경에서 카소딕 보호를 위해 사용되는 양극 재료는 따라서 산성 공격에 강하게 견디어야 합니다.

흑연

탄소 백필과 함께 지하에 설치된 흑연 양극의 만족스러운 성능은 잘 알려져 있습니다. 흑연은 염소 발생이 주된 양극 반응인 경우에 탁월한 성능 특성을 보입니다. 이러한 조건에서는 소비율이 상당히 낮아져 일반적으로 0.1에서 0.3 kg/A-yr의 범위에 떨어집니다. 흑연 양극 표면에서 산소 발생이 발생하는 경우, 탄소는 산화되어 이산화탄소를 형성합니다. 낮은 pH 및 고황산염 농도의 심한 조건은 소비율을 1 kg/A-year 이하로 접근하게 할 수 있습니다. 흑연은 비교적 부드러운 재료로 빠르게 흐르는 물에서 부식이 발생하는 곳에는 사용이 권장되지 않습니다. 양극이 캐비테이션이나 충돌 공격에 노출되는 경우 피해야 합니다. 약 50℃ (122°F) 이상의 온도에서는 소비율이 급격히 증가합니다. 흑연은 또한 부서지기 쉽고 설치 중에 조심스럽게 다뤄져야 합니다. 흑연은 매우 다공성인 재료입니다. 양극 반응으로 인한 내부 구멍에서 발생한 가스는 물질의 기계적 및 화학적 퇴화를 초래합니다. 때로는 양극의 연화와 팽창을 일으킬 수 있습니다. 흑연에 기름, 왁스 또는 수지를 처리하면 전해질의 침투가 줄어들고 기계적 강도가 증가합니다. 양극 표면에서 주된 반응이 산소 발생인 경우, 처리는 흑연의 퇴화를 대략 20% 감소시킵니다. 지하 환경에서 이동하는 지하수가 있는 경우, 흑연은 목과 연필 형태로 변할 수 있습니다. 이는 양극의 끝이 아닌 중심에서 전기 연결을 하는 것으로 보상될 수 있습니다. 중심 연결은 흑연 양극의 이용률을 현격하게 향상시킵니다. 탄소 백필에 설치되어 5에서 10 A/㎡의 전류 밀도에서 운전되는 경우, 흑연은 종종 지하 응용에 경제적인 선택입니다. 표 3.4는 흑연 양극의 장점과 단점을 나열하고 있습니다.

 

 

실리콘-크롬-철 크기

 

대형 실리콘-철은 실리코-페라이트의 매우 단단한 매트릭스로 이루어져 있으며 대부분의 탄소는 결정 경계에서 흑연 형태로 있는 구조입니다. 결정 사이에 흑연이 존재하면 합금 내에 고유한 약점이 생깁니다. 크롬을 합금화하면 흑연이 제거되어 합금을 강화시킵니다. 실리콘-크롬-철 전극의 성능은 양극 표면에 수분화된 실리콘 다이옥사이드의 얇은 층 형성에 매우 의존적입니다. 이 필름은 양극을 일부로부터 보호합니다. 보호 특성은 합금이 적어도 14.5% 실리콘을 함유할 때까지 완전히 발달하지 않습니다. 합금의 산화는 이 보호 필름을 형성하기 위해 필요합니다. 불순물이 없는 실리콘 다이옥사이드는 대략 1014 옴-센티미터의 전기 저항을 갖는 절연체입니다. 기작이 명확하지 않지만 산화에 의해 양극 표면에 형성되면 실리콘 다이옥사이드는 높은 전도성을 갖습니다. 실리콘을 실리콘 다이옥사이드로 산화하기 위해서는 수산 이온 및 수분 분자의 내부 확산이 필요합니다. 산화 반응은 필름의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있는 수소 이온을 생성합니다. 지하 응용에서는 산성 조건에서 양극 표면으로 물이 제한적으로 확산되므로 높은 전도성을 갖는 실리콘 다이옥사이드 필름을 형성하는 데 방해가 될 수 있습니다. 이것이 실리콘-크롬-철 양극의 저항이 때때로 카소딕 보호의 지하 응용에서 급격하게 증가하는 것으로 관찰되는 이유일 수 있습니다. 실리콘-크롬-철은 산성 용액에서 부식에 매우 내성이 있으므로 이러한 환경에 대한 좋은 양극 선택지입니다. 그러나 실리콘 다이옥사이드 필름은 알칼리 용액에서 용해되어 양극의 소모율을 증가시키고 성능을 제한할 수 있습니다. 황산 이온의 높은 농도를 포함하는 토양에서는 양극 표면에서 발생하는 반응이 실리콘 다이옥사이드 필름의 형성을 방해하거나 보호 특성을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 양극의 성능이 제한됩니다. 실리콘-크롬-철 양극은 흑연과 비교하여 취성이 있지만, 합금의 경도로 인해 양극이 마찰이나 침식으로부터 상대적으로 덜 손상됩니다. 탄소 백필과 함께 지하에 설치된 경우 흑연과 매우 유사한 성능을 발휘합니다. 백필 없이 설치되고 산소 발생이 주된 양극 반응인 경우, 실리콘-크롬-철 양극은 흑연보다 더 나은 성능을 보입니다. 흑연과 마찬가지로 양극의 전기 연결을 양극의 중심에 배치하면 이용률이 크게 향상됩니다.

 

 

 

백금 도금 티타늄 및 나이오브

 

음극방식 산업에서 사용되는 두 가지 가장 흔한 백금 도금 양극은 티타늄과 나이오브 기재를 사용합니다. 이 양극은 염소가 존재하는 환경에서도 양극화될 때 양극표면에 보호적이고 절연성 있는 산화층이 형성되기 때문에 주로 해수 및 기타 염화물 환경에서 사용되었습니다. 나이오브는 티타늄보다 비쌉니다만, 높은 전기 전도도를 갖고 있으며 고전압 붕괴 전압으로 보호적인 산화물을 형성합니다. 이 양극의 성능은 높은 전류 밀도에서 해수에서 잘 알려져 있습니다. 염소 발생이 주된 양극 반응인 경우, 백금의 소모율은 2.4 x 10^–6에서 1.2 x 10^–5 kg/amp-년 (5.3 x 10^–6에서 2.6 x 10^–5 pounds/amp-year)일 것입니다.

백금 도금 양극은 염화물이 양극으로 이동하고 제품이 양극에서 멀리 이동하는 빠른 이동성 때문에 해수에서 가능한 높은 전류 밀도에서 운전될 때에만 경제적입니다. 주된 양극 반응이 산소 발생인 경우 과전위와 IR 감소로 인해 더 높은 구동 전압이 필요합니다. 양극의 비용과 필요한 전력 양측면에서 지하 응용에는 일반적으로 경제적이지 않습니다.

지하 응용에서 백금 도금 티타늄 및 나이오브 양극의 성능을 분석할 때는 다른 환경에서의 이 재료의 제한 사항을 검토해야 합니다. 콘덴서 물 상자와 선체 경험을 통해 알려진바에 따르면 양극 표면에 양극화로 형성된 산화 망간은 산소 발생을 염소 발생에 우선시하여 성능에 악영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 산소 발생이 주된 반응인 경우 백금의 양극 용해 속도는 대략 10배 더 빠릅니다. 백금과 티타늄 또는 나이오브 기재 모두에 대한 산성 공격으로 인해 백금 도금 양극의 수명이 해수에서 관찰된 것의 10%로 단축될 수 있습니다. 양극 성능에 부정적인 영향을 미치는 다른 요인으로는 비료 형성, 생물 오염, 특정 유기 물질의 존재, 저주파 AC 리플 및 심지어 전류 반전의 단기간이 포함될 수 있습니다.

지하에 설치된 백금 도금 양극은 백필과의 전기적인 접촉을 제공하여 양극 반응의 표면으로 동작하지 않고 기능해야 합니다. 이것은 백필에 대한 압력이 충분히 높아야 하며 전류 밀도는 150 amp/㎡에서 300 amp/㎡로 제한되어야 한다는 것을 의미합니다. 토양과의 직접적인 접촉은 피해야 합니다. 일부 양극의 실패는 티타늄과 나이오브 기재의 부식으로 인한 백필에서 발생했습니다. 이는 지역적으로 높은 산도에서 비롯된 것으로 여겨집니다. 나이오브가 티타늄보다 산성 공격에 더 취약하다는 것을 기억해야 합니다.

백금 도금 재료가 깊은 양극 설치에 사용될 때 지역적 가열 및 산소 발생으로 인해 고용량의 용해 속도가 관찰될 수 있습니다. 희석된 염분은 일반적으로 깊은 양극 설치에서 발견됩니다. 일반적으로 염화 이온 농도는 해수의 약 15% 정도이며, 이는 백금 소비율이 훨씬 높아짐을 의미합니다. 양극 성능에 영향을 미치는 중요한 요소로는 수분 보유 계층의 존재, 해안 지역과의 근접 및 지층의 투수도가 포함됩니다. 일반적으로 염화물 농도가 더 높고 확산 속도가 클수록 염소 발생이 우세해지므로 양극이 더 잘 작동합니다.

 

혼합 금속 산화물 어노드

 

혼합 금속 산화물 어노드(차원 안정 어노드로도 불림)는 티타늄 기판에 전기 활성화된 코팅으로 이루어져 있습니다. 금속 산화물 코팅은 매우 전도성이 뛰어나며, 공기보호 어노드로 작동할 때 무게 감소가 극히 낮습니다(암페어당 1밀리그램 미만). 다른 모든 어노드와 달리 금속 코팅은 현장 설치 전에 통제된 환경에서 완전 산화됩니다. 따라서 이러한 전극은 토양 환경에서 양극화되었을 때 보호 필름의 형성에 의존하지 않는 독특한 이점을 가지고 있습니다.

이 어노드는 1969년 유럽에서 미국으로 소개되어 염소-알칼리 및 금속 제련 공정에서 널리 사용되었습니다. 1971년에는 협력하는 수중 및 해저 흙에 묻힌 상태에서 양극 보호를 위해 혼합 금속 산화물 어노드가 사용되었습니다. 이러한 초기 응용은 혼합 금속 산화물 코팅의 감지할 수 없는 마모 없이 계속 운영 중입니다. 1980년대 초에는 이 어노드가 탱크 및 파이프의 양극 보호를 위해 지하에 사용되었습니다.

혼합 금속 산화물 어노드는 심지어 pH가 1 미만인 환경에서도 산성 공격에 매우 저항합니다. 앞서 언급한 대로 이는 특히 양극 보호의 지하 응용에 있어서 매우 중요한 특성입니다. 100 암페어/m2 이상의 전류 밀도에서도 혼합 금속 산화물은 염소 발생에 대한 최소한의 초과전압(0.004 볼트/지대 전류)을 갖습니다. 다시 말해, 지배적인 양극 반응은 항상 고전류에서도 염소 발생이며, 산소 발생 및 산도 증가를 가져오는 어떠한 부차적인 반응도 금속 산화물 코팅에는 영향을 미치지 않습니다.

Table 3.7에는 혼합 금속 산화물 어노드의 장단점이 나열되어 있습니다.

 

전도성 폴리마

 

외부전원 시스템에 사용 가능한 여러 종류의 전도성 폴리머 소재가 있습니다. 미국 연방 고속도로 관리국은 촉매 결정 형성 액체 화합물을 개발했는데, 이것은 콘크리트 표면의 홈에 쏟아 넣거나 강화 콘크리트 보둘과 기둥에 분사할 수 있습니다. 다른 전도성 폴리머 어노드는 구리 도체 위에 압출된 폴리머로 이루어져 있습니다. 이 유형의 어노드는 다른 케이블처럼 다룰 수 있으며 콘크리트 표면에 포함되거나 토양에 묻을 수 있습니다.

전도성 폴리머 어노드는 비교적 낮은 전류 방출 한도를 가지고 있으며, 코크스 백필이 있는 토양에서는 약 1.3 A/m2(0.12 A/ft2), 물에서는 약 0.25 A/m2(0.023 A/ft2) 정도입니다.