Угольный электрод: Страница не найдена | Всё о сварке

Содержание

Угольные электроды для сварки – характеристики и применение

Электроды этой группы используется реже, чем аналоги на основе металлических стержней. И все- таки в ряде случаев угольные электроды просто незаменимы. Когда ими лучше вести сварку, в чем специфика их применения – статья поможет детально разобраться со всеми особенности продукции.

Что представляет собой угольный электрод?

Это стержни круглого профиля, сечение которых варьируется в диапазоне (мм) 6 – 25, а длина – от 25 до 300. Исходным сырьем в производстве служат кокс, уголь, а также различные добавки в виде вяжущих (смолы, иногда деготь) и усиливающих компонентов (металлические стружка или порошок). Технология изготовления включает этапы подготовки исходной смеси, формовки стержней и последующей термической обработки заготовок.

Не стоит путать электроды угольные и графитовые. Разница между ними и по составу, и по стоимости, и по специфике использования.

Сфера применения угольных электродов отличается многообразием и операций, которые можно выполнять, и обрабатываемых материалов. С их помощью производится резка, подготовка отверстий, напайка (наплавка), а также сварка. Причем сортамент скрепляемых (раскраиваемых) образцов значительно больше, чем при использовании металлических аналогов одного типа. С этой точки зрения угольные электроды, безусловно, отличаются универсальностью применения.

С чем можно работать?

  •  Сталь.  Причем самая разная – нержавейка, низколегированные сорта, малоуглеродистые и так далее.
  •  Тяжелые и легкие сплавы  (к примеру, чугун, бронза). Для такой работы конец электрода затачивается на 65º.
  •  Цветные металлы.  Профессионалы при скреплении медных проводников сварку угольными электродами (с углом заточки 30º) предпочитают традиционной пайке. Такая технология однозначно позволяет добиться большей прочности соединения. А если учесть, что времени понадобится значительно меньше, чем при работе паяльником, припоем и кислотой, то преимущество налицо.

На рисунке показаны возможные типы соединений.

Особенность сварки угольными электродами состоит в том, что источник переменного тока подключается крайне редко. В основном, в промышленных сварочных установках-автоматах. Главная причина – неустойчивость дуги, которую нивелировать довольно сложно. На производстве для этого используются мощные соленоиды, создающие компенсирующее магнитное поле. При сварке ручной частично стабилизировать дугу можно нанесением вдоль линии реза специальных флюсов или паст.

При работе угольными электродами основным источником питания служит аппарат постоянного тока, причем способ подключения – прямая полярность («+» – на образце, «–» – на стержне). Достаточно 4±1 А, чтобы получить устойчивую электрическую дугу длиной до 5 см.

А вот полярность обратная (при неправильном подключении) приводит к тому, что температура электрода резко повышается, причем по всей его длине, происходит интенсивное выгорание угольной массы, снижается качество работы. Последнее объясняется тем, что изначально заточенный кончик стержня притупляется. Кроме того, длина дуги ограничена (не более 1,2 см), начинает «играть», а в металле образца повышается концентрация углерода.

Существенный плюс угольных электродов в том, что выгорание массы вещества (при прямом включении) происходит медленно, и стержень практически не прилипает к обрабатываемой поверхности даже при нарушении правил резки (сварки). Именно поэтому они рекомендуются к использованию как в процессе начального обучения, так и приобретения профессиональных навыков. Освоив все тонкости работы с ними, можно легко перейти на иные технологии.

Как правило, при возможности выбора методики сварка угольными стержнями ведется, если по местным условиям работать нужно лишь одной рукой, то есть без подачи в рабочую зону присадочной проволоки. Если производится сварка образцов толщиной не более 3 мм, то скорость работы резко повышается. Эта особенность технологии и учитывается при определении оптимального способа соединения заготовок в каждом конкретном случае.

Угольные электроды

Угольные электроды

Омедненные угольные электроды — это расходный материал для воздушно-дуговой строжки. Используются для пробивки отверстий, резки и строжки стали, чугуна и других металлов и сплавов. Дуга, горящая между изделием и электродом, расплавляет металл, а мощная струя воздуха, подаваемая строгачом, выдувает его и охлаждает угольный электрод.

Угольные электроды применяются в судостроительной, металлообрабатывающей и сталелитейной промышленностях. Незаменимо их применение при производстве металлоконструкций в агрегато- и мостостроении. Особо экономический эффект от использования омедненных угольных электродов виден при демонтаже крупных объектов. Омедненные угольные электроды для сварки резки строжки пробивки отверстий зажимается в строгаче.

Углеродистая сталь и низколегированная сталь, такие как astm a514 и a517

Используйте электроды постоянного тока с DCEP (положительный электрод). электроды переменного тока с трансформатором переменного тока может быть использован, но для этого применения, AC является только наполовину эффективнее, чем в Вашингтоне.

Нержавеющая сталь

Используйте электроды постоянного тока с DCEP (положительный электрод). Электроды переменного тока с трансформатором может быть использован, но для этого применения, переменный ток две раза эффективнее.

Чугун, включая ковкий и ковкий чугун (нодуляр)

Используйте электроды CCDC диаметром 12,7 мм или больше при наивысшей номинальной мощности тока. Используйте угол 70 ° от  и глубина строжка не должна превышать 12,7 мм за проход.

Медные сплавы (содержание меди 60% и менее)

Используйте электроды CCDC с DCEN (электрод отрицательный) Электрод имеет наивысший ток.

Алюминиевая бронза и алюминиевая никелевая бронза (морской пропеллерный сплав)

Используйте электроды CCDC с DCEN (электрод отрицательный) Электрод имеет наивысший ток.

Никелевые сплавы (содержание никеля более 80% от массы).

Используйте электроды CCAC с переменным током.

Никелевые сплавы (содержание никеля менее 80% от массы)

Используйте электроды CCDC с DCEP (положительный электрод) на Электрод имеет наивысший ток.

Используйте электроды CCDC с DCEP (положительный электрод) и до сварка, проволока щеткой в канавку.

Aluminium

Используйте электроды CCDC с DCEP (положительный электрод). Вы должны почистить щеткой из нержавеющей проволоки перед сваркой. Выталкивание электрода (длина электрод между резаком и заготовкой) не должен превышать 76,2 мм.

Титан, цирконий, гафний и их сплавы

Не режьте и не строгайте, чтобы подготовиться к сварке или переплавке, если вы не механически удалите поверхностный слой с поверхности выреза.

Примечание — При предварительном нагреве для сварки, предварительном нагреве для строжки

Графитовые электроды: применение, разновидности, свойства


Сварка угольным электродом

Угольные электроды для сварки применяются реже, чем аналоговые со стальным плавящимся стержнем. Но они в некоторых ситуациях просто незаменимы. К тому же с помощью угольного электрода можно проводить большой спектр работ: сварка, резка, плавка. Плюс им обрабатываются практически все виды современных металлов, от тугоплавких и тяжелых, до легких и пористых. Но вначале необходимо разобраться, что собой представляет угольный электрод.

Это стержень, в основе которого лежит уголь (кокс), плюс несколько добавок: в качестве связующего применяется смола, в качестве упрочняющего элемента металлический порошок. Размеры угольного электрода варьируются по диаметру от 1,5 до 25 мм, по длине от 25 до 300 мм. Процесс производства очень прост: изготовление смеси компонентов, формовка и сушка. Может возникнуть вопрос, почему такой большой разброс длины. Все дело в различных проблемах, которые решаются угольными электродами. К примеру, если свариваемые детали расположены в неудобном месте, то применение длинного стержня решает возникшую проблему.

Виды угольных электродов

Сегодня производители предлагают пять видов, которые отличаются друг от друга формой сечения.

  1. Круглые. Применение неограниченно. Диаметр стержня – 3,2-19 мм.
  2. Круглые бесконечные. Свое название получили за самый малый расход, то есть, это самые экономичные сварочные электроды этой категории. Диаметр – 8-25 мм. Обычно для проведения сварки применяется специальная машинка.
  3. Плоские. Сечение стержней прямоугольное (иногда квадратное) размером 8-25 мм. В основном используются для заделки дефектов на поверхностях стальных отливок.
  4. Полукруглые. Сечение – 10-19 мм. На сегодняшний день это самые востребованные электроды, с помощью которых можно решить любые проблемы, связанные с резкой металлических заготовок. При сварке шов получается необходимой формы. При формировании кромок им равных нет.
  5. Полые. Редко используются. Отличительная черта – с их помощью можно сформировать U-образную канавку. Диаметр стержня: 5-13 мм.

Чтобы увеличить прочностные характеристики расходников, в технологии их производства стал использоваться метод напыления на электроды медного порошка. Второй метод – электролитический. Это, когда в ванну с электролитов помещают и сам стержень, и медный порошок. Здесь под действием электрического поля медь оседает на плоскости расходника. То есть, получился подвид, который называется – электроды угольные омедненные. По типу разделения он точно такой же, как и обычные угольные электроды.

Режим сварки

Электрод угольного типа относится к категории неплавких элементов. Это и есть его основное отличие от основной категории металлических сварных стержней. Поэтому при сварке с его помощью используется только постоянный ток прямой полярности. То есть, минус присоединяется к электроду, плюс к металлической заготовке.

Получается так, что для сварки металлов с помощью угольного электрода потребуется присадочный элемент. Правда, не всегда. К примеру, по отбортовке тонких металлических заготовок или при некоторых вариантах сварки угловых стыков. Это и выгоднее, и удобнее. Необходимо добавить, что производительность сварочных работ при соединении листов толщиною 1-3 мм с использованием угольных электродов без применения присадочного материала в разы выше, чем при сварке обычными неугольными электродами.

Но тут есть один момент. При сварке две заготовки соединяются между собой путем расплавления самого металла. И такой шов очень прочным назвать нельзя. Поэтому данный вид сваривания лучше всего использовать для сборки неответственных конструкций.

Существует достаточно большая линейка присадочных материалов, которая применяется в этом виде сварки. Все будет зависеть от марки свариваемого металла. К примеру, для сварки меди лучше всего использовать бронзовый присадочный материал.

Очень важен и показатель сечения присадочной проволоки или пластины. Если оно будет большое, то есть вероятность, что сварочный шов будет не проварен, при небольшом сечении может произойти пережог. Поэтому выбор сечение производится в соответствии с толщиною соединяемых заготовок. Вот некоторые соотношения:

Толщина свариваемых заготовок, ммДиаметр присадочного прутка, мм
1,51,5
1,5-2,52
2,5-43
4-85
8-158
Больше 1510

Конечно, качество шва будет зависеть от того, какой силой тока производится сварка угольным стержнем. Зависимость в нижней таблице.

Толщина свариваемых заготовок, ммСварочный ток, А
2160-200
3210-260
4240-280
5260-300
6300-350
7300-360

Сварочный режим также зависит и от диаметра используемого электрода. Зависимость в таблице ниже.

Толщина свариваемых заготовок, ммДиаметр угольного электрода, мм
2-515
5-1018
10-1525

Особенности сварки

Существует два вида сварки.

  • Правый. Это когда электрод перемещается слева направо, а присадка за ним следом.
  • Левый. Стержень движется справа налево, а присадка перед ним.

Самое удивительное, что правая сварка угольным стержнем эффективнее в плане использования тепловой энергии в зоне сварки. При этом удобнее варить детали большой толщины. Да и скорость процесса больше на 20-25%. Но на практике чаще всего применяется именно левая технология.

И другие особенности.

  • Электрическая дуга очень чувствительна к различным внешним воздействиям: к ветру, к потокам разных газов, к магнитному влиянию и так далее. Поэтому сварку угольными электродами нужно проводить в закрытых помещениях.
  • КПД этого вида сварки ниже, чем у процессов, где используются металлические плавящиеся электроды.
  • Плавку угольными стержнями провести невозможно, потому что температура плавления и температура их кипения практически одинаковы: Тпл=3800С, Ткип=4200С.

Использование угольных электродов для сварки медных проводов – один из основных вариантов применения. Особенно ими производится соединение электрических медных шин в трансформаторных подстанциях. Как показала практика, другие способы малоэффективны. В домашних же мастерских угольные электроды используются в основном для резки металлов. То есть, это происходит чаще, чем сваривание. Все дело в условии и возможностях мастерской.

Поделись с друзьями

0

0

0

0



Электродуговая сварка никеля угольным электродом

Такой способ сварки не создаёт каких-либо трудностей. Но, металл при этом насыщается электродом, что крайне нежелательно для никеля. Поэтому, по возможности рекомендуется использовать металлический электрод. Угольным электродом, сваривают, в основном, сплавы на основе никеля.

Флюсы при сварке угольным электродом применяют тех же марок, что и при газовой сварке никеля. Процесс сварки ведут электродами диаметром 6-8 мм. Сварочный ток прямой полярности, постоянный. Сила тока 120-140А. Напряжение электрической дуги 22-26В. Угольные электроды применяются при сварке никеля малой толщины. Для больших толщин их не используют.

Угольный электрод. Его отличительные особенности

Как показывает статистика и отзывы пользователей, на сегодняшний день более широким спросом пользуются электроды со стальным плавящимся стержнем. Однако, в отдельных случаях, для сварки просто необходим угольный электрод. При помощи такого стержня можно выполнять сварку, резку, плавку. О том, что такое угольные электроды и в чем их преимущества вы узнаете из этой статьи.

Содержание статьи

Свойства и предназначение

Сварочный угольный электрод — это такой стержень, ключевым компонентом которого является уголь (кокс). Помимо этого в его состав входят некоторые добавки, среди которых: смола, выступает объединяющим звеном, металлический порошок – придает изделию прочность. Габариты такого электрода по диаметру находятся в промежутке от 1,5 до 25 мм, а по длине – от 25 до 300 мм. Изготавливаются изделия очень легко: изначально создается состав из всех компонентов, затем происходит процесс формовки, и заключительный этап – сушка.

Нужно сказать, что применение описываемых изделий нашло себя во многих строительных работах.

Чаще всего применяется угольный электрод для сварки металлов, для выполнения воздушной духовой резки металлов и иных действий.

Специалисты, выполняющие сварку на профессиональном уровне, отмечают, что описываемые стержни могут применяться для работы не только с медью, но и с некоторыми другими изделиями:

  • сталь разных сортов, сюда входит и нержавейка, низколегированная, в которой содержится небольшое количество углерода,
  • тяжелые и легкие сплавы, например бронза, чугун. Но в случае выполнения работ с этими материалами, необходимо заточить окончание электрода под углом 65 градусов,
  • всевозможные цветные металлы. Кстати следует знать, что здесь можно получить достаточно качественное и надежное соединение, чего нельзя достичь методом обычной пайки. И сам процесс работы по времени будет менее продолжительным.

Разновидности угольных электродов

Для повышения прочности расходных материалов, в процессе их изготовления начали применять технологию напыления на электроды медного порошка. Другой способ – электролитический. Он подразумевает собой помещение в ванну с электролитом и самого стержня и медного порошка. Под воздействием электрического поля медь оседает на плоскости расходника. Исходом данной процедуры является образование омедненного угольного электрода.

В настоящее время, электрод угольный омедненный выпускается в пяти основных модификациях, которые различаются между собой по форме сечения:

  • круглые, у таких изделий диаметр стержня равен 3,2-19 мм;
  • круглые бесконечные, за этим видом наименование закрепилось благодаря его экономичности. То есть в процессе сварки его расход минимальный, если сравнивать его с другими существующими разновидностями;
  • плоские, здесь сечение стержней выполнено в прямоугольной форме (в редких случаях в квадратной), размер равен 8-25 мм. Чаще всего применяются для заделки дефектов на поверхностях отливок из стали;
  • полукруглые, у данных изделий сечение составляет – 10-19 мм. В настоящее время они считаются самыми распространенными и пользуются наибольшим спросом. Посредством полукруглых электродов можно решить любые проблемы, которые касаются резки металлических заготовок. В процессе сварки вы получите шов, который приобретет нужную форму;
  • полые, применяются нечасто. Характерная черта – используя данный вид электродов можно сформировать U-образную канаву. Диаметр стержня составляет 5-13 мм.

На заметку! Некоторые пользователи отмечают, что когда не было возможности приобрести угольный электрод, а сварку нужно было производить срочно, использовали угли из батарейки.

Однако, такая процедура скорее всего не обвенчается успехом. Если ваша цель — получение качественного и прочного шва, то лучше купить готовое изделие.

Режим сварки

Угольный электрод для сварки входит в категорию неплавких электродов, что и отличает его от других металлических стержней. Таким образом, осуществляя сварочные работы с таким изделием, можно применять исключительно постоянный ток прямой полярности. Это означает, что минус подсоединяется к электроду, а плюс к заготовке из металла.

В определенных ситуациях для сварки необходимо использовать присадочный элемент. Например, при отбортовке тонких металлических заготовок. Такая процедура будет более выгодной и простой. На рынке представлен большой выбор присадок, которые используются при таком виде сварки. Например, если вы работаете с медью, лучше отдать предпочтение бронзовому присадочному материалу.

Также следует обращать внимание на параметры сечения присадочной проволоки или пластины. Если оно больше, то существует риск того, что шов не проварится. При недостаточном сечении – наоборот можно его пережечь.

Совет! Выбирая для сварки электроды угольные омедненные, выбирайте присадочный материал, опираясь на толщину соединяемых заготовок.

Принцип сварки

Выделяется два метода сварки в процессе работы с угольным электродом:

  • правый, он подразумевает собой перемещение электрода справа налево, а присадка идет сразу за ним$
  • левый, в такой ситуации стержень движется слева направо, а присадка – перед ним.

Правая сварка считается более действенной, в плане применения тепловой энергии в участке сварки. Таким способом удобнее производить сварку деталей большой толщины. Да и скорость самого процесса выше примерно на 20-30%. Однако на практике сварщики отдают большее предпочтение левой технологии.

Подводя итог следует сказать, что чаще всего угольные электроды применяются для сварки медных проводов, в домашних условиях они нашли свое применение в резке металлов.

[Всего голосов: 2 Средний: 1.5/5]

Виды угольных электродов

Электроды угольные сварочные представлены на рынке в нескольких различных вариантах:

  • Омедненный круглый – используется в различных сферах и может иметь диаметр от 3,2 до 19 мм.
  • Бесконечные омедненные – являются весьма экономными и значительно сокращают свой расход. Их работа практически безотходна. Чтобы ими было удобнее пользоваться, используется специальная машинка. Сечение у данных изделий является круглым, а диаметр начинается от 8 до 25 мм.
  • Плоские омедненные – имеют квадратное или прямоугольное сечение. Имеют сечение от 8 до 25 мм, хотя под заказ можно сделать электроды и больших размеров.
  • Омедненные полукруглые – из всех разновидностей являются наиболее широко употребляемыми. С одной стороны у них плоское сечение, а с другой – круглое. Таким образом, он может решать любые проблемы с резкой металла. С его помощью можно сформировать канавку требуемой формы. Размеры сечения колеблются от 10 до 19 мм.
  • Полые омедненные – используются для строжки и могут формировать канавки U-образной формы. На рынке встречаются достаточно редко и диапазон диаметров здесь составляет от 5 до 13 мм.

Размеры угольных электродов

Для каждой из разновидностей, будь то угольные электроды омедненные или другие, имеются свои номинальные размеры.

РазновидностьРазмеры, мм
Омедненный круглый3,2; 4; 5, 6,5; 8; 9; 9,5; 10; 13; 16; 19.
Бесконечные омедненный8; 10; 13; 16; 19; 25.
Плоские омедненные8-8-305, 10-5-305, 15-5-305, 20-5-355, 25-5-355, 20-6-355.
Омедненные полукруглые3-6.5-355, 10-5-355, 16-8-355, 19-9.5-355
Полые омедненные5; 6,5; 8; 9; 13.

Сварка угольным электродом

Угольные электроды изготавливают из аморфного электротехнического угля в виде стержней круглого сечения диаметром от 6 до 18 мм, длиной 250—700 мм с гладкой черной поверхностью. Для сварки пригодны только сплошные электроды, т. е. без канала внутри. Конец электрода затачивают под углом 60—70°, а для сварки цветных металлов — 20—40°.

Процессу сварки угольными электродами присущи такие особенности:

  • температуры плавления и кипения угольных электродов весьма высоки и настолько близки (Тпл = 3800 °C, Ткип = 4200 °C), что практически процесс плавления не удается наблюдать, видно лишь медленное испарение, чистый углерод имеет Тпл ≈ 3500 °C, Ткип = 3467 °C, поэтому он не плавится, а возгоняется;
  • сварку угольными электродами можно вести только на прямой полярности (минус на электроде). При обратной полярности наблюдается недостаточно устойчивое горение дуги, неудовлетворительное формирование шва, происходит науглероживание наплавленного металла, электрод сильно разогревается на большой длине, что приводит к увеличению его испарения;
  • коэффициент полезного действия дуги при сварке угольным электродом значительно ниже, чем при сварке металлическим плавящимся электродом;
  • дуга в процессе сварки чувствительна к различным внешним воздействиям, потокам газов, ветру и т. п., а также сильно поддается магнитному дутью.

Вместе с тем угольные электроды успешно применяют для сварки тонколистового металла, заварки дефектов литья, сварки цветных металлов и наплавки твердых сплавов.

В настоящее время используют следующие способы сварки угольным электродом тонколистового металла:

  • без присадочного материала;
  • с подачей присадочного материала в дугу;
  • с предварительной укладкой присадочного материала.

Сварка без присадочного материала — это наиболее простой способ, который получил наибольшее распространение. Он заключается в оплавлении дугой кромок свариваемых деталей. Этим способом сваривают листы при бортовых, угловых и нахлесточных соединениях. Причем производительность сварки при толщине листов 1—3 мм может быть значительно выше производительности ручной сварки покрытыми металлическими электродами. Без присадочного материала

успешно сваривают уголки, швеллеры и другие профили, в которых шов образуется за счет расплавленного металла кромок или полок. Сварка стыковых соединений этим способом дает ослабленный шов, и поэтому его можно применять только лишь в тех случаях, когда шов не будет подвергаться значительным усилиям.

Характерные типы сварных соединений, которые можно выполнять этим способом, показаны на рис. 1.

Рис. 1. Характерные типы сварных соединений без присадочного материала: а — стыковое соединение листов толщиной 1—2 мм с отбортовкой кромок; б — присоединение штампованного днища к обечайке; в — соединение кожухов, емкостей и т. п.; г — угловое соединение; д, е, ж, з, и — различные виды соединений из уголков, швеллеров и листов, соединение внахлест

Сварка тонких листов с подачей присадочного материала в дугу ведется по схеме, приведенной на рис. 2. Сварщик в левой руке держит присадочный пруток, а в правой — держатель с угольным электродом. Факел дуги направляют на конец присадочного материала, и этим предупреждают прожоги при сварке тонких листов. Такой способ рекомендуется для сварки стальных листов толщиной 0,3—1,0 мм.

Рис. 2. Сварка тонких листов с подачей присадочного металла в дугу

Он дает также хорошие результаты при заварке дефектов литья и при сварке цветных металлов.

Сварку с подачей присадочного материала в дугу можно выполнять «левым» и «правым» способом. При «левом» способе (рис. 3, а) присадочный пруток раз

Рис. 3. Сварка с подачей присадочного материала в дугу: а — левый способ; б — правый способ

мещают между электродом и основным металлом, пламя дуги направлено на основной металл. При «правом» способе (рис. 3, б) присадочный пруток размещают между наплавленным валиком и угольным электродом, пламя дуги направлено на расплавленный металл.

При «правом» способе нагрев более концентрированный, чем при «левом», что позволяет производить сварку на больших скоростях. Однако при «правом» способе велика вероятность прожогов.

На практике чаще применяют «левый» способ, а «правый», как правило, используют при сварке металла больших толщин.

Сварку с предварительной укладкой прутков или полосок применяют при выполнении стыковых и угловых швов из листов большой толщины (рис. 4). При этом получается усиленный шов за счет сплавления кромок свариваемых листов и присадочного прутка.

Сварочный ток подбирают в зависимости от толщины металла и вида сварного соединения; диаметр электрода — в зависимости от толщины свариваемых листов с таким расчетом, чтобы электрод не разогревался по всей длине до светло-красного каления, которое вызывает его быстрое испарение, растекание и расход.

Примерные режимы сварки соединений низкоуглеродистой стали угольными электродами приведены в табл. 1.

Рис. 4. Сварка с предварительной укладкой прутков или полосок: а — односторонний стыковой шов с укладкой прутка; б — односторонний стыковой шов с укладкой прутка и подкладкой под шов полоски; в, г — односторонний угловой шов с укладкой прутка; д — односторонний стыковой шов с укладкой полоски и подкладкой под шов полоски; е — двухсторонний стыковой шов с укладкой с обеих сторон полоски; ж — двухсторонний стыковой шов с укладкой полоски в зазор между свариваемыми листами

Таблица 1. Режимы сварки соединений из низкоуглеродистой стали угольными электродами

Вид соединенияТолщина металла, ммСила тока, АДиаметр электрода, ммСкорость сварки, м/ч
Односторонний стыковой шов22001020
33001220
Односторонний угловой шов21501020
32501015
С отбортовкой кромок11301030
22001040

Увеличение плотности тока можно допускать при использовании графитовых электродов. Графитовые электроды изготавливают из кристаллического углерода — графита. Цвет графитовых электродов темно-серый с металлическим блеском. Они мягкие, легко режутся, при сварке дают лучшие результаты, чем угольные. Благодаря высокой электропроводности и стойкости против окисления они медленнее испаряются и более стойки против растрескивания. При использовании графитовых электродов можно повысить силу тока в 2,5—3 раза по сравнению с угольными электродами. Это позволяет пользоваться более тонкими и удобными в работе электродами. Ориентировочные режимы сварки соединения при отбортовке кромок с использованием графитовых электродов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Режимы сварки соединений при отбортовке графитовыми электродами

Толщина металла, ммДиаметр электрода, ммСила тока, АСкорость сварки, м/ч
1,5590—10045
26125—13540
2,56—8100—25035
36—8250—27533

При сварке тонких листов угольным электродом наружный вид шва лучше, чем при сварке покрытым металлическим электродом. Механические свойства сварных соединений практически находятся на уровне свойств основного металла. Сварку угольным электродом успешно можно применять и для сварки цветных металлов, и для наплавки твердых сплавов. С этой целью используют дугу косвенного действия. Дуга возбуждается между двумя угольными электродами.

Сварку ведут на переменном токе на режимах, приведенных в табл. 3.

Таблица 3. Режимы сварки угольными электродами при использовании дуги косвенного действия

Вид сварки и материалыТолщина свариваемого элемента, ммСила тока, А
Сварка свинца, медных листов и сплавов алюминия0,3—0,615—30
Сварка нержавеющей стали, медных листов и сплавов алюминия1—325—50
Нагрев металла, пайка твердыми припоями, наплавка твердых сплавов60—150

технология, особенности, как выполнить своими руками

Технология сварки угольными электродами встречается достаточно редко. Это связано с узкой спецификацией угольного присадочного материала. Из-за своей структуры он не плавится под воздействием высоких температур.

Это ограничивает его применение сваркой цветных металлов и чугуна. Однако помимо короткого списка сварочных работ, угольный присадочный материал можно использовать для другого типа обработки – строжки.

Строжкой называется методика разрезания металлических поверхностей. При этой методике проводится резка на частичной глубине полотна детали.

Эта статья детально рассмотрит оба вида обработки металла с помощью угольных электродов: сварку и строжку.

Содержание статьиПоказать

Общая информация о сварке угольными электродами

Этот тип сварки используется достаточно редко. Структура основы материала не подходит для сваривания большинства металлов. Однако есть сплавы, в работе с которыми он проявляет себя хорошо.

Это цветные металлы, низкоуглеродистая сталь или чугун, толщина которого не превышает 3 мм. А также при спайке проводов из меди.

Ключевой показатель этого материала заключается в том, при воздействии высоких температур он не плавится. Происходит лишь плавка и испарение медного покрытия поверхности присадочного материала.

Из-за такой структуры смешения присадочного материала с металлом детали не происходит. Это дает минимальны расход стержня, а для сварщиков, работавших с плавящимся типом – непривычные характеристики процесса.

Сваривание металлических поверхностей при применении неплавящихся присадочных материалов происходит смешением металла самих деталей. Под воздействием высоких температур края детали расплавляются.

Расплавленный металл заполняет сварочный стык, формируя полотно шва.

В случае, если размер зазора между деталями не позволяет формировать надежный шов только за счет смешения основных металлов, для соединения используется присадочная проволока.

Описание технологии

В начале работы (как перед сваркой, так и перед строжкой) всегда проводится подготовка. Она включает в себя зачистку сварочной зоны поверхности детали. Зачистка проводится наждачной бумагой, шлифовальной машинкой или напильником.

Убираются все очаги коррозий, включения чужеродных материалов, загрязнения, неровности. После этого поверхность обрабатывается обезжиривающей жидкостью. От качества зачистки будет зависеть качество сварочного соединения.

Уровень силы тока выставляется в зависимости от диаметра электрода. При размере в 4 мм сила тока должна достигать 150-200 Ампер. Если размер стержня больше – сила тока увеличивается, если меньше – уменьшается.

Для стабильности работы дуги стоит настраивать постоянный тип тока. Полярность устанавливается отрицательная. Это также понизит расход материала.

Для улучшения плотности шва и стабилизации дуги при строжке и сварке применяется флюс. Они существуют нескольких типов: порошок, паста, жидкость. Использовать можно любой, однако для применения в домашних условиях больше подходит форма пасты или жидкости.

Для лучшего эффекта флюс должен включать в себя ионизирующие вещества. Сам флюс наносится на сварочную поверхность и распределяется тонким равномерным слоем.

Далее присадочный элемент вставляется в держак, разжигается дуга и формируется сварочная ванна. Поджиг дуги производится постукиванием (чирканьем) кончика рабочего элемента по металлической поверхности.

Во время работы видимая часть присадочного элемента не должна превышать 7 см. Продвижение вдоль стыка должно быть равномерным, с учетом плавления кромок и формирования соединения.

Сваривание деталей, а также строжка угольным электродом применимо в домашних условиях, однако для этого нужно использовать аппаратуру заводского производства. Самодельные агрегаты для такой сварки не подойдут ввиду отсутствия возможности настройки силы тока.

Общая информация о строжке угольными электродами

Такой тип строжки также называется воздушно-дуговым. Эта методика основана на применении сжатого воздуха для разрезания детали.

Воздействие сварочного тока расплавляет тело детали. А разрез производится направленной параллельно струей сжатого воздуха.

В отличие от сварки, строжка угольными электродами применяется для обработки любых типов металлов. Но чаще всего эта методика используется, чтобы разрезать нержавеющую сталь, чугун, никель, алюминий либо медь.

Описание технологии

Воздушно-дуговая резка применима в домашних условиях. Однако, как и при других обработках, при резке важно соблюдать безопасность.

Перед тем, как приступать к работе по сварке и строжке, проводится проверка исправности оборудования. А также подготовка металла – зачистка и обезжиривание. После этого проводится настройка режима сварки, выставляются параметры силы тока.

Не стоит настраивать высокие показатели этого параметра. Завышенная сила тока быстро испарит медное покрытие присадочного материала. Это повлияет на качество и равномерность расплавки тела детали.

Помимо сварочного оборудования проводится подготовка баллона со сжатым воздухом. Он не должен иметь повреждения и вмятины.

Удостоверившись в исправности баллона, проводится настройка давления. Для воздушно-дуговой строжки достаточно четыре-шесть бар.

Присадочный элемент вставляется в держак так, чтобы видимая часть не превышала длину в 10 см. Подается воздух, поджигается дуга.

После формирования сварочной ванны сжатый воздух направляется в рабочую зону. Обе части обработки должны проводиться равномерно.

Заключение

Сварка и строжка угольными электродами применяется редко, но обработать этими методиками металл можно. Это достаточно сложная задача.

Однако умение работать с таким типом присадочного материала поможет в обучении другим, более простым методикам.

Сварка и строжка угольным электродом в домашних условиях

Время чтения: ≈5 минут

Сварка угольными электродами — редко применяющаяся технология. Все дело в узкой сфере применения. Угольный электрод не плавится во время сварки, поэтому его можно использовать только при работе с цветными металлами или чугуном. Но это не значит, что угольные электроды не нужно рассматривать.

Ведь с их помощью можно выполнить строжку. Строжка — это метод разрезания металлов, когда резка осуществляется не на всей глубине детали. В этой статье мы напомним вам, как варить металл угольным электродом и расскажем, как с его помощью выполнить строжку.

Содержание статьи

Сварка угольным электродом

Как мы уже писали выше, сварка угольным стержнем применяется редко. Но она хорошо зарекомендовала себя при работе с цветными металлами, низкоуглеродистой сталью и чугуном толщиной до 3 миллиметров. Также угольные электроды иногда используются для пайки медных проводов.

Учитывайте, что угольный электрод является неплавящимся. Т.е., во время сварки он сам не плавится и не смешивается с основным металлом. У него есть медное покрытие, которое лишь немного испаряется в процессе работы. Поэтому сам стержень практически не меняется в размерах. Ведь расход очень незначительный.

За счет чего образуется шов? За счет самого металла, с которым вы работаете. Кромки плавятся под воздействием дуги и заполняют стык между двумя деталями. Иногда можно использовать присадочную проволоку, если зазор слишком большой.

Технология

Подготовьте металл к сварке. Зачистите все поверхности, при необходимости отшлифуйте. Затем настройте силу тока. Сила тока зависит от диметра электрода. Для электрода диаметром 4 миллиметра оптимальная сила тока — 150-200А. Увеличивайте силу тока, если используете электроды большего диаметра. Также рекомендуем установить прямой ток и прямую полярность. Так дуга будет гореть стабильнее, а электрод будет расходоваться еще экономнее.

Чтобы улучшить качество шва и стабилизировать дугу можно использовать флюсы. Как пастообразные, так и порошковые. В их составе должны быть ионизирующиеся вещества. Нанесите флюс на кромки и равномерно распределите.

Вставьте электрод в держак и зажгите дугу. Это можно сделать, постучав стержнем о кромки. Затем сформируйте сварочную ванну. Видимая часть электрода должна составлять не более 7 сантиметров. Ведите дугу равномерно, следите за плавлением металла и формированием шва.

Строжка угольным электродом

Строжка угольным электродом – это метод резки металла, во время которого используется сжатый воздух. Электрическая дуга производит расплавление металла, а струя сжатого воздуха, направленная на область сварки, производит его выдувание.

Воздушно-дуговая строжка угольным электродом или строжка может использоваться для резки любых видов металлов. Но в основном этот технологический процесс применяют для разрезания нержавейки, чугуна, никеля, алюминия меди.

Проведение сварочных работ с использованием угодных стержней используется только в исключительных случаях, когда требуется сделать прочный и ровный сварной шов. Данная технология обладает многими важными особенностями, которые обязательно нужно соблюдать при ее проведении. Но особую важность представляет подбор угольных стержней, при помощи которых производится сварка.

Угольный электрод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Угольный электрод

Cтраница 1

Угольные электроды, заточенные на усеченный конус с площадкой — 1 5 — 2 мм, расстояние между электродами 2 5 мм.  [1]

Угольный электрод с тремя последовательными тарелками ( рис. 3.36) исключает возможность проникновения раствора вглубь электрода, если на его верхнюю тарелку нанести 0 01 мл раствора. Пористость такого электрода достигается термической обработкой. Каплю раствора на тарелке подсушивают досуха.  [2]

Угольный электрод ( диаметром 5 мм и длиной 12 — 15 см) погружают в анализируемое масло, затем вынимают и сушат на фильтровальной бумаге. По существу это тот же метод, в котором электрод погружают в расплав ( разд.  [4]

Угольные электроды обычно располагаются вертикально, а истертый в мелкий порошок минерал или руда помещается в углубление, высверленное в нижнем электроде.  [5]

Угольные электроды питаются постоянным током от специального генератора или через выпрямитель. Для зажигания дуги электроды сближаются до соприкосновения; при их последующем раздвижении загорается яркая дуга; расстояние между электродами должно поддерживаться постоянным в 3 — 6 мм.  [6]

Угольные электроды изготовляют спеканием смеси каменного угля и кокса с каменноугольной смолой. Плотность тока на угольных электродах составляет 3 — 4 а / см2, а на графитовых электродах допускается 7 — 12 а / см2 и выше.  [8]

Угольный электрод с исследуемым образцом укрепляют в штативе электрододержателя. Верхним электродом служит также угольный электрод. После укрепления обоих электродов включают ток и наблюдают спектр в окуляр стилоскопа.  [9]

Угольные электроды, укрепленные на деревянной дощечке, опустить в стакан емкостью 50 мл и включить.  [10]

Угольные электроды применяют ограниченно; графитовые или угольные стержни имеют диаметры 4 — 20 мм, в качестве присадочного металла используют прутки из проволоки диаметром 3 — 5 мм из меди марок МО или Ml или бронзы Бр.  [11]

Угольные электроды применяют для дуговой сварки, спектрального анализа, в производстве гальванических элементов ( источников тока одноразового действия), для электролиза и работы в самых разнообразных условиях.  [12]

Угольные электроды изготовляют диаметром 6 — 30 и длиной до 300 мм. Стальные электроды для ручной сварки изготовляют из специальной сварочной проволоки диаметром 1 — 12 мм по ГОСТ 2246 — 70 и специальным ТУ. Сварочная проволока применяется углеродистая, легированная и высоколегированная. Содержание углерода в проволоке, как правило, ограничивается, что улучшает пластичность наплавленного металла. Углеродистая сварочная проволока марки Св08 содержит углерода не свыше 0 10 %, применяется для изготовления ряда электродов, а также для автоматической сварки.  [13]

Угольные электроды выпускают по ГОСТу 4425 — 62 диаметром 50 — 750 мм, длиной 1000 — 2300 мм.  [14]

Угольный электрод готовится из стерженьков диаметром 5 — 6 мм, применяемых для вольтовой дуги. Стерженек предварительно прокаливается на спиртовой горелке и помещается з стеклянную трубочку, из которой конец электрода должен выступать на 10 — 12 мм. Кольцевая щель между трубочкой и стерженьком заливается пицеином, щелочной замазкой или сургучом. Цинковый электрод — стерженек диаметром 5 — 6 мм — укрепляется в стеклянной трубочке так же, как и угольный. К противоположному концу цинкового электрода припаивается медная проволока.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Графитовый электрод VS Угольный электрод — Rongsheng Refractory

Когда дело доходит до графитового электрода и угольного электрода, нам всегда приходит в голову, что угольные электроды — это то же самое, что графитовые электроды? Очевидно, что нет. Угольные электроды бывают разных размеров и толщины, но по ощущениям они похожи на кусок ткани. Они гибкие. С другой стороны, графитовые электроды не гибкие. Они часто имеют форму стержня и на ощупь напоминают грифель карандаша.Грифель карандаша в основном состоит из графита, разница в основном заключается в чистоте, поскольку грифель карандаша может частично состоять из глиняных наполнителей и других вещей.

Графитовый электрод различной длины для продажи в RS

Получите бесплатное предложение

G рафит E лектрод s и 06 06

0

E лектрод s Определение

Используя нефтяной кокс, игольчатый кокс в качестве заполнителя, уголь асфальта в качестве связующего вещества, графитовый электрод изготовлен с использованием высококачественного огнеупорного сырья через процесс производства прокаливание, дробление, бремя, смешивание разминание, экструдирование, выпечка, пропитки, графитизации, производства и упаковки .Это важный высокотемпературный проводящий материал для электротехнического производства стали. Однако углеродный электрод — это проводящий материал, произведенный из антрацита и металлургического кокса (иногда с добавлением небольшого количества природного графита).

Для чего используются угольные и графитовые электроды?

Продажа графитовых электродов в основном используется при выплавке стали в электрических печах, а углеродные электроды в основном используются в электрохимических экспериментах или электрохимическом анализе.Другими словами, они используются там, где требуется перенос электронов, и обычно используются во время электролиза.

Графитовый электрод с прочной упаковкой на заводе RS

Получите бесплатное предложение

Почему при электролизе используются угольные электроды?

Углерод — хороший проводник — ключевое требование для успешного электролиза. Когда используется углеродный электрод (обычно в форме графита), количество свободно движущихся электронов в структуре элемента приводит к получению материала с высокой проводимостью.Углерод также относительно недороги, он стабилен даже при высоких температурах и является прочным и прочным материалом.

Угольные электроды используются в электролизе из-за их способности быть проводником и количества свободных электронов, доступных для переноса. Углерод не только является эффективным проводником, но и имеет очень высокую температуру плавления. Это означает, что его можно использовать для облегчения широкого круга различных реакций. Другие преимущества использования угля включают относительно низкую стоимость, долговечность и простоту приобретения.

Графитовый электрод для дуговой печи

Получите бесплатное предложение

Что происходит на каждом электроде при электролизе?

В растворе для электролиза два электрода: положительный и отрицательный. Реакция, происходящая на каждом электроде, разная. Когда соединение, подлежащее электролизу, находится в растворе, через который проходит электрический ток, компоненты соединения ионизируются (разделяются на положительно и отрицательно заряженные ионы).Положительно заряженные ионы (металлы и водород) притягиваются к отрицательному электроду (катоду), где они получают электроны (процесс, известный как окисление). Отрицательно заряженные ионы притягиваются к аноду (положительно заряженному электроду), где они отдают электроны (восстановление).

Дешевый графитовый электрод от RS

Получите бесплатное предложение

Что происходит с раствором во время электролиза при использовании угольных электродов?

Процесс электролиза при использовании угольных электродов аналогичен тому, который достигается при использовании в электродах других веществ.Положительно заряженные ионы движутся к катоду, где они получают электроны. Напротив, отрицательно заряженные ионы притягиваются к положительно заряженному аноду, где они теряют электроны.

стеклоуглеродный электрод

2 февраля 2021 г.

Стеклоуглерод — наиболее распространенный электрод для LCEC. Рабочий электрод состоит из углеродного или металлического стержня, заключенного в пластиковый блок.Стеклоуглеродные дисковые электроды Производители, фабрики, поставщики из Китая. Если вас заинтриговал почти любой из наших товаров, не забудьте связаться с… CHI105. Ваш электронный адрес не будет опубликован. Стеклоуглерод имеет уникальную структуру. Он становится выдающимся материалом, который можно использовать в качестве электрода в области аналитической химии в качестве электрохимического рабочего электрода из стеклоуглерода диаметром 3 мм (3 шт. В упаковке) 3 шт. / Уп. Стеклоуглеродный электрод (GCE) был модифицирован нанокомпозитом, состоящим из многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT), нагруженных наночастицами оксида серебра и серебра (Ag — рабочий электрод: стеклоуглеродный электрод-золотой электрод-платиновый электрод.Прививка молекулярных мотивов к проводящему углероду представляет собой многообещающий подход к улучшенным гибридным материалам для электрокаталитических применений. Наконечник электрода из стеклоуглерода Номер для заказа: 6.1204.300 Наконечник электрода из стеклоуглерода (GC) для Autolab RDE, диаметр диска электрода 3 мм, резьбовое соединение M4. Предлагаемый метод изготовления стеклоуглеродных электродов обеспечивает новый подход к производству проникающих электродов… Сохраните мое имя, адрес электронной почты и веб-сайт в этом браузере, чтобы я в следующий раз прокомментировал это.Золотой микроэлектрод диаметром 12,5 мкм. ), DRE-PGK Pt кольцо / комплект сменных электродов диска GC, комплект сменных электродов диска DRE-GCK GC, прибор вращающегося кольцевого дискового электрода RRDE-3A, коэффициент теплового расширения (20-200 ° C), порошок стекловидного углерода S-12 ( Сферический) 0,4-12 мкм, 10 г, стеклоуглеродный порошок S-20 (сферический) 10-20 мкм, 10 г, стеклоуглеродный электрод для ячейки с поперечным потоком, электрод из стеклоуглерода / золота для ячейки с поперечным потоком, электрод из стеклоуглерода / платины для ячейки с поперечным потоком, Стеклоуглеродный электрод для радиальной проточной ячейки, Превосходная стабильность до 3000 ° C в вакууме / при 500 ° C на воздухе, Обеспечивает прекрасное состояние поверхности после полировки, Диэлектрические характеристики при высоких частотах, Высокая устойчивость к воздействию Неорганические и органические соли, в пределах 300 x 300 мм, толщиной 0.3, 0,5 и от 1 до 6 мм. Отношение сигнал / шум угольных электродов составляет 50,73 ± 6,11, что выше, чем у Pt-электрода (20,15 ± 5,32) при тех же условиях испытаний. Этот материал содержит случайную комбинацию базовой плоскости и кромочной плоскости. Стеклоуглеродный • Электрод из стекловолокна 3 мм 4 мм 5 мм Рабочий электрод из стекловолокна Импорт. Стеклоуглеродный электрод, найдите полную информацию о стеклоуглеродном электроде, электроде Gc, электроде от поставщика графитовых электродов или производителя — Wuhan Corrtest • Удерживайте CV-электрод • Также найдите здесь сравнение сопутствующих продуктов | ID: 200388 Стеклоуглерод, хрупкая форма углерода с рандомизированной структурой, обладает определенными специфическими свойствами, что делает его подходящим для областей применения, выходящих за рамки типов углерода… В настоящее время обнаруживается широкий спектр применений. основа для пластин из стекловолокна SPI-Glas.Этот материал содержит случайную комбинацию базовой плоскости и кромочной плоскости. RDE и RRDE были разработаны для использования в аппарате с вращающимся кольцевым дисковым электродом RRDE-3A. Стеклоуглеродный электрод диаметром 3 мм. Дженкинс и К. Кавамура: Nature 231175 (1971). Подготовка. Химически модифицированные электроды • Стеклянный электролизер, капилляр Lujin, стеклоуглеродный электрод, графитовый электрод, платиновый электрод, универсальный электрододержатель. Доступен широкий выбор рабочего электрода. Уникальные свойства стеклоуглерода делают его подходящим материалом для самых разных целей.Ì „рабочий электрод 으로 ì‚¬ìš © í • ˜ë © ´, h3O ì ˜ ì‚ ° í ™ ”. ™ ˜ì› ë ° ˜ì ‘ì˜ ì —Ì „ë„ “게 ê ° € ì ¸ ê ° ˆ 수 ìžˆìŠµë‹ ˆë ‹¤. Эти дисковые электроды имеют небольшие размеры и просты в использовании. Графитовый стержневой электрод диаметром 3 мм. Диаметр электродного диска 2 мм ± 0,1 мм, поверхность полированная, стержень из стекла, резьбовое соединение М3, отклонение от биения:

Качество проекта Kpi, Поводок с биотаном, Дата выхода никогда не будет, Крупнейший производитель риса в мире 2019, Пакетное эхо новой строки, Выдры, взявшись за руки, спят,

Стержень угольного электрода, 0.25 дюймов x 4 дюйма

Есть вопросы? Поговорите с экспертом.

406-256-0990 или же Онлайн чат в

Возраст 8+
На складе, готово к отправке
Это нужно быстро? Смотрите варианты доставки в корзине.

Используется для исследования статического электричества. Читать Подробнее

Участники

My Science Perks получают не менее $ 0,04 обратно на этот предмет. Войдите или создайте Бесплатный HST Аккаунт, чтобы начать зарабатывать сегодня

ОПИСАНИЕ

Эти угольные стержни могут использоваться в качестве электродов или для исследования статического электричества.

ПРИМЕЧАНИЕ. Фактический продукт может отличаться от представленного на фотографии из-за различий в поставщиках.

БЛОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ВКЛАДКА «СОДЕРЖАНИЕ»

ВКЛАДКА «ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ»

Описание
Технические характеристики
СОДЕРЖАНИЕ

Мы хотим, чтобы этот предмет был живым, когда вы его получите! Следовательно, нам необходимо знать, когда вы будете дома, чтобы получить его (минимизируя воздействие стихии).Укажите дату доставки, среда — Пятница, это минимум 7 дней с сегодняшнего дня.

Физика и инженерия / Электричество и электроника / Статическое электричество

/ физика-инженерия /, / физика-инженерия / электричество-электроника /, / физика-инженерия / электричество-электроника / электроды-статическое электричество /

Мы поняли. Наука может быть беспорядочной. Но продукты и услуги Home Science Tools справятся с этим.

Наша продукция долговечна, надежна и доступна по цене, позволяя вам перемещаться из полевых условий в лабораторию и на кухню. Они не подведут, с чем бы они ни боролись. Будь то (чрезмерно) нетерпеливые молодые ученые из года в год или строгие требования, которые возникают раз в жизни.

И если ваш научный запрос идет не так, как ожидалось, вы можете рассчитывать на помощь нашей службы поддержки клиентов. Рассчитывайте на дружеские голоса на другом конце телефона и советы экспертов в вашем почтовом ящике.Они не будут счастливы, пока вы не станете счастливыми.

Итог? Мы гарантируем, что наши продукты и услуги не испортят ваше научное исследование, каким бы беспорядочным оно ни было.

Вопросы? Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов.

Выбор редакции

— Обзор — Конструкция электрода с активированным углем: инженерный компромисс в отношении характеристик емкостной деионизации

Технология опреснения считается важным средством неограниченного снабжения пресной водой путем производства питьевой воды из морских и солоноватых источников. 1,2 Интересно, что поставка опресненной воды не зависит от климатических условий. 3 В целом опреснение является высокоэнергетической технологией. Нехватка воды и энергии — две основные проблемы 21 века. 4 Тем не менее, инновации могут позволить нам производить пресную воду с меньшими затратами, в то же время улучшая использование энергии. Разработано несколько технологий термического и мембранного опреснения. 5 На сегодняшний день обратный осмос (RO), многоступенчатая дистилляция (MED), многоступенчатое мгновенное опреснение (MSF) и электродиализ (ED) широко используются для опреснения морской и солоноватой воды в больших масштабах.В отличие от электродиализа (ED), другие технологии работают за счет удаления основного компонента (воды), а не второстепенного (соли или минералы), поэтому они становятся менее эффективными для опреснения солоноватой воды из-за низкой концентрации соли. 6

Емкостная деионизация (CDI) — это новая технология опреснения, позволяющая извлекать соли и минералы из соленой воды таким образом, чтобы потребленные заряды во время зарядки электрода могли быть повторно захвачены во время разряда электрода, 7 , тем самым позволяя CDI быть энергией. эффективная и менее дорогостоящая альтернативная технология опреснения соленой воды по сравнению с другими традиционными технологиями опреснения.Действительно, возврат части энергии был одним из ключевых аспектов технологии CDI. 8 Концепция CDI может быть описана как процесс электросорбции, который в основном может быть объяснен на основе характеристик конденсатора с двойным электрическим слоем. Подобно суперконденсаторам, ионы обратимо накапливаются в двойном электрическом слое (EDL) в углеродных порах в CDI. 9–11 Эта инновационная технология опреснения обладает рядом преимуществ, включая легкое удаление второстепенных продуктов из основного продукта за счет емкостного эффекта и фарадеевского взаимодействия при низком напряжении ячейки. 9,12 Кроме того, у него есть другие приятные атрибуты, такие как энергосбережение, экологичность, 13 простота конфигурации и низкие эксплуатационные расходы. 14 В основном, производительность CDI в значительной степени зависит от электрода, но также и от конфигурации ячейки и рабочих параметров. 12,15 Таким образом, повышение производительности может быть исследовано путем изготовления идеальных электродов, оптимизации рабочих параметров, разработки надежных конфигураций CDI и / или интеграции CDI с другими технологиями опреснения.

По статистике, публикации в области исследований CDI по большей части посвящены решающей роли электрода по сравнению с другими факторами, влияющими на характеристики CDI. 15 Другими словами, на электрод приходится львиная доля факторов, влияющих на работу систем CDI. Активированный уголь (AC) широко известен как первый и наиболее часто используемый материал для емкостных технологий. 11,16 Большая площадь поверхности, электропроводность, химическая стабильность в широком электрохимическом окне, инертность, легко настраиваемая морфология пор и благоприятная изотерма адсорбции — все это указывает на то, что переменный ток является идеальным кандидатом для электродов CDI. 4,17,18 Кроме того, AC является экологически чистым материалом и коммерчески доступен по относительно низкой цене. 19 Электрод CDI с идеальными емкостными характеристиками должен обладать большой удельной поверхностью, высокой проводимостью, хорошей смачиваемостью, химической стабильностью и соответствующей пористостью. 12–14,20–22 Однако было показано, что переменный ток имеет более низкую удельную емкость, чем ожидаемое теоретическое значение. 21 Следовательно, его всегда необходимо модифицировать и конструировать с использованием различных модификаторов (проводящих добавок, связующих, восстановителей, окислителей, псевдоемкостных материалов, оксидов металлов, поверхностно-активных веществ, полимеров и т. Д.) для повышения производительности. По сути, рациональная конструкция электрода переменного тока имеет первостепенное значение для оптимальной работы CDI. 23 Конструкция электродов переменного тока стала чуть ли не Святым Граалем исследований в области технологии CDI. Сообщалось о различных физических, химических и биологических методах модификации AC, 24 , показывающих различные улучшения электрохимических характеристик. Однако большинство этих улучшений происходит за счет ухудшения некоторых свойств электродов.

В последнее время было опубликовано несколько обзоров, касающихся электродных материалов CDI. Oladunni et al., 15 Liu et al., 17 Huang et al. 25 и Thamilselvan et al. 26 представил всесторонний обзор недавно разработанных углеродных нанокомпозитов для применения в процессе емкостной деионизации. Bhatnagar et al. 24 сообщил об обзоре методов модификации переменного тока для обработки воды. Han et al. 12 рассмотрены структура и функциональность новых углеродных и фарадеевских электродных материалов для высокоэффективной емкостной деионизации.Кроме того, Ratajczak et al. представил обзор емкостных технологий на основе углеродных материалов. 11

В этом обзоре влияние модификаторов на производительность CDI очерчено в контексте инженерного компромисса. Обсуждаются полезные и вредные эффекты различных модификаторов на электрохимическую активность переменного тока, как показано на рис. 1. По сути, представлена ​​всеобъемлющая классификация ячеек CDI, основанная на различных архитектурных аспектах со сравнительными характеристиками.Кроме того, выяснена взаимозависимость между электродными аспектами и конфигурацией ячейки CDI. Наконец, краткий обзор разработки конструкции электродов переменного тока был резюмирован с некоторыми перспективными руководящими принципами исследований. Цель нашего обзора здесь — раскрыть влияние конструкции электродов переменного тока на характеристики CDI и как сбалансировать компромисс между свойствами электродов в процессе модификации. Это также вводит взаимозависимость между аспектами электродов и конфигурацией ячейки CDI.Зная это, он дает представление об аспектах модификации электродов без ущерба для электрохимических показателей производительности. Кроме того, взаимозависимость электрода и ячейки CDI проливает свет на рациональную конструкцию, чтобы воспользоваться преимуществами модификации электродов при соответствующей конфигурации ячейки CDI.

Улучшение структуры

Структурные свойства электрода включают площадь поверхности, пористость (структура пор, распределение пор по размерам и извилистость) и текстуру.Накопительная емкость (заряд и накопление ионов) и кинетика сильно зависят от доступной площади поверхности и пористости электрода. 27 Таким образом, CDI как межфазный процесс очень чувствителен к имеющейся поверхности и пористости электродного материала. Емкостное накопление ионов и кинетика электросорбции в матрице могут быть улучшены за счет физической и / или химической модификации электрода. Действительно, площадь поверхности и распределение пор по размерам играют решающую роль в конструкции углеродного электрода.Чтобы оптимизировать емкостные характеристики, много усилий было сосредоточено на увеличении площади поверхности, а также на контроле над размером пор. 28 Lee et al. комбинированный AC с ограниченным количеством функционализированных углеродных нанотрубок (FCNT), при этом гомогенная дисперсия увеличивала удельную поверхность (SSA) электрода. 29 В некотором смысле добавление FCNT предотвращает возникновение агломерации частиц и закупорку пор.

Физическая активация может расширять поры за счет мягкой газификации и увеличивать площадь поверхности по мере создания большего количества пор. 30,31 Интересно, что AC, который намеренно дефункциональнализован посредством обработки водородом, демонстрирует увеличенный SSA, объем пор и средний размер пор, вызванный одновременным схлопыванием микропор и созданием большего количества мезопор, тем самым улучшая характеристики CDI. 32 Villar et al. подвергали переменному току водородной обработке для получения электродного материала с высокой кажущейся SSA. Увеличение поверхности при обработке переменным током H 2 при 400 ° C и увеличение среднего диаметра пор привело к более высокой зарядовой емкости. 33 В этом отношении изменение расположения пор и распределения по размерам может привести к подходящей структуре пор для переноса солевых ионов. Многие исследователи выяснили важность стратегического развития мезопористых и микропористых структур, которые могут способствовать оптимальной электросорбции. Действительно, электрохимическая характеристика показывает различное емкостное поведение из-за различного соотношения мезопор и микропор. KOH и CO 2 предназначены для увеличения регулируемого соотношения микропор и мезопор в AC соответственно. 34

Кроме того, рациональная конструкция структуры переменного тока может улучшить как электросорбцию, так и накопление ионов. 35,36 Несколько исследователей сообщили о роли микропор, мезопор и макропор в работе электродов. Микропоры увеличивают SSA и накопление заряда, что приводит к высокой удельной емкости. Мезопоры увеличивают ионную проводимость, обеспечивая благоприятный и быстрый перенос ионов в матрице электрода, что улучшает кинетику электросорбции.Макропоры действуют как буферные резервуары для ионов. 19,37 Следовательно, разработка упорядоченных углеродных электродов с контролируемым количеством мезопористых и микропор является важной стратегией для оптимизации электродов. Большой SSA и укороченные пути для диффузии ионов были приписаны трехмерным (3D) мезоструктурам и хорошо взаимосвязанным диффузионным путям материала электродов. Действительно, структура пор (упорядоченная или случайная) и распределение пор по размерам (мезопоры и микропоры) имеют большое влияние на характеристики электрода. 38 Тем не менее, некоторые из них оправданы, поскольку преобладание микропор и сильная извилистость пор могут ограничивать характеристики CDI. Распределение переменного тока с широкими порами может вызвать серьезное снижение емкости в течение короткого времени утечки тока. 39,40 Несколько композитов на основе AC, включая: восстановленный графен с AC (RG-AC), AC с оксидами металлов (AC-MO), AC с углеродными нанотрубками (AC-CNTS), AC с металлорганическими каркасами (AC -MOFs), мезопористый углерод с углеродными нанотрубками (MC-CNT), композит мезопористого с микропористыми AC (CAs-AC) и AC с углеродными нановолокнами (AC-CNFs) 17,39,41 . структура межсоединений в матрице электрода.Например, Wouters et al. использовали оксиды металлов для модификации углеродного материала для удаления ионов. Углеродный материал с SSA намного ниже, чем у покрывающих ксерогелей оксидов металлов, показал увеличение SSA всего композита. Напротив, снижение SSA наблюдалось, когда ткань из активированного угля с высоким SSA покрыта ксерогелями из оксидов металлов. 42 Что касается влияния покрытий из оксидов металлов на углеродные материалы, SSA композитов зависит от природы углеродных материалов.Кроме того, Риу и Сео сообщили о тетраэдрической координации диоксида титана, диспергированного на поверхности ткани переменного тока, для настройки структуры поверхности наряду с уменьшением физической адсорбции, тем самым вызывая усиленную адсорбцию электрического поля. Модификация химического состава поверхности обеспечивает более доступную поверхность с увеличенным количеством адсорбционных центров за счет участия атомов титана. 43

Song et al. сообщили о новом композитном электроде путем ультразвуковой сборки переменного тока с взаимосвязанной графеновой сетью (ICGN) для приложения CDI.Изготовленный электрод (AC / mPEAG) показал сверхвысокую электросорбционную способность 12,58 мг / г -1 по сравнению с 5,31 мг / г -1 исходного электрода переменного тока. Интеркаляция включенного mPEAG генерирует макропоры, которые благоприятны для буферизации ионов, тем самым сокращая расстояние диффузии от границы раздела до матрицы, тогда как мезопоры облегчают перенос ионов и электросорбцию. 19 Извилистость электродов переменного тока может значительно повлиять на скорость ионной проводимости через электролит в электродной матрице.По сути, извилистость — это соотношение, которое характеризует извилистые пути диффузии жидкости и электропроводности в пористой среде. Здесь он описывает отношение микроскопической длины пути в порах, нормированное на декартово расстояние прохождения ионов между конечными точками пути. 44 Таким образом, он влияет на динамику заряда электрода посредством эффективной ионной проводимости и ионной диффузии. 44–46 Добавление макроскопических пор с низкой извилистостью увеличило ионную проводимость и улучшенную емкость при высоких скоростях развертки, а также макроскопические поры уменьшили эффективную извилистость, обеспечивая более прямые пути к емкостным интерфейсам. 45 Tang et al. разработала углеродный материал с преобладанием макропор и микропор (HPAC) для суперконденсаторов и электродов CDI. 4 HPAC показал хорошо распределенные макропоры, которые могут обеспечивать буферные резервуары для ионов и мелких частиц, которые могут обеспечивать большую площадь внешней поверхности. Размер макропор и распределение размеров HPAC были меньше и плотнее, чем AC и MC. Кроме того, интрузионная порометрия выявила самый высокий средний диаметр пор (353,2 нм) HPAC по сравнению с AC (33.3 нм). Высокая емкость и адсорбционная способность HPAC обычно приписываются соседним стенкам пор (большой SSA), большому объему пор для искаженных ионов и структуре пор, которая вызывает короткий путь переноса ионов для более быстрой диффузии.

Кроме того, связующее влияет на распределение пор углеродных материалов по размерам. Использование различных связующих приводит к малой или большой пористости с большей доступной пористостью в мезопористой области. Се и его коллеги применили органически-неорганическое гибридное связующее для улучшения характеристик CDI. 47 Предполагалось, что гибридное связующее улучшает структуру пор. Однако связующие могут блокировать поры в высокопористом угле. Кроме того, сообщалось, что некоторые гидрофильные связующие, обладающие способностью к набуханию, изменяют контакт частиц и, следовательно, изменяют пористость. 48 Таким образом, конструкция электродов без связующего дает прекрасную возможность решить дилемму использования связующего. Кроме того, инертные газы (N 2 и Ar) играют решающую роль в пиролизе, где они предотвращают закрытие пор, их разрушение или усадку. 49 Графитизация легко происходит в атмосфере инертного газа с одновременным уменьшением извилистости. Кроме того, пиролиз в атмосфере инертного газа может увеличить испарение соединений, непригодных для образования пор.

Смачиваемость

Чем влажнее, тем лучше. 50 Смачиваемость — один из важных факторов, который может повлиять на характеристики электрода. 51 Электроды CDI требуют высокой смачиваемости для их совместимости с водными средами. Действительно, лучшее смачивание электродного материала обеспечивает отличный межфазный контакт и массоперенос.Поверхность AC очень гидрофобна, поэтому плохо взаимодействует с водой. 52 Хотя переменный ток имеет отличную SSA, удельная емкость намного ниже ожидаемой. 53 Низкая емкость частично объясняется плохой смачиваемостью, которая приводит к неблагоприятному контакту между поверхностью электрода и водным раствором; таким образом ионы в растворе не достигают внутренней части активного материала. Chang et al. синтезировали гидрофильное жидкое связующее для изготовления электродов переменного тока. 54 В отличие от других полимерных связующих, это жидкое связующее обеспечивает улучшенную смачиваемость, таким образом демонстрируя превосходные характеристики CDI. Точно так же Парк и Чой изготовили угольные электроды с водорастворимым связующим вместо гидрофобных связующих. 51 Введение гидрофильных функциональных групп на углеродную поверхность химическими средствами значительно улучшает смачиваемость. Различные функциональные группы азота и кислорода, включая амины, сульфоны, карбоксилаты и карбонилы, могут значительно повысить гидрофильность, сопровождаемую улучшенной смачиваемостью углеродного материала. 55 Несколько окислителей, таких как HNO 3 , H 2 O 2 и KMnO4, также были использованы для введения кислородсодержащих групп (гидроксил, карбоксил, карбонил, лактон и хинин) на поверхность угольного электрода. , тем самым улучшая смачиваемость. 39,56

Fic et al. изучили влияние ПАВ на емкостные свойства углеродного электрода. 57 Значительное улучшение емкости было приписано уменьшению поверхностного натяжения и усилению распространения заряда.Электрод с повышенной смачиваемостью обеспечивает большую полезную поверхность и снижает внутреннее сопротивление, что оказывает положительное влияние на электрохимические характеристики водных электролитов. Более того, проникновение электролита в поры электрода контролируется не только структурой пор, но и поверхностным натяжением. 58 AC был модифицирован поверхностно-активным олеатом натрия для улучшения удельной емкости и накопления энергии в двойном электрохимическом слое (EDL). Повышение емкости в основном объясняется улучшением смачиваемости углеродного материала, что обеспечивает высокую полезную площадь поверхности и низкое внутреннее сопротивление.Несомненно, поверхностно-активные вещества могут значительно улучшить емкость электрода за счет своей способности снижать поверхностное натяжение. 59 Кроме того, Аслан и соавторы 60 представили новую стратегию использования улучшенной пористости без ущерба для способности удаления соли CDI и эффективности ввиду ограниченного смачивания AC в водной среде. Также было показано, что смешивание гидрофобных и гидрофильных углеродов улучшает смачивание. Эти электроды из смешанного углерода показали высокую степень съема и хорошую эффективность заряда.Покрытия из оксидов металлов также могут увеличивать смачиваемость гидрофобных материалов из-за их гидрофильной природы. 42 SiO 2 и γ -Al 2 O 3 / γ -AlOOH были использованы для модификации углеродного материала для применения CDI. Угольный электрод с покрытием демонстрировал повышенное удаление ионов по сравнению с углеродом без покрытия. Более того, гибридизация углеродсодержащего материала с закреплением неорганических материалов, таких как ZnO, SnO 2 , ZrO 2 и TiO 2 , в последнее время привлекла внимание с целью преодоления некоторых недостатков AC в процессе CDI. 61 Композит переменного тока с азотом и TiO 2 / ZrO 2 был синтезирован с целью улучшения низкой емкости и смачиваемости переменного тока. 23 В то время как электрод с покрытием TiO 2 и чистый углеродный электрод показали одинаковую удельную емкость, система TiO 2 , вероятно, улучшила эффективность опреснения из-за увеличения переноса ионов и воды в пористую структуру более гидрофильной поверхности. 62

Электрическая и ионная проводимость

Электропроводность определяет кинетику электрохимического процесса в электроде.Улучшая кинетику, можно улучшить скорость удаления солей и можно уменьшить размер CDI и / или повысить производительность. 63 Хотя текстурные особенности напрямую влияют на электрохимические характеристики угольного электрода, необходимо учитывать дополнительную роль проводимости. Увеличение проводимости улучшает кинетику, тем самым увеличивая электросорбционную способность, эффективное удаление солей и снижение внутреннего сопротивления. AC не является твердым веществом и заполнен миллионами микрокарманов (микроскопических отверстий и пор), которые делают его одним из самых пористых материалов из известных.Эти микрокарманы, заполненные воздухом, значительно снижают способность переменного тока проводить электричество. Кроме того, пористая природа переменного тока может напрямую влиять на перенос ионов, а также электронов, вызывая медленное удаление ионов и потерю проводимости. 37

Чтобы преобразовать аморфную структуру углерода в графитовую структуру, AC подвергают пиролизу для получения углерода с более упорядоченной матрицей, связанной с высокой электропроводностью. В основном термическая обработка влияет на концевые части, содержащие кислород и водород, которые составляют каркас материалов.Однако последовательное увеличение графитовых доменов возможно только при температуре выше 2000 ° C в инертной атмосфере. 64 Природа переноса электронов всегда пропорциональна степени кристалличности углеродных материалов. 65 Ши и его коллеги улучшили проводимость переменного тока и создали графитоподобный переменный ток путем каталитической графитизации с использованием плазмы N 2 и загрузки железа. N 2 легирование улучшает доступность поверхности AC, в то время как загрузка железа (III) способствует упорядоченному расположению зерен, таким образом увеличивая объемную долю кристаллов обработанного AC. 64 Sánchez et al. сообщили об улучшении электрохимических характеристик углеродного электрода после термообработки до 900 ° C, что в основном связано с одновременным увеличением проводимости. 66 Кроме того, графитизация — это термодинамический процесс, который может преобразовывать аморфный углерод в хорошо упорядоченную трехмерную графитовую структуру. 67

Кроме того, для повышения проводимости электродов переменного тока широко используются различные добавки, такие как технический углерод, FCNT, графен и металлы. 63,68 Alencherry et al. исследовали влияние увеличения электропроводности углеродных композитов на характеристики CDI за счет включения серебра (Ag) и FCNT в порошковый AC. Пропитка серебром привела к повышенной электропроводности электрода, обусловленной подходящей передачей заряда между частицами между частицами переменного тока. Кроме того, пропитка серебром снижает объемное удельное сопротивление, что приводит к увеличению накопления заряда, тем самым обеспечивая более высокие электродные потенциалы на границе раздела электрод-электролит. 63 Кроме того, Wang et al. разработали трехмерный композит, загрузив переменный ток в каркас из графитового войлока с высокой проводимостью для повышения электронной проводимости. 69

Использование суспензионных электродов стало недавним дополнением к миру CDI. Однако неплотное соединение углеродных частиц в проточном электроде может привести к плохой проводимости, что может снизить производительность CDI. С другой стороны, улучшение связности за счет высокой массовой доли углерода в суспензии может привести к увеличению вязкости, что ограничивает текучесть.Cho et al. В электроды переменного тока были введены FCNT, которые создают проводящие мостики между частицами переменного тока, тем самым увеличивая удаление солей без необходимости использования высоконагруженных активных материалов. 70 Аналогичным образом Lee et al. использовали FCNT в качестве проводящих агентов электрода CDI. Снижение удельного сопротивления в функционализированном переменном токе было приписано необычайной электропроводности FCNT с их углеродной структурой sp 2 . 29

Исмагилов и др. 71 и Hulicova-Jurcakova et al. 72 сообщили об увеличении электропроводности, генерируемой богатым электронами азотом, введенным в углеродную сеть, что может перемещать больше электронов в делокализованную π -систему. Кроме того, легирующие примеси азота вместе с наведенными пустотами или дефектами обеспечивают отличную проводимость и пути переноса, тем самым способствуя эффективному распространению электронов и ионов в пористый электрод. 73 Более того, было приписано, что некоторые неионные соединения создают ионные каналы, которые могут облегчить перенос ионов на границе электрод-электролит, а также распространение заряда. 74 Молекулы могут самоорганизовываться в структуры ионного пути, тем самым обеспечивая лучшее распространение заряда при самоорганизации электрода с поверхностным агентом. Влияние этих ионных каналов существенно для переноса ионов между границей раздела и мезопорами. При исследовании влияния поверхностно-активных веществ на емкость Fic et al. сообщили о влиянии поверхностно-активных веществ (Triton ® X-100) на диффузию в процессе накопления заряда за счет более быстрого и стабильного распространения заряда.Кроме того, взаимодействие между гидрофобной структурой поверхностно-активных веществ и π электронов углеродной матрицы может привести к улучшению проводимости системы. 57

Поверхностный заряд и потенциал смещения нулевого заряда

Поверхностный заряд и потенциал нулевого заряда являются очень важными свойствами угольных электродов для применения CDI. 75 Недавние открытия показали, что высокое удаление солей в ячейке CDI требует надлежащего управления поверхностным зарядом на угольных электродах.В основном AC имеет инертную поверхность и очень благоприятен для неионных взаимодействий с органическими соединениями. Тем не менее, накопление заряда на поверхности переменного тока может способствовать адсорбции ионных соединений посредством ионного взаимодействия. Путем химической модификации чистый положительный или отрицательный поверхностный заряд может быть передан на электрод переменного тока, что может быть многообещающим решением для повышения стабильности работы. Gao et al. использовали угольные электроды с различным поверхностным зарядом для разработки новой конфигурации ячейки CDI, названной инвертированной емкостной деионизацией (i-CDI).В этой конфигурации ячейки химические заряды на поверхности электрода обеспечивают адсорбцию, когда ячейка закорочена. 76 Промышленные угольные электроды, обработанные растворами этилендиамина и азотной кислоты, создают как положительные, так и отрицательные химические заряды на поверхности электрода. Улучшенное удаление солей в ячейке i-CDI было частично связано с увеличением химического поверхностного заряда. 75 AC был функционализирован поверхностно-активным веществом из четвертичных аминов (CTAB), которое создавало положительно заряженную поверхность для удаления нитратов без приложения внешнего потенциала. 77 Более того, Wang et al. исследовали влияние поверхностного потенциала на емкостные характеристики при зарядке протонами и, в частности, адсорбированными ионами. 78,79 Тот факт, что поверхностный потенциал может быть изменен кристаллической фазой оксидного материала, был дополнительно доказан. 80

Процесс CDI при переменной поляризации также показал интересное влияние поверхностного заряда на удаление соли. При равном образовании положительно и отрицательно заряженных участков поверхности во время чередующейся поляризации электронные заряды более эффективно способствуют адсорбции ионов, что приводит к высокому значению адсорбции.В случае дисбаланса поверхностных зарядов на электроде, часть электронного заряда паразитно расходуется на выравнивание дисбаланса поверхностных зарядов. Следовательно, управление поверхностным зарядом на угольных электродах было многообещающим путем для уменьшения потери электронного заряда из-за дисбаланса заряда. 81 Кроме того, введение поверхностного заряда на электрод может минимизировать эффект отталкивания коионов. Композит нафион-АС проявлял индуцированное ионное отталкивание, тем самым ослабляя коионный эффект. 8 Кроме того, совпадение внешнего приложенного потенциала с поверхностным зарядом электрода способствует электросорбции. 42 Другими словами, поверхностный заряд на электроде CDI обеспечивает улучшенную адсорбцию и быструю регенерацию противоположно заряженных ионов. По сути, катионы и анионы обычно переходят на электрод с отрицательным и положительным потенциалами соответственно. Во время регенерации эта тенденция может вызвать неполную регенерацию электрода CDI.Следовательно, для решения этой проблемы можно использовать противоположный поверхностный заряд, предотвращая переход ионов от одного электрода к другому. 42,82

Расположение потенциала нулевого заряда (E PZC ) над окном рабочего напряжения играет важную роль в электросорбции. 83,84 Этот потенциал можно определить как переходную стадию поверхностного заряда. Другими словами, в E PZC, начинается одновременная адсорбция катионов и десорбция анионов, когда приложенный потенциал отрицательно проходит через E PZC и наоборот. 85 Электрод E PZC может сильно влиять на удаление солей, эффективность заряда и циклическую стабильность в CDI. 86 Рабочее окно напряжения регулируется разностью потенциалов между E PZC анода и E PZC катода. Это распределение E PZC играет важную роль в производительности CDI. Кроме того, состояние адсорбции электрода CDI можно предсказать на основании значения E PZC и потенциала электрода (E). 87 Одно и то же значение E PZC и E подразумевает минимальный суммарный ионный заряд на электроде. Когда E больше, чем E , адсорбция анионов PZC предпочтительна, тогда как более высокое значение E PZC адсорбируется, чем катионы E. 88 Другими словами, наименьшая адсорбция ионов приходится на область E PZC . Из-за модификации поверхности положительно или отрицательно заряженные функциональные группы могут перемещать E PZC в электроде переменного тока. Кислотную обработку, оксид металла 89 , 90 и сульфирование 91 использовали для положительного сдвига E PZC в результате введения отрицательно заряженных частиц.Кватернизованный поли (4-винилпиридин), 86 аминов 92 могут вводить положительно заряженные группы и отрицательно сдвигать E PZC катода. Несбалансированное распределение приложенного потенциала из-за постепенного окисления анода может привести к явлению инверсии, при котором десорбция коионов становится доминирующей во время зарядки и повторной адсорбцией при разрядке. 85

Имеется зависимость характеристик CDI от смещения угольных электродов E PZC при длительной эксплуатации.После продолжительного цикла происходит смещение E PZC , а положительное смещение E PZC происходит из-за медленного окисления анода. 83,85 Развитие окисления положительного электрода может защитить область рабочего потенциала. Для симметричной ячейки CDI, работающей при постоянном напряжении, адсорбция ионов становится эффективной, когда пара электродов обладает чистым поверхностным зарядом, равным нулю. Коэн и соавторы использовали контролируемое окисление электродов переменного тока в растворе HNO 3 для положительного сдвига E PZC с целью развития более широкой области потенциала. 93 Анод с положительным поверхностным зарядом в паре с катодом с отрицательным зарядом может усилить и расширить эффект напряжения CDI. Более того, промышленные углеродные электроды периодически окислялись, чтобы увеличить отрицательный поверхностный заряд, тем самым создавая пару электродов с разными значениями E PZC при коротком замыкании (E o ). 76,92 Gao и соавторы сообщили о более благоприятной адсорбции Cl на аноде по сравнению с адсорбцией Na + на катоде, что может ограничивать характеристики CDI.Для создания отрицательного заряда углеродный электрод модифицировали путем покрытия SiO 2 и поверхностными группами –COOH от окисления. Эти модификации были использованы для корректировки расположения E PZC на катоде, что привело к усилению адсорбции Na + и уменьшению отталкивания коионов. 83

Стабильность

Циклическая стабильность — это отношение емкости в n-м цикле к максимальной способности удаления ионов, 94 , и это важный фактор при оценке долговечности электрода для поддержания его максимальной производительности.Высокая стабильность считается одним из основных свойств идеального электрода. Естественно, электроды переменного тока демонстрируют затухание деионизации, вызванное потерей цикличности после нескольких циклов. Значительные усилия, направленные на уменьшение химической деградации электродов CDI, привлекли значительное внимание сообщества CDI. Разработка электродов CDI с минимальным химическим разрушением очень важна для увеличения срока службы. Коррозия анода в ячейках CDI является серьезной проблемой, которая вызывает плохую стабильность цикла во время процесса опреснения. 9,85 Постепенное окисление анода приводит к несбалансированному распределению приложенного потенциала с одновременным повреждением пор, возникающим из-за образования окислительно-восстановительных продуктов на поверхности углерода.

Кроме того, непрерывная коррозия положительно поляризованного электрода при зарядке приводит к явлению, называемому «эффектом инверсии», который относится к десорбции ионов, пока ячейка все еще поляризована и заряжена. 85 Были разработаны различные методы, позволяющие сохранить стабильность во время продолжительной езды на велосипеде.Модификация поверхности (покрытие, окисление / восстановление и легирование) считается эффективной стратегией уменьшения коррозии электродов. Srimuk et al. модифицированный AC с помощью диоксида титана, чтобы предотвратить участие кислорода в окислении углерода. Таким образом, гибрид AC-Titania продемонстрировал повышенную адсорбционную способность солей (SAC) и длительную стабильность при циклировании в насыщенных кислородом солевых средах. 9 В реальных условиях атмосферный кислород (21%) радикально влияет на снижение стабильности CDI.Когда кислород диффундирует в воду и вступает в реакцию с углеродным электродом, это приводит к реакции восстановления кислорода с последующим выделением H 2 O 2, , что вызывает разрушение электродов переменного тока. 95 Структура пор и функциональность поверхности также влияют на стабильность. Было показано, что электрод с очень маленьким размером пор и большим количеством кислородных функциональных групп имеет сильно выраженную деградацию при увеличении числа циклов. 96 Хотя кислородные функциональные группы улучшают смачиваемость поверхности, переменный ток с высоким содержанием кислородных функциональных групп должен работать при низком напряжении для поддержания стабильности.В качестве альтернативы использование инвертированной конфигурации CDI может решить проблему ограничений окислительно-восстановительной реакции.

Разработка мезоструктурированных углеродных электродов с упорядоченными и хорошо связанными мезоканалами обеспечивает стабильную циклическую смену характеристик CDI. 10 Активированный уголь, полученный из новолака, был деактивизирован путем обработки водородом. Было показано, что эта обработка увеличивает стабильность электрода, связанную с уменьшением количества карбоксильных групп на поверхности. 32 AC, модифицированный поверхностно-активными веществами, дополнительно сообщалось, что он демонстрирует превосходную стабильность цикла в широком диапазоне потенциалов, и это объясняется ингибированием побочных реакций на поверхности электрода. 57,97 Кроме того, AC, модифицированный углеродными наноточек (C-точки), показал превосходную циклическую стабильность в течение многих тысяч последовательных циклов с отличным сохранением емкости. Способность C-точек переносить заряд и изменять интерфейс, по-видимому, указывает на то, что AC / C-точки могут быть полезным средством значительного повышения стабильности электрода. 98

Инкапсуляция углеродных материалов — это новый подход к созданию более эффективного электрода с повышенной стабильностью.Путем инкапсулирования электрод заделывают в химический субстрат, включающий УНТ или полимеры, для придания селективности или электрохимической стабильности (смягчения разложения электролита на поверхности электрода). Юнг и др. использовали цвиттерионные полимеры для покрытия переменного тока, чтобы обеспечить стойкий барьер для стабилизации структуры электрода. Полимерный слой препятствует реакции между угольным электродом и электролитом. Кроме того, инкапсуляция поверхности переменного тока также может увеличить количество центров ионной адсорбции и площадь поверхности, тем самым улучшая разделение зарядов и эффективность удаления ионов. 99 Электроды переменного тока с превосходной электрохимической стабильностью и сверхвысокими характеристиками были синтезированы посредством инкапсуляции ультратонким слоем Al 2 O 3 посредством осаждения атомных слоев. Эти замечательные характеристики были приписаны эффекту слоя Al 2 O 3 , защищающего кислородные функциональные группы от фарадеевских реакций. Другими словами, эти электроды переменного тока могли быть защищены от нежелательных реакций с электролитом. 100 Кроме того, Zhao et al. применила стратегию инкапсуляции углерода на основе полианилина (PANI) для повышения удельной емкости сферических композитов на основе серы / крахмала. Улучшенные электрохимические характеристики были приписаны способности инкапсулированного AC (PANI-AC) действовать как амортизатор, а также как барьер для улавливания растворимых промежуточных продуктов во время процесса зарядки-разрядки. 101

Механическая прочность

Чтобы получить превосходную механическую стабильность и межфазную адгезию, связующие вещества являются необходимым компонентом при производстве электродов переменного тока. 47 Связующие играют важную роль в связывании активных материалов с проводящими добавками и обеспечении стабильного прикрепления к токосъемнику. Несколько связующих веществ и их производных, в частности поливинилидендифторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE), поливиниловый спирт (PVA), полиметакриловая кислота (PMAA), сульфоянтарная кислота (SSA) 102 , широко используются для связывания порошка AC с надлежащая механическая прочность. ПВДФ является наиболее широко используемым связующим благодаря своим выдающимся свойствам, включая высокую механическую прочность и термическую стабильность. 103 Asquith et al. изготовили электроды переменного тока с использованием сополимеров сульфированного поли (ариленэфирсульфона) в качестве связующего. Сополимер показал адекватное связывание углеродных частиц с хорошей адгезией углеродной сажи к AC. 104 Органическое-неорганическое гибридное связующее использовалось при изготовлении прочного электрода переменного тока для высокоэффективного применения CDI. Подготовленный электрод переменного тока приобрел значительные механические свойства с желаемой гибкостью для создания компактного параллельного цилиндрического блока CDI. 47 Неорганико-органические связующие поддерживают хорошую термическую стабильность при значительном подавлении растрескивания и хрупкости.

Park et al. использовали связующее на основе поливинилового спирта (ПВС), поперечно сшитое глутаровой кислотой, в качестве нового гидрофильного связующего, которое могло бы обеспечить механическую прочность без ухудшения смачиваемости. 51 Использование полиуретанового эластомера в качестве нового связующего для электрода переменного тока привело к повышенной гибкости и подавлению образования механических трещин, таким образом решая проблему, связанную с более жестким PVDF. 105 Связующие на основе фенольной смолы (PR) и эпоксидной смолы (ER) демонстрируют выдающуюся стабильность при высоких температурах и давлении. Жидкое связующее, обозначенное как AA, было синтезировано с азодиизобутиронитрилом и акриловой кислотой для разработки электрода переменного тока в процессе CDI. По сравнению с другими связующими (ПТФЭ, PR и ER) AA показал высочайшую гибкость и долговечность. 54 Кроме того, поливинилпирролидон (ПВП), смешанный с поливинилбутиралем (ПВБ), дает композитное связующее с хорошей механической стабильностью и водостойкостью, что делает его более привлекательным для изготовления электродов. 106 Cai et al. подготовили электрод переменного тока с нафион в качестве связующего. Улучшенная адгезия и механические свойства были приписаны добавке Nafion. 8 Кроме того, AC, пропитанный азотом и серосодержащими частицами (дициандиамидом, мочевиной и тиомочевиной) при высокой температуре, привел к повышенной механической прочности. 107

Псевдоемкостные характеристики

Хотя переменный ток имеет большую SSA, которая отвечает за превосходное накопление заряда на границе раздела, в ходе электрохимического циклирования сырой переменный ток страдает относительно низкой удельной емкостью по сравнению с его теоретической емкостью. 108 Чтобы увеличить удельную емкость электродов переменного тока, некоторые исследовательские усилия были сосредоточены на псевдоемкостном поведении за счет создания поверхностных функциональных групп с помощью химической обработки 109 оксид металла (MnO 2 , RuO 2 , V 2 O 5 , MgO, ZnO и др.) Пропитка 41,110 и легирование. 41,111,112 Псевдоемкостный процесс — это обратимая окислительно-восстановительная реакция или процесс интеркаляции, связанный с переносом заряда.Псевдоемкостное накопление заряда достигается за счет обратимых фарадеевских реакций на поверхности электродного материала. 113 В отличие от электростатического накопления в двойных электрических слоях (EDL), псевдоконденсаторы накапливают заряд за счет обратимых окислительно-восстановительных реакций, которые могут быть немного более медленными. 114 Функциональные возможности, в основном карбоксильные, фенольные и лактоновые группы, могут обеспечить дополнительную емкость за счет псевдоконцентрированного механизма. 25 115 MnO 2 / AC и RuO 2 / AC композитные электроды со смешанным емкостно-фарадеевским поведением были изготовлены для приложений CDI.Высокие характеристики были приписаны смешанной емкостной функциональности, соответствующей EDL-заряду переменного тока и псевдоемкостной окислительно-восстановительной реакции MnO 2 или RuO 2 соответственно. 116 Кроме того, осаждение атомного слоя (ALD) оксида ванадия (V 2 O 5 ) на поверхности переменного тока создало композитный электрод с улучшенным накоплением заряда и увеличенной емкостью из-за вклада псевдоемкости. 117

Гетероатомы вызывают больший интерес, поскольку они конкурируют с дорогими псевдоемкостными материалами, такими как RuO 2 . 111 Легирование обеспечивает псевдоемкостный вклад в общую емкость электрода, и, таким образом, углерод, легированный гетероатомами, демонстрирует как емкость двойного электрического слоя (EDLC), так и псевдоемкость. 118 Азот, сера и фосфор являются эффективными гетероатомами для обеспечения псевдемкостной функциональности. 119 Этот псевдочувствительный вклад возникает из-за фарадеевской окислительно-восстановительной реакции электроактивных частиц функциональных групп на поверхности углеродных электродов. 120 Процесс карбонизации, который позволяет передавать функциональные гетероатомы, был использован для придания псевдоемкости углеродистому материалу. Перенос исходных гетероатомов или легирования во время карбонизации вызывает в углеродном материале как EDLC, так и псевдоемкость. 118 Хотя легирование гетероатомами снижает SSA за счет эффекта выщелачивания, эти частицы наделяют электронодонорными характеристиками и обеспечивают множество электрохимически активных центров для псевдемкостных реакций, ведущих к увеличению способности аккумулировать ионы независимо от уменьшенного SSA.Для понимания роли окислительно-восстановительных переходов, индуцированных азотом, был синтезирован углеродный электрод, легированный азотом. Карбонизация с одновременным легированием азота при обработке аммонием вызывает замену атомов углерода гетероатомами азота при поддержании постоянного содержания кислорода. 120 Окислительно-восстановительный потенциал в ходе окислительно-восстановительных реакций гетероатомов посредством обратимого присоединения / отщепления ионных частиц вызывает псевдоемкость. Следовательно, емкость углерода, содержащего гетероатом, оказывается более высокой по сравнению с углеродом, не содержащим гетероатомов.В каком-то смысле всегда присутствует псевдоемкостный вклад в общую емкость углеродного электрода от гетероатомов (азот, кислород, сера и т. Д.) Поверхностных функциональных групп. Эффективная настройка легирования гетероатомов азотом и кислородом, самодегировавшимся углеродом, привела к оптимальному псевдоемкостному вкладу даже при умеренном уровне азота. 113

Первоначальный AC, обработанный меламином и мочевиной, проявлял псевдоемкостное поведение, приписываемое содержанию азота и кислорода в поверхностных функциональных группах. 72 Моча была использована в качестве предшественника углерода и гетероатомов для получения пористого углеродного электрода, легированного гетероатомами, с повышенной псевдоемкостью и EDLC. 119 Электроды переменного тока были модифицированы обработкой озоном с последующей пропиткой гидроксидом кобальта (II) для получения высокой емкости. Включение кислорода и оксидов переходных металлов приводит к дополнительным псевдоемкостным фарадеевским реакциям. Во время поляризации гидроксид кобальта (II) электрохимически превращается в оксид кобальта (Co 3 O 4 ), который отвечает за псевдоемкостный эффект. 121 He и соавторы 122 в своем исследовании емкостного механизма кислородных функциональных групп на поверхности углеродных электродов сообщили об улучшении емкости за счет псевдемкостного поведения кислородных функциональных групп. Псевдоемкость была приписана переносу электрона между кислородными функциональными группами и H 3 O + в кислой среде, сопровождающимся разделением положительных и отрицательных зарядов. В щелочной среде псевдоемкость приписывалась реакции внедрения / удаления гидратированных ионов в пору.

Каталитическая активность (электрокатализ и фотокатализ)

Оксиды металлов, такие как TiO 2 , MnO 2 , NiCo 2 O 4 , Co 3 O 4 , Fe 2 90 3 и Fe 3 O 4 проявляют каталитическую активность в отношении реакции восстановления кислорода (ORR), 9,123,124 , которая может косвенно влиять на электрод CDI. Srimuk et al. использовали диоксид титана для химической модификации переменного тока с целью увеличения ORR, который можно было бы использовать в качестве механизма предотвращения участия кислорода в коррозии углеродного электрода.Гибриды AC-Titania показали превосходную стабильность в системах CDI, работающих в насыщенной кислородом соленой воде. Кроме того, каталитическая активность в отношении восстановления кислорода препятствует образованию перекиси водорода. 9 Материал фотоэлектрода был подготовлен для системы фотокатализа-CDI (PCS) ради синергетического преобразования и удаления общих ионов хрома из водного раствора. Были использованы два противоположных электрода, положительный фотоэлектрод, МОФ MIL-53 (Fe) и отрицательный электросорбционный электрод.Напряжение постоянного тока (DC) и видимый свет подавались на PCS для одновременного преобразования и удаления Cr с использованием синергетического эффекта фотокатализа и CDI. 125

Селективность

Переменный ток, функционализированный ионоселективными функциональными группами, рассматривается как новое средство конкуренции по селективности, которая была уникальной для мембранной емкостной деионизации (MCDI). Удаление определенных ионов, а не удаление всех ионов из исходного раствора дает преимущество в виде снижения затрат на энергию. 22 Селективное удаление ионов объясняется в основном ионной валентностью, стерическими эффектами и взаимодействием между размером пор и радиусом гидратации. 83 В основном электроды полагаются исключительно на механизм на основе электрического поля для накопления заряда в EDL, и, следовательно, стандартный CDI не обеспечивает какой-либо желаемой ионной селективности. Редокс-активные материалы представляют собой многообещающую платформу для контроля селективности по отношению к различным ионам на границе раздела окислительно-восстановительного электрода. Су и Хаттон сообщили, что электрод переменного тока, покрытый окислительно-восстановительным материалом (ПВФ / УНТ), показал интересную селективность, которая зависела от природы заряженных частиц. 126 Oyarzun et al. функционализированные электроды переменного тока с цетилтриметиламмонийбромидом (CTAB) и противоэлектрод с додецилбензолсульфонатом натрия (SDBS) для селективного удаления нитрата (NO 3 ) над хлоридом (Cl ) в i-CDI. 77 TiO 2 наночастиц, привитых 4,5-дигидрокси-1,3-бензолдисульфонатом динатрия (Тайрон), наносили на АС для образования ионоселективного слоя в процессе CDI. Подготовленный композитный электрод переменного тока показал ионную селективность и пониженное отталкивание коионов. 55 Анионообменная смола (смола BHP55) была использована для изготовления нитрат-селективного углеродного электрода из смеси хлорид-, нитрат- и сульфат-ионов в ячейке CDI. 22 Wu et al. покрытый АС анион-селективным кватернизованным поли (4-винилпиридином) для гибридного применения CDI. 127 Кроме того, исследование связи между свойствами электрода и электросорбционным поведением ионов выявило вклад отношения мезопористости / микропористости как средства контроля ионной селективности. 20 Позже селективность по ионам была достигнута путем применения ультрамикропористого углерода в процессе электросорбции на основе различий в размерах гидратированных частиц. 128,129

Текучесть и реологические свойства FCDI

Текучесть и реологические свойства незаменимы по отношению к емкостным технологиям на основе текучих электродов. 130 Реологические свойства важны для обеспечения отсутствия засорения, когда электродная суспензия течет по узкому каналу. 131,132 В основном, высокое содержание углерода обеспечивает улучшенную проводимость, которая приводит к высокому току и, таким образом, более эффективному удалению солей. С другой стороны, высокое содержание углерода приводит к увеличению вязкости, что требует большого количества энергии для перекачивания. 133 AC был модифицирован для улучшения характеристик потока и уменьшения вязкости (паразитной) углеродных суспензий, особенно в системах с проточным электродом CDI (FCDI). Используя окисленный активный материал, Hatzell et al.продемонстрировали использование высокой плотности массы без увеличения потребности в энергии для накачки в FCDI. Более того, реология углеродных суспензий заметно изменяется из-за изменения поверхностных гетероатомов. Функционализация AC приводит к разделению частиц и поддерживает текучесть суспензии с большей диспергируемостью. Следовательно, уменьшение агрегации изменяет текучесть. 6 Park et al. модифицированная подвеска переменного тока с ионными головными группами для проточных электродов. АС, покрытый анионообменными или катионообменными полимерами, демонстрирует пониженную вязкость при высоком содержании углерода.Ионным функциональным группам на поверхности AC было приписано снижение характеристической вязкости за счет индуцированного электростатического отталкивания, что привело к желаемой дисперсии частиц AC без агрегации. 131

Ухудшение пористости и уменьшение площади поверхности

Пористость и площадь поверхности являются основными целями для улучшения EDLC. 134 Тем не менее, большая часть улучшенных электрохимических характеристик электродов переменного тока достигается за счет уменьшения или закупорки пор и уменьшения SSA.Функционализация переменного тока с помощью HNO 3 , H 2 O 2 , H 2 SO 4 , придают гетероатомы, которые могут улучшить емкость и стабильность электродов CDI. Однако обработка AC окислителями выявила уменьшенный объем пор из-за новых функций внутри или на входе в поры. Zhang et al. сообщили о разрушении структуры пор из-за технологии изготовления с введением гетероатома. 113 Кроме того, в контексте баланса масс все различные функциональные группы, введенные в AC, могут вызывать уменьшение доступной площади поверхности. 115

Данные BET показали низкую SSA композита AC (AC / MnO 2 ) по сравнению с исходным AC. Было приписано, что MnO 2 блокирует некоторые поры и увеличивает сопротивление при уменьшении диаметра пор. 135 Электрод переменного тока, покрытый γ -Al 2 O 3 в качестве анода и SiO 2 в качестве катода в асимметричном CDI, продемонстрировал повышенную электросорбционную способность, но радикальное снижение SSA с 1630 мкм 2 г −1 до 1290 м 2 г −1 с 1.7% SiO 2 и с 1630 м 2 г -1 до 1293 м 2 г -1 с 0,35% γ -Al 2 O 3 . 42 Повышенная стабильность работы переменного тока с гибридными электродами из титана (AC / TiO 2 ) во время процесса CDI в насыщенной кислородом соленой воде была достигнута за счет снижения SSA из-за закупорки пор из-за загрузки титана. 9 Кроме того, переменный ток был покрыт оксидом ванадия для повышения емкости накопления электрохимического заряда за счет псевдоемкостного механизма.Однако добавление псевдоемкостных слоев уменьшило доступные поры и емкость двойного слоя. 117

Поверхностно-активные вещества также влияют на площадь поверхности переменного тока и структуру пор. Измерения BET модифицированного AC показывают уменьшение SSA по сравнению с исходным AC, а также уменьшение объема пор как для микропор, так и для мезопор. Агрегация поверхностно-активных веществ в высокой концентрации приводит к замедлению транспорта ионов электролита из-за закупорки пор AC, уменьшения объема пор и уменьшения SSA. 58,59 Более того, Alencherry et al. включены УНТ и серебро (Ag) для увеличения гидрофильности и электропроводности электродов переменного тока для CDI, в то время как эти модифицированные электроды показали значительную закупорку пор, связанную с уменьшением SSA, которое было приписано Ag и CNT соответственно. 63 AC, обработанный силановым связующим для улучшения совместимости между AC, связующим и коллектором, также привел к уменьшению SSA и уменьшению диаметра пор. 21 Действительно, связующие или когезионные агенты неизбежно покрывают некоторые участки поверхности или поры угольных электродов. Следовательно, свойства связующих и их количество при изготовлении электродов влияют на электрохимические характеристики.

Перекрытие двойного электрического слоя

Перекрытие EDL, связанное с ограничивающим эффектом поровой структуры, может снизить как скорость массопереноса, так и количество ионов внутри пор в состоянии равновесия. 136 Перекрытие EDL в микропорах AC происходит, когда средний размер пор обычно меньше длины Дебая. 16 Дисбаланс между эффектом перекрытия EDL и количеством участков электросорбции в микропористом переменном токе может значительно вызвать потери в емкостном опреснении. 137 Yang et al. разработал модель EDL для прогнозирования электросорбции ионов из водных растворов угольными электродами. 138 Электроды с большим количеством микропор показали значительное снижение электросорбционной способности из-за наличия пор с шириной меньше заданного значения (ширина поры отсечки), которые не влияют на общую емкость из-за перекрытия EDL .Кроме того, в электрическом поле на электросорбцию в микропорах углеродных электродов может влиять как SSA, так и EDL перекрытие.

Изменение структуры пор во время модификации AC может привести к уменьшению ширины пор до значений, меньших, чем ширина поры отсечки; следовательно, эти поры не влияют на общую адсорбционную способность. Другими словами, модификация может вызвать потерю баланса между количеством электросорбтивных сайтов и перекрытием EDL. В электрическом поле, когда SSA увеличивается, эффект перекрытия EDL становится больше; следовательно, адсорбция ионов снижается.С другой стороны, когда SSA слишком низкое, электрод обеспечивает очень небольшое количество адсорбционных центров на поверхности, что приводит к снижению способности обессоливания. Наличие мезопор в углеродном электроде может ослабить эффект перекрытия EDL. 139 Porada с соавторами сообщили о роли мезопор в уменьшении перекрытия EDL. 140 Обычно для приготовления электродов переменного тока требуются добавки, особенно сажа в качестве проводящей добавки, чтобы заполнить пустоты между частицами активного материала.Следовательно, неподходящее изменение мезопористой / микропористой фракции может препятствовать кинетике сорбции из-за искажения EDL. 20 Pi et al. сообщили о преимуществах частично графитированного переменного тока с улучшенной проводимостью и неповрежденной иерархической пористой структурой в отсутствие проводящих агентов. 141

Электронное и ионное сопротивление

Электронное и ионное сопротивление в электродах CDI определяют перенос электронов и ионов соответственно в матрице электрода.Эти сопротивления способствуют падению напряжения, связанному с высоким потреблением энергии и затруднением кинетики адсорбции. 63,142 Иерархическая структура пор в переменном токе играет важную роль в процессе электросорбции. Макропоры действуют как пути переноса ионов, в то время как микропоры являются хозяином образования EDL и хранения ионов. 142 Модификация переменного тока и добавление добавок могут повлиять на структуру переменного тока, что может привести к искажению маршрута и затруднению распространения электронов и ионов в матрице электрода.Хотя использование связующих является обязательным для связывания порошка переменного тока с задним контактом, эти связующие могут препятствовать доступу ионов к порам 51,143 и давать электроды с плохой электропроводностью. 102,104 Более того, сополимерные связующие могут проявлять набухание, связанное с уменьшением путей переноса заряда между частицами углерода, тем самым уменьшая образование EDL в микропорах. Кроме того, функциональные возможности гетероатомов могут улучшать смачиваемость и придавать псевдоемкостное поведение.Однако у этих поверхностных функциональных групп есть некоторые недостатки, такие как уменьшение проводимости электрода, предотвращение проникновения ионов в поры из-за уменьшения объемов. 122 Кроме того, Min et al. сообщили об устойчивости к зарядке и уменьшенной ионной диффузии, происходящей из-за межфазного сопротивления углеродного электрода со слоем наночастиц TiO 2 , привитых Тайроном. 55

Гидрофобность

Функциональность поверхности — это параметр, определяющий смачиваемость угольного электрода. 144 Сообщалось о дефункциональности как ухудшение смачиваемости AC в водной среде. Ding et al. исследовали влияние функциональных групп на электрохимические характеристики электрода переменного тока. Хотя дефункционализация AC в атмосфере аргона и водорода при высокой температуре привела к относительно высокому SSA по сравнению с исходным AC, поверхность стала более гидрофобной, что сопровождалось плохой смачиваемостью. 115 Обработка AC с помощью CO 2 увеличивает SSA и улучшает пористость за счет декарбоксилирования.Следовательно, углеродные материалы становятся более гидрофобными, что затрудняет процесс смачивания. 60 Villar et al. подвергали переменный ток различным видам обработки (обработка диоксидом углерода, обработка водородом и термическая обработка) с целью изменения пористости и химического состава поверхности. Интересно, что образец с большим количеством SSA и большим средним диаметром пор показал меньшую адсорбционную способность, чем другие. Высокая гидрофобность, вызванная удалением поверхностных функциональных групп, была приписана затрудненной диффузии ионов в углеродную матрицу. 33 Кроме того, для изготовления электродов переменного тока требуются полимерные связующие, а обычно используемые связующие являются гидрофобными, такими как поливинилиденфторид (ПВДФ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ). Следовательно, эти связующие снижают смачиваемость электрода 104 и создают дополнительную гидрофобность на углеродном электроде, что сопровождается снижением скорости диффузии электролита в углеродную структуру.

Жесткость и хрупкость

Использование связующих влияет на механические свойства угольных электродов и влияет на электрохимические характеристики. 145 Жесткие связующие могут обеспечивать высокую механическую прочность, тогда как гибкие связующие обеспечивают низкую механическую прочность. Однако высокая механическая прочность может привести к уменьшению емкости, 102 , тогда как электрод с более низкой механической прочностью может вызвать потерю активного материала, который слабо связан, и выход из строя интерфейса электродов. PVDF обладает выдающейся механической, термической и химической стабильностью 102,105 , что делает его наиболее широко используемым связующим в производстве электродов переменного тока.Однако его жесткость может привести к появлению трещин на поверхности электрода и, как следствие, к снижению рабочих характеристик электрода. 105,145 Асквит и его коллеги заменили ПВДФ гидрофильными сополимерами (сульфон простого полиариленового эфира) с пониженной механической прочностью. Достигнута улучшенная смачиваемость, но уменьшенная прочность и хрупкость, что приводит к потере углеродных частиц. 104 Fang et al. использовал полиуретановый эластомер в качестве гибкого связующего, чтобы решить проблему жесткости электрода переменного тока.Несмотря на это достижение, проводимость и стабильность оказались неудовлетворительными по сравнению с ПВДФ. 105

Коррозия и снижение стабильности

В то время как включение псевдоемкостного материала в углеродный электрод может привести к увеличению накопления заряда, фарадеевские реакции могут препятствовать скорости переноса заряда, что сопровождается снижением стабильности электрода. 146 Подобно аккумуляторным электродам, композитные электроды из углерода с оксидами металлов часто имеют низкую стабильность. 41,117,147 Кроме того, химическая обработка считается предпочтительным способом увеличения концентрации поверхностных функциональных групп. 76 Однако эти поверхностные функциональные возможности могут участвовать в фарадеевских реакциях 16 и вызывать накопление необратимых окислительно-восстановительных продуктов, осажденных в порах, что приводит к уменьшению емкости. С другой стороны, удаление поверхностных функциональных групп посредством восстановления Ar / H 2 придает электроду переменного тока уменьшенное окно электрохимической стабильности (ESW), тем самым препятствуя более широкому рабочему диапазону напряжения. 115

В таблице I суммированы положительные и отрицательные эффекты различных модификаторов на электрод переменного тока, а также возможные будущие достижения.

Таблица I. Эффекты различных модификаторов переменного тока и будущие достижения рассматриваются здесь.

Модификаторы электродов переменного тока Преимущества и преимущества Вызовы и недостатки Будущие достижения
Без модификатора Высокий SSA Низкая емкость Интеграция переменного тока с новыми материалами с превосходными электрохимическими свойствами
Высокая пористость Высокая извилистость Комбинация разных размеров
Окисление
Нет селективности
Черный углерод Электропроводность Уменьшенный SSA Новые и улучшенные электропроводящие добавки
Нарушение пористости Электронные медиаторы в проточных электродах
EDL внахлест
Связующие Механическая прочность Гидрофобность Изготовление электродов без связующего
Адгезия Сопротивление Синтез гидрофильных связующих с подходящей механической прочностью
Повышенная пористость Жесткость
Набухание
Окислители (HNO 3 , O 3 , O 2 , H 2 O 2 , KMnO 4 , H 2 SO 4 , H 3 и др.) Функциональные группы Уменьшить поровый объем
Смачиваемость Уменьшенный SSA
Псевдоемкость Коррозия
Поверхностный заряд
Текучесть
Восстановители (H 2 , амин, NH 3 , NaOH и т. Д.) Повышенная пористость Гидрофобность
Увеличенный SSA ESW уменьшенный
Поверхностный заряд Уменьшенный объем пор
Дефункционализация
Оксиды металлов (TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 и т. Д.) Поверхностный заряд Закупорка пор Мультиметаллические оксидные покрытия с контролируемым распределением пор по размерам
Смачиваемость Уменьшенный SSA
Каталитическая активность
Инкапсуляция
Наноуглероды (ФУНТ, графен и т. Д.) Электропроводность Уменьшенный SSA Гибриды и гидрофильные наноструктуры
Гидрофильность Закупорка пор
Псевдоемкостные материалы (RuO 2 , MnO 2 , проводящие полимеры и т. Д.) Псевдоемкость Плохая стабильность Знакомство с синергетическими свойствами различных псевдоемкостных материалов
Электропроводность Закупорка пор
Уменьшенный SSA
Гетероатомные присадки (N 2 , S, P, F, B и т. Д.) Псевдоемкость Уменьшенный объем пор Совместное легирование с несколькими гетероатомами
Электропроводность
Смачиваемость
Стабильность
Поверхностно-активные вещества (катионные, ионные и наноионные) Поверхностный заряд Уменьшенный объем пор Использование смешанных поверхностно-активных веществ ради синергизма
Смачиваемость Электронное сопротивление
Избирательность
Активные сайты
Ионные каналы
Предотвратить коррозию
Ионообменные смолы (BHP55 и др.) и цвитерионных полимеров Поверхностный заряд Сопротивление Новые ионообменные смолы с превосходными свойствами
Избирательность Объем уменьш.
Механическая прочность
Инкапсуляция
Инертные газы (Ar, He, N 2 и т. Д.) Повышенная пористость

Во время электрохимической операции природа и конструкция электрода напрямую влияют на производительность ячейки CDI в данной конфигурации (расположение катода, анода, сепаратора и соленой воды вместе) и наоборот. Оптимизация свойств AC в направлении идеальности не может быть отделена от данной конфигурации ячейки CDI. Хотя электроды вносят существенный вклад в производительность CDI, они должны быть сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечить высокую производительность, стабильную циклическую стабильность, высокую скорость удаления и т. Д.Более того, выбор конфигурации ячейки CDI и правильное сочетание соответствующих электродов имеет важное значение для успеха этой технологии.

Существует взаимозависимость (рис. 8) между электродами, конфигурацией ячейки CDI и рабочими параметрами. 25 Следовательно, важно выбрать конфигурацию ячейки CDI, которая учитывает конструкцию и свойства электродов. В качестве альтернативы характеристики электродов могут определять конструкцию ячейки. Кроме того, функция конкретной конфигурации ячейки CDI может быть передана обычной ячейке CDI посредством модификации электродов.Например, Мин и др. 55 использовал неорганическую пористую пленку TiO 2 с привитым тироном на электроде переменного тока для получения свойств ионообменной эффективности и эффективности удаления солей MCDI (рис. 9a – 9c). Электрод показал хорошую ионообменную способность и сниженный эффект отталкивания коионов без использования ионообменной мембраны.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 8. Упрощенная схематическая иллюстрация взаимозависимости в производительности CDI и тестировании.Электрод, конфигурация ячейки CDI и рабочие параметры взаимозависимы, что оказывает ключевое влияние на всю производительность системы CDI. В то же время активность электрода определяется компромиссом между физическими, химическими и электрохимическими свойствами, присущими модификаторам в процессе проектирования.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 9. (a) Сравнение изменения проводимости (b) Скорость адсорбции, (c) Эффективность удаления солей, 55 (d) Средняя скорость адсорбции соли (ASAR), 86 (e) В FBCDI питающая вода проходит через сепаратор между электродами состоят из наноразмерных пор, которые увеличивают площадь поверхности, но предотвращают поток через электроды. (f) Поток в FTECDI, где питающая вода протекает непосредственно через электрод с иерархической пористостью, связанной с низким гидравлическим сопротивлением. 161

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Эффективность удаления солей в ячейке CDI с симметричными электродами зависит от баланса между отрицательными и положительными химическими зарядами на поверхности электрода. 156 Другими словами, оптимальная производительность была получена, когда чистый поверхностный заряд был равен нулю как для анода, так и для катода. Тем не менее, симметричная конфигурация более подвержена электрохимическому разрушению по сравнению с асимметричной конфигурацией, особенно при высоком рабочем напряжении. Таким образом, инкапсуляция электродов и использование IEM играют значительную роль в уменьшении замирания цикличности в симметричном CDI. С другой стороны, асимметричный CDI основан на различении двух электродов для установления расширенного окна напряжения, которое может работать за пределами напряжения термодинамического разложения. 174 Необходимые характеристики асимметричной конфигурации могут быть получены путем интеграции переменного тока с другими материалами. Выбирая электродные материалы или модифицируя эти материалы, можно повлиять на общую производительность системы CDI для данного сценария применения, а также повысить устойчивость системы к деградации при увеличении цикличности. 175 Однако из-за большого выбора материалов электродов, которые подходят для заданного окна напряжения, выбранные пары анода и катода в асимметричных или гибридных конфигурациях становятся более сложными в отношении емкости, а также показателей производительности и эффективности.

Чтобы избежать несоответствия емкостей между положительными электродами на основе оксида и отрицательными электродами на основе углерода, гетероатомы азота и кислорода, легированные переменным током, были назначены для использования в качестве идеального отрицательного электрода в асимметричной конфигурации. 113 С другой стороны, симметричная конфигурация с пористыми углеродными материалами, богатыми азотом, имеет конкурентное преимущество перед асимметричной конфигурацией, поскольку позволяет избежать дисбаланса мощности на двух концах (анод и катод). 73 Кроме того, за счет включения псевдоемкостных материалов в угольные электроды получают один с высокой емкостью, которая может ослабить дисбаланс масс в асимметричной конфигурации. По сути, электроды используют свойство псевдочувствительности, чтобы уменьшить несоответствие емкости и кинетики емкостного и фарадеевского электродов. Углеродные материалы, модифицированные озоном, являются подходящими кандидатами для изготовления отрицательных электродов; следовательно, для эффективной асимметричной конфигурации необходим положительный электрод с высоким перенапряжением для выделения кислорода.Кроме того, переменный ток, пропитанный оксидами переходных металлов или электроды на основе псевдочувствительных элементов, был назначен в качестве положительного электрода, чтобы расширить диапазон рабочих напряжений и избежать окислительной деградации . 121,125 Как правило, гибридные или асимметричные конфигурации обеспечивают улучшенные электрохимические характеристики за счет стратегической конструкции. В частности, гибридные конфигурации позволяют комбинировать емкостные и фарадеевские электроды или псевдоемкостные электроды в одной и той же ячейке CDI для увеличения емкости и скорости. 176 Более того, емкость гибридной конфигурации частично определяется фарадеевским электродом; следовательно, конструкция электрода с высокой скоростью имеет решающее значение, поскольку фарадеевские реакции протекают медленно.

Работа конфигурации i-CDI зависит исключительно от химического заряда поверхности. Образование химического заряда на поверхности переменного тока делает его подходящим электродом для i-CDI по сравнению с MCDI или обычным CDI (рис. 9d). Путем модификации электрод переменного тока может управлять характеристиками новой конструкции CDI с другим рабочим режимом, чем у обычного элемента CDI.Кроме того, электроды переменного тока со смещенным E PZC показывают лучшие характеристики в i-CDI, чем обычные CDI. Максимальная движущая сила для адсорбции предотвращает любое вытеснение положительных коионов в i-CDI за счет смещения E PZC анода из-за анодного окисления. 86 Подобно обычному CDI, i-CDI также ограничен низким напряжением ячейки. Тем не менее, перемещение электрода E PZC может увеличить окно рабочего напряжения i-CDI.

Режим потока в геометрии FTECDI в значительной степени определяется пористостью электрода.Кроме того, геометрия влияет на высокую скорость электроокисления положительно поляризованных электродов. 7 В основном, добавление макропор может уменьшить извилистость электрода переменного тока, тем самым увеличивая емкость и улучшая кинетику. Однако интегральный КПД этого электрода зависит от конкретной архитектуры ячейки. 45 Поток сырья в FBCDI проходит через сепаратор (рис. 9e) между электродами, который часто состоит из нанопор размером менее 50 нм (высокое SSA), которые страдают от плохого потока из-за высокого гидравлического сопротивления. 161 Существует улучшенный компромисс между SSA и распространением в FTECDI. Таким образом, при проектировании электродов следует учитывать режим потока в конкретной геометрии. Для FTECDI требуется высокопористый электрод с иерархической пористостью (рис. 9f), что обеспечивает как низкое гидравлическое сопротивление, так и высокую удельную емкость. Сусс и др. сообщили о достоинствах углеродных электродов с бимодальной структурой пор, связанных с низким гидравлическим сопротивлением в геометриях FTECDI.Использование макроскопического пористого электрода в FBCDI требует гораздо большего времени для зарядки и опреснения элементов. 158,161 Напротив, макроскопические пористые электроды в FTECDI позволяют значительно сократить время опреснения и опреснения при более высокой солености подачи на загрузку, 161 из-за преимуществ низкой извилистости, связанной с эффективным потоком. Для очень микропористого AC дальнейшая активация может создать больше мезопор, связанных с уменьшением SSA. С другой стороны, переменный ток с высоким значением SSA может не иметь высокой емкости, если большая часть площади поверхности не участвует в электросорбции.

Кроме того, геометрия FCDI возникла с использованием текучих углеродных электродов, 177 в которых вся поверхность может быть вовлечена в процесс опреснения, тем самым создавая высокую емкость. Однако проточные электроды страдают от относительно низкой проводимости из-за плохой связи частиц электродов переменного тока, что может препятствовать эффективности FCDI. По сути, высокая массовая нагрузка AC в суспензии приводит к одновременному увеличению связности и вязкости. 70 Тем не менее, имеется значительное улучшение характеристик за счет новой конструкции ячеек и оптимизации характеристик суспензии. 160

Производительность CDI зависит от электродов, архитектуры ячейки и рабочих параметров. Идеально оптимизированные электроды могут обеспечить львиную долю производительности в системах CDI. Переменный ток был основным материалом для изготовления электродов CDI, и с помощью различных модификаторов были получены новые возможности для оптимизации электродов.Регулируя физические и химические свойства, переменный ток, который демонстрирует повышенную активность и универсальность в отношении электрохимических характеристик, может быть дополнительно улучшен для повышения производительности систем CDI. Однако следует предупредить, что, как мы предположили выше, некоторые попытки изменить электроды в отношении одной благоприятной характеристики могут повлиять на другую пагубным образом. Действительно, в эпоху интенсивного использования модификаторов электродов существует потребность в рациональной конструкции без ущерба для некоторых показателей электрохимических характеристик.Что касается электрохимических характеристик, переменный ток обладает некоторыми внутренними недостатками, такими как гидрофобность и низкая проводимость, и поэтому можно рассмотреть возможность модификации электрода переменного тока материалами с превосходными электрохимическими свойствами.

На основе обсуждения было предложено несколько возможных будущих усовершенствований модификации переменного тока. Электропроводящие добавки с текстурой, аналогичной AC, могут поддерживать целостность поверхности и уменьшать перекрытие EDL. Кроме того, перед нанесением покрытия оксидами металлов необходимо определить текстурные характеристики переменного тока, чтобы контролировать размер пор в их композитах.Изготовление электродов без связующего или использование гидрофильных связующих с подходящей механической прочностью может уменьшить проблемы, связанные с использованием связующего. Эффективные электронные медиаторы могут повысить проводимость проточных электродов с желаемыми реологическими свойствами. Использование нескольких модификаторов может повысить улучшение емкости за счет использования их синергизма и / или сосуществования. Например, для увеличения емкости можно использовать совместное легирование нескольких гетероатомов. Кроме того, поверхностно-активные вещества могут влиять как на межфазное поведение, так и на электрохимические характеристики угольных электродов.Следовательно, мы можем постулировать, что усиление активности AC в смешанной системе поверхностно-активных веществ (синергизм) может быть намного лучше, чем использование одного поверхностно-активного вещества.

Однако, когда в состав электрода вводят несколько модификаторов, активность необходимо оценивать с учетом потенциальной опасности для здоровья. Другое предложение состоит в том, что при проектировании электродов переменного тока необходимо учитывать размеры. Путем переплетения переменного тока (нулевого измерения) с многомерными материалами можно улучшить характеристики электрода.В самом деле, разработка переменного тока с одномерным (1D), двухмерным (2D) или трехмерным (3D) материалом с использованием материалов разной размерности в качестве шаблонов или комбинации разных размерностей в одном и том же электроде может быть подходом к расширению Область проектирования электродов переменного тока для повышения производительности. Кроме того, большинство конструкций электродов, описанных в литературе, являются лабораторными исследованиями. Таким образом, полная оценка эффектов модификаторов в практическом контексте еще не подтверждена в крупном масштабе.Вообще говоря, зная влияние модификаторов на конструкцию электродов, можно получить представление о рациональной конструкции.

По сути, настройка всей системы является предварительным условием для того, чтобы уравновесить компромисс между проводимостью-пористостью, функциональной групповой пористостью, механической прочностью-гибкостью, SSA-диффузией, проводимостью-текучестью, эффективностью опреснения-эффективностью заряда и т. Д. к настраиваемому поведению переменного тока, которое можно было бы доработать для повышения производительности.Настройка физико-химических свойств переменного тока и гибридизация с другими материалами (с превосходной электрохимической активностью) по-прежнему открывает большие возможности для улучшения характеристик CDI. И последнее, но не менее важное: выбор модификатора должен учитывать необходимые характеристики электродов для данной конфигурации CDI. Другими словами, конструкция электродов должна соответствовать заданным характеристикам конкретной конфигурации CDI, которая будет использоваться для данного приложения, чтобы воспользоваться преимуществами взаимозависимости.Благодаря неустанным усилиям оптимизация электродов переменного тока за счет рациональной конструкции будет оставаться колыбелью для дальнейших прорывов в развитии технологии CDI.

Угольный электрод ДЭП (carbonDEP) | Многоуровневая производственная лаборатория

CarbonDEP относится к использованию углеродных микроэлектродов для индукции формы диэлектрофореза (DEP) на представляющих интерес биочастицах.

Термическая обработка органического предшественника в инертной атмосфере, процесс, обычно известный как пиролиз, дает углеродсодержащий материал, который является электропроводным, с удельным электрическим сопротивлением 1 X 10 -4 Ом / м, когда пиролиз проводится при температурах около 900 ° C в такой атмосфере, как азот.Такое сопротивление аналогично сопротивлению оксида индия и олова, но на четыре порядка больше, чем у Cu. Тем не менее, он по-прежнему позволяет использовать источники низкого напряжения, <20 В pp , для реализации практической силы диэлектрофореза (DEP), когда зазоры между электродами составляют порядка десятков микрометров. Хорошо известным преимуществом стеклоуглерода перед другими электродными материалами, такими как Au или Pt, является его более высокая электрохимическая стабильность. Это позволяет увеличить силу DEP при использовании угольных электродов, поскольку более высокое напряжение может быть приложено без электролиза образца.Что касается материалов, то полимерный предшественник для стеклоуглерода значительно дешевле благородных металлов.

Полный процесс изготовления устройств CarbonDEP показан на рисунке 1 и подробно описан в другом месте. Важными этапами являются 1) фотолитография SU-8, 2) карбонизация и 3) соединение угольных электродов в микрофлюидных сетях. Фотолитография SU-8 осуществляется в два этапа: а) изготовление плоских встречно-штыревых пальцев, которые станут углеродным соединением, приводит к основанию трехмерных углеродных электродов и б) изготовление геометрических фигур SU-8, которые станут трехмерными углеродными электродами.После создания трехмерной топографии СУ-8 ее помещают в трубчатую печь и подвергают термообработке в инертной атмосфере, обычно в азоте. При пиролизе происходит почти изометрическая усадка, которая особенно важна для DEP, поскольку зазоры между угольными электродами шире, чем в СУ-8. На необязательном этапе тонкий слой SU-8 толщиной около 2 мкм может быть нанесен на угольные электроды для электрической изоляции соединительных выводов и выравнивания поверхности вокруг основания электродов.Представленная последовательность изготовления часто приводит к получению плотных массивов углеродных электродов высотой ~ 100 мкм, которые эффективно увеличивают емкость ячейки на квадратный сантиметр устройств из углеродного DEP. Кроме того, этот процесс хорошо воспроизводится благодаря использованию коммерческих прекурсоров, таких как SU-8, и использованию фотолитографии для формирования рисунка.

Дополнительные ссылки

Ю. Йилдижан, Н. Эрдем, М. Ислам, Р. Мартинес-Дуарте и М. Элитас, «Диэлектрофоретическое разделение живых и мертвых моноцитов с использованием трехмерных углеродных электродов», Сенсоры, 17 (11), 2691 (2017).PDF

Р. Мартинес-Дуарте «Производственные проблемы и перспективы использования диэлектрофореза с угольными электродами при пробоподготовке» IET Nanobiotechnology (2016). Приглашенный критический обзор. Принятые рукописи

Ислам, Р. Нату, М. Ф. Ларрага-Мартинес и Р. Мартинес-Дуарте «Обогащение разбавленной клеточной популяции из больших объемов образцов с использованием трехмерного диэлектрофореза с углеродным электродом» Biomicrofluidics , 10, 033107 (2016). Принятые рукописи

М.Ислам, Р. Нату и Р. Мартинес-Дуарте, «Исследование ограничений и преимуществ использования настольных режущих плоттеров для создания микрофлюидных сетей» Microfluidics and Nanofluidics, 19, (4), 973-985 (2015). Принятые рукописи

М. Элитас, Р. Мартинес-Дуарте, Н. Дхар, Дж. Маккинни и П. Рено, «Очистка субпопуляций бактерий, обработанных антибиотиками», на основе диэлектрофореза. Лаборатория на микросхеме , 14, (11) 1850-1857 (2014). Видео. Принятые рукописи

р.Мартинес-Дуарте, «Диэлектрофорез с угольным электродом для манипулирования биочастицами». Транзакции ECS , 61, (7), 11-22 (2014). Принятые рукописи

Р. Мартинес-Дуарте «Технологии микропроизводства в приложениях диэлектрофореза», Область применения Общества электрофореза AES , сентябрь 2013 г.

Р. Мартинес-Дуарте, Ф. Камачо-Аланис, П. Рено и А. Рос, «Диэлектрофорез лямбда-ДНК с использованием трехмерных углеродных электродов» Электрофорез , 34, 1113-1122 (2013).

M.C. Харамилло, Р. Мартинес-Дуарте, М. Хюттенер, П. Рено, Э. Торренц и А. Хуарес, «Повышение чувствительности ПЦР путем удаления ингибиторов полимеразы из природных образцов с помощью диэлектрофореза». Биосенсоры и биоэлектроника , 43, 297-303 (2013).

Г. Мернье, Р. Мартинес-Дуарте, Р. Лехаль, Ф. Радтке и П. Рено, «Высокопроизводительный лизис электрических клеток и экстракция внутриклеточных соединений с использованием трехмерных углеродных электродов в устройствах« лаборатория на кристалле »» Микромашины , 3, 574-581 (2012).Открытый доступ.

Р. Мартинес-Дуарте и М. Маду, «Трехмерный диэлектрофорез с углеродным электродом», В центре внимания приложения Общества электрофореза AES , октябрь 2011 г. www.aesociety.org/areas/dielectrophoresis.php

Р. Мартинес-Дуарте, П. Рено и М. Дж. Маду, «Новый подход к диэлектрофорезу с использованием угольных электродов» Электрофорез , 32, 2385-2392 (2011). Принятые рукописи

Р. Мартинес-Дуарте, Р. Горкин, К. Аби-Самра, М. Маду, «Интеграция трехмерного диэлектрофореза с углеродным электродом на CD-подобной центробежной микрофлюидной платформе» Lab-on-a-chip , 10 , 8, 1030-1043 (2010).Принятые рукописи

М. К. Харамилло, Э. Торрентс, Р. Мартинес-Дуарте, М. Маду и А. Хуарес, «Разделение бактериальных клеток в режиме онлайн с помощью диэлектрофореза с угольным электродом» Электрофорез , 31, 2921-2928 (2010).

Р. Мартинес-Дуарте, Г. Турон Тейксидор, П. Мукерджи, К. Канг и М.Дж. Маду,
«Перспективы микро- и нано-изготовления углерода для электрохимических и микрожидкостных применений» в журнале «Микрофлюидика и микростроение» под редакцией С. Чакраборти, Springer , 181-263 (2009).PDF

Р. Мартинес-Дуарте, С. Сито, Э. Колладо-Арредондо, С. О. Мартинес и М. Маду, «Флюидодинамическая и электромагнитная характеристика трехмерного диэлектрофореза углерода с помощью анализа методом конечных элементов» Журнал датчиков и преобразователей , 3, 25 -36 (2008). Открытый доступ. PDF

Р. Мартинес-Дуарте «Сортировка клеток без этикеток с использованием диэлектрофореза с угольным электродом и центробежной микрофлюидики», Механическая и аэрокосмическая инженерия, Калифорнийский университет, Ирвин (2010).PDF

Наконечник стеклоуглеродного электрода

pH / Ионы, DO и проводимость Ищете титратор?

Вы ищете титратор, соответствующий вашим требованиям?

OMNIS

Новая система титрования для современной лаборатории: более быстрый анализ, более безопасное обращение с химическими веществами, соответствующее программное обеспечение, больше автоматизации.

Titrando

Высококачественный потенциометрический титратор, отвечающий любым требованиям: гибкий, совместимый, настраиваемый и автоматизированный

Ti-Touch

Компактный, простой в использовании потенциометрический титратор для широкого спектра рутинных титрований

Эко-титратор

Новый базовый титратор для всех стандартных задач потенциометрического титрования

Титрино плюс

Универсальный потенциометрический титратор начального уровня для базовых применений

Titrotherm

Термометрический титратор для быстрых определений, если невозможно применить потенциометрическое титрование

Ищете титратор KF?

Вы ищете титратор KF, соответствующий вашим требованиям?

OMNIS KF

Новый волюметрический титратор Карла Фишера для безопасного, простого и быстрого определения содержания воды

KF Titrando

Высококачественные титраторы для определения любого содержания воды от 0.001 до 100%

KF Ti-Touch

Компактный автономный объемный (> 0,1% воды) или кулонометрический (до 0,001% воды) титратор со встроенным блоком управления с сенсорным экраном

Титратор Eco KF

Базовый объемный титратор Карла Фишера для простого, безопасного и надежного повседневного определения содержания воды

KF Titrino plus

Титратор начального уровня для кулонометрического (содержание воды: от 0,001 до 1%) или объемного (до 100%) определения воды

Кулонометры

Наш ассортимент кулонометров для определения низкого содержания воды (0.001 до 1%).

Кулонометр Titrino

Базовый кулонометр для определения низкого содержания воды (до 0,001%)

Газоанализатор

Комплексная система определения воды в сжиженных и сжиженных газах

Ищете систему IC?

Найдите здесь подходящую систему ИС, отвечающую вашим требованиям.

940 Professional IC Vario

Система ионной хроматографии высокого класса для исследовательских приложений и разработки методов

930 Compact IC Flex

Компактная система ионной хроматографии для рутинного анализа

Эко IC

Ионный хроматограф начального уровня для анализа воды и ее использования в качестве учебного пособия.

Приемы с переносом через дефис

Расширьте область применения ионной хроматографии, подключив к вашей ИС Metrohm различные системы отбора проб и методы обнаружения.

IC против ВЭЖХ

IC — это метод выбора, когда ВЭЖХ не дает результатов.

Столбцы

Аксессуары и расходные материалы

Ищете метр?

Найдите подходящий измеритель для измерения pH, проводимости, кислорода или ионов

912/913/914 pH / DO / Кондуктометр

Простые в использовании измерители для использования в лаборатории и в полевых условиях

780/781 pH / иономер

Усовершенствованные измерители pH и иона для использования в лаборатории

Модули 867/856

Высококачественные модули для индивидуального измерения pH, ионов и проводимости

Обзор нашего ассортимента продукции для спектроскопии

Подберите спектрометр, соответствующий вашим требованиям.

Быстрый контроль качества с помощью NIRS

Узнайте, как NIRS может повысить вашу производительность и снизить затраты в вашей лаборатории контроля качества.

Спектроскопические анализаторы ближнего инфракрасного диапазона

Анализаторы ближней инфракрасной спектроскопии для рутинного анализа химических и физических свойств

Мгновенные рамановские анализаторы Metrohm

Ручной спектрометр для быстрой и простой идентификации неизвестных веществ

Решения для мобильной спектроскопии B&W Tek

B&W Tek предлагает полную линейку высокопроизводительных лабораторных, портативных и портативных рамановских систем.

Обзор наших решений VA и CVS

Найдите здесь подходящую систему VA или CVS для ваших требований.

Профессиональные инструменты VA / CVS

Передовые системы VA с высокопроизводительным программным обеспечением viva для определения следов тяжелых металлов с помощью полярографии и вольтамперометрии с высокой чувствительностью

Портативный анализатор ВА

Портативный вольтамперометрический анализатор для определения следов мышьяка, ртути и меди в воде

Базовые приготовления

Процесс VA

Пионеры в области анализа процессов

Мы любим решать аналитические задачи в Metrohm Process Analytics.

Обзор Process Analyzer

Узнайте больше о наших сериях анализаторов процессов

Анализаторы процессов 2060

Платформа модульного анализатора для максимальной гибкости в индивидуальном мониторинге процесса.

МАРГА

Полностью автономная система мониторинга ионов в аэрозолях и газах в окружающем воздухе

Анализаторы процессов NIRS XDS

Многоканальный анализатор для неразрушающего спектроскопического анализа в реальном времени

Анализаторы процессов NIRS PRO

Анализатор для непрерывного неразрушающего анализа с помощью контактных датчиков или бесконтактных измерений над конвейерной лентой или через стеклянное окно

Анализаторы процессов 2035

Доступны потенциометрические, фотометрические и термометрические анализаторы технологических процессов, а также дополнительное измерение pH и проводимости.

Серия 202X — анализаторы процесса для одного метода

Одномодовые технологические анализаторы для мониторинга воды и сточных вод методами титрования, pH, ISE или фотометрии.

ADI 204Y — Многофункциональные анализаторы процессов

Многофункциональные анализаторы процесса, адаптированные к вашим требованиям для многопараметрических измерений и потоков

Служба качества MPA

Наши качественные услуги варьируются от консультаций и поддержки приложений до установки, обучения, профилактического обслуживания и ремонта.

Обзор электрохимии

Найдите подходящее электрохимическое решение для ваших требований.

Компактная линия

Высококачественные инструменты потенциостата / гальваностата с небольшой площадью основания

VIONIC на платформе INTELLO

Один инструмент, чистое открытие для всех ваших электрохимических исследований.

Модульная линия

Модульные потенциостаты / гальваностаты для любых требований в электрохимических исследованиях

Многоканальная линия

Многоканальные потенциостаты / гальваностаты для одновременных измерений

Спектроэлектрохимия

Комплексное решение для комбинированного электрохимического и спектроскопического анализа.

Электрохимические электроды

Портативная линия

Компактный портативный потенциостат, управляемый ПК, для образовательных и базовых приложений

Обзор измерения стабильности

Узнайте больше о наших решениях для измерения стабильности.

Ранцимат

Прибор для определения стойкости к окислению натуральных масел и жиров.

Биодизель Rancimat

Прибор для определения устойчивости к окислению биодизельного и биодизельного смесей

ПВХ Термомат

Прибор для определения термостабильности ПВХ

Обзор обращения с жидкостью

Узнайте больше о наших решениях для работы с жидкостями.

Эко Досимат

Современная система подачи жидкостей для швейцарской точности и аккуратности по доступной цене.

Интерфейс дозирования 846

Инструмент для перекачки жидкостей для автономного использования или интеграции в существующие системы Metrohm

Досимат плюс

Высокоточный прибор с ручным управлением для всех задач, связанных с жидкостями

Поиск аксессуаров

Найдите дозаторы, пробирки, стеклянную посуду, мензурки и другие аксессуары и запасные части.

Поиск столбца

Найдите аналитические, улавливающие и защитные колонки для определения анионов и катионов.

Электрод Finder

Найдите электрод, подходящий для ваших задач: титрование, IC, измерение pH, VA, CVS, электрохимия и многое другое.

Поиск программного обеспечения

Найдите программное обеспечение Metrohm для титрования, IC, VA / CVS, измерения стабильности, электрохимии, спектроскопии и многого другого.

OMNIS KF — безопасное, легкое и быстрое титрование по Карлу Фишеру

Титрование по Карлу Фишеру никогда не было лучше:

  • Сейф обращение с реагентами,
  • Более легкое титрование за счет автоматического запуска
  • Время экономия за счет автоматизированных процедур
Откройте для себя OMNIS KF

Новый стеклоуглеродный электрод делает глубокую стимуляцию мозга более безопасной для пациентов

Представьте, что в ваш мозг вживляют электрод во время хирургической процедуры, которая включает в себя просверливание отверстий в черепе для его имплантации.Теперь представьте, что вы проходите МРТ для медицинского обследования, когда металлический электрод может реагировать на магнитные поля и вибрировать, выделять тепло или даже, возможно, повреждать мозг.

Это реальность, с которой могут столкнуться пациенты, нуждающиеся в глубокой стимуляции мозга.

Итак, исследование, опубликованное 18 ноября в журнале Nature Microsystems & Nanoengineering , описывает многообещающее усовершенствование процедуры, разработанной инженерами государственного университета Сан-Диего в сотрудничестве с исследователями из KIT, Германия.Исследовательская группа SDSU создала стеклоуглеродный электрод в качестве альтернативы металлической версии, и новые результаты показывают, что он не реагирует на сканирование МРТ, что делает его более безопасным.

Впервые разработанная в 2017 году в лаборатории MEMS исследователя Сэма Кассегна в SDSU, углеродная версия предназначена для более длительного пребывания в мозге без коррозии или разрушения, а также для излучения и приема более сильных сигналов. В 2018 году исследователи показали, что, хотя металлический электрод разрушается после 100 миллионов циклов электрических импульсов, приложенных к нему, стеклоуглеродный материал выжил 3.5 миллиардов циклов.

Глубокая стимуляция мозга — когда электроды, имплантированные в мозг, производят электрические импульсы, контролирующие ненормальные движения, — все чаще используется для людей с двигательными расстройствами, которые не поддаются лечению, например, у пациентов с болезнью Паркинсона, тремором и неконтролируемыми мышечными сокращениями. как дистония.

Его также рассматривают при черепно-мозговой травме, наркомании, слабоумие, депрессии и других состояниях, поэтому возможности его применения огромны.

До сих пор электроды изготавливались из тонкопленочного оксида платины или иридия. Но такие электроды на металлической основе могут выделять тепло, мешать изображениям МРТ, создавая яркие пятна, которые блокируют обзор исследуемой области мозга, и могут намагничиваться и двигаться или вибрировать, когда пациенты проходят сканирование, вызывая дискомфорт.

Углерод безопаснее

Наши лабораторные испытания показали, что, в отличие от металлического электрода, стеклоуглеродный электрод не намагничивается МРТ, поэтому он не раздражает мозг пациента.«

Сурабхи Нимбалкар, первый автор и докторант

Кроме того, он может считывать как химические, так и электрические сигналы из мозга, в то время как электроды на основе металла могут считывать только электрические сигналы, поэтому углеродный материал является мультимодальным, а также совместим с МРТ.

«Предполагается, что он будет встроен на всю жизнь, но проблема в том, что металлические электроды изнашиваются, поэтому мы думаем, как продлить его срок службы», — сказал Кассегне, старший автор и профессор машиностроения в SDSU.«По своей сути, углеродный тонкопленочный материал является однородным или представляет собой один сплошной материал, поэтому у него очень мало дефектных поверхностей. Платина имеет частицы металла, которые становятся слабыми местами, уязвимыми для коррозии».

Сотрудники KIT разработали новый прибор, который позволяет точно измерять вибрации во время МРТ. Работая с командой SDSU, они смогли протестировать новые угольные электроды прямо в сканере МРТ и подтвердить, что это более безопасная и лучшая альтернатива.

«Я был взволнован, увидев, что наш прибор для измерения вибрации позволяет провести этот совершенно новый сравнительный анализ реальных электродов, что облегчает анализ рисков», — сказал Эрвин Фюрер, первый автор статьи, недавно защитивший докторскую диссертацию.D от КИТ.

Fuhrer сосредоточился на разработке оборудования и приложений для испытаний на безопасность МРТ. Это сотрудничество впервые позволило провести обширные испытания электродов на предмет различных взаимодействий.

«Наши результаты моделирования подкрепили наши экспериментальные результаты и подтвердили дополнительную информацию о задействованных процессах», — сказал соавтор Педро Силва, аспирант лаборатории Корвинка.

Междисциплинарное сотрудничество

Кассегне, владеющий патентом на процесс изготовления электродов, работал над тонкопленочным углеродом в своей лаборатории более 10 лет, но стал участвовать в настройке его для неврологических приложений, когда его сотрудники из Вашингтонского университета и Массачусетса Институт технологий обратился к нему за его опытом в области микро- и нанотехнологий.

Вместе эти три учреждения являются частью Центра нейротехнологий, финансируемого Национальным научным фондом, который изучает новые способы лечения и восстановления головного и спинного мозга после травм.

Группа микро-МРТ в KIT, возглавляемая Яном Корвинком, работает над технологиями МРТ для мозга, в частности, над микроскопией МРТ, что является важным условием для анализа поведения этих маленьких электродов с детализацией с высоким разрешением. Кассегне и Корвинк встретились на конференции и решили вместе работать над проектом.

«Изобретать способы заставить аппарат МРТ видеть больше деталей мозга — наша ключевая задача», — сказал Корвинк, соавтор исследования.

Нимбалкар, докторант лаборатории Кассегне, имеющий два патента на рассмотрении, специализируется на разработке и производстве электродов, совместимых с процессом МРТ. Она работала с Марти Серено, директором центра МРТ SDSU, чтобы проверить углеродный материал.

«Мы сканировали электроды с использованием различных методов последовательности изображений и обнаружили, что стеклоуглерод вызывает гораздо меньшее искажение изображения», — сказал Серено.«Металл нарушает магнитное поле, вызывая искажения, но углеродное волокно имеет меньше индуцированных токов в магнитном поле, поэтому оно не оказывает никакого воздействия на сам электрод, что является преимуществом, поскольку оно внедрено в мягкие ткани мозга. »

После завершения лабораторных испытаний сотрудники Кассегне по клинической части теперь будут проверять угольные электроды на пациентах, в то время как Нимбалкар и Кассегне работают над испытаниями различных форм угля, которые будут использоваться в будущих электродах.

Источник:

Государственный университет Сан-Диего

Ссылка на журнал:

Нимбалкар, С., и др. . (2019) Стеклоуглеродные микроэлектроды минимизируют наведенные напряжения, механические колебания и артефакты при магнитно-резонансной томографии. Микросистемы и нанотехнология . doi.org/10.1038/s41378-019-0106-x.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.