Główna struktura ogniwa elektrolitycznego

anoda elektrodowa
Anoda i katoda mają różne funkcje i mają różne wymagania materiałowe.
Dzieli się na dwie kategorie: rozpuszczalne i nierozpuszczalne. W ogniwach elektrolitycznych do rafinacji miedzi materiałem anodowym jest rozpuszczalna miedź konwertorowa przeznaczona do rafinacji. Rozpuszcza się w roztworze podczas elektrolizy, aby uzupełnić miedź wydobywającą się z roztworu na katodzie. W ogniwach elektrolitycznych stosowanych do elektrolizy roztworów wodnych (takich jak roztwory słonej wody) anody są nierozpuszczalne i w zasadzie nie zmieniają się podczas procesu elektrolizy, często jednak mają działanie katalityczne na reakcje anodowe zachodzące na powierzchni elektrody. W przemyśle chemicznym najczęściej stosuje się nierozpuszczalne anody.
Oprócz spełnienia podstawowych wymagań stawianych ogólnym materiałom elektrod (takim jak przewodność, siła działania katalitycznego, przetwarzanie, źródło, cena), materiały anodowe muszą być również nierozpuszczalne i niepasywowane w silnej polaryzacji anodowej i anolitach o wyższej temperaturze. , o dużej stabilności. Grafit jest od dawna najpopularniejszym materiałem anodowym. Jednakże grafit jest porowaty, ma słabą wytrzymałość mechaniczną i łatwo utlenia się do dwutlenku węgla. Podczas procesu elektrolizy ulega on ciągłej korozji i złuszczaniu, co powoduje stopniowe zwiększanie się odległości między elektrodami i zwiększanie napięcia ogniwa. W przypadku elektrolizy roztworu słonej wody nadpotencjał wydzielania się chloru na elektrodzie grafitowej jest również wysoki.
Elektroda z tlenku metalu utworzona przez pokrycie tlenku rutenu i tlenku tytanu na bazie tytanu zaproponowana przez H. Beera w latach sześćdziesiątych XX wieku była główną innowacją w materiałach anodowych. Dwutlenek rutenu ma dobrą aktywność katalityczną w przypadku niektórych reakcji anodowych, takich jak wydzielanie chloru i wydzielanie tlenu, i może pracować przy dużej gęstości prądu przy stosunkowo niskim napięciu ogniwa. Najbardziej wyróżniającą się cechą jest to, że ma dobrą stabilność chemiczną, a jego żywotność jest znacznie dłuższa niż w przypadku anod grafitowych. Na przykład w elektrolizerach membranowych stosowanych w produkcji chloro-alkalicznych ich żywotność może sięgać ponad 10 lat. Ponieważ nie jest łatwa do korozji i jest stabilna wymiarowo, nazywa się ją anodą stabilną wymiarowo. Aby dostosować się do różnych wymagań i zastosowań, do powłoki można dodać inne składniki. Na przykład dodanie cyny i irydu może zwiększyć nadpotencjał tlenu i poprawić selektywność anody. Dodatek platyny może poprawić stabilność elektrody. Obecnie anody z metali szlachetnych pokryte metalami szlachetnymi są szeroko promowane w przemyśle chemicznym.
W elektrolizerach ze stopioną solą, ponieważ temperatura elektrolizy jest znacznie wyższa niż w elektrolizerach z roztworem wodnym, wymagania dotyczące materiałów anodowych są bardziej rygorystyczne. Do elektrolizy stopionego wodorotlenku sodu powszechnie stosuje się stal, nikiel i ich stopy. Do elektrolizy stopionego chlorku można stosować wyłącznie grafit.
katoda
Kiedy jako katodę stosuje się metal lub stop, ponieważ działa on przy stosunkowo ujemnym potencjale, często może odgrywać rolę w ochronie katodowej i jest mniej korozyjny, dlatego łatwiej jest wybrać materiał na katodę. W wodnym ogniwie elektrolitycznym katoda zazwyczaj wytwarza reakcję wydzielania się wodoru i ma wysoki nadpotencjał. Dlatego głównym kierunkiem udoskonalania materiałów katodowych jest zmniejszenie nadpotencjału wydzielania się wodoru. Z wyjątkiem sytuacji, gdy jako elektrolit stosuje się kwas siarkowy, jako katodę należy zastosować ołów lub grafit, powszechnie stosowanym materiałem katodowym jest stal niskowęglowa. Aby zmniejszyć zużycie energii, obecnie stosuje się różne metody wytwarzania katod o dużej powierzchni właściwej i aktywności katalitycznej, takich jak porowate katody niklowane.
W celu poprawy jakości produktu można także zastosować specjalne materiały katodowe. Na przykład w katodzie rtęciowej stosowanej do elektrolizy roztworu słonej wody w celu wytworzenia sody kaustycznej metodą rtęciową wysoki nadpotencjał wydzielania się wodoru z rtęci jest wykorzystywany do wyładowania jonów sodu w celu wytworzenia amalgamatu sodu, który następnie wykorzystuje się w specjalnym procesie sprzętem amalgamat sodu rozkłada się wodą w celu otrzymania roztworu alkalicznego o wysokiej czystości i wysokim stężeniu. Ponadto, aby oszczędzać energię elektryczną, można również zastosować katodę pochłaniającą tlen w celu redukcji tlenu na katodzie w celu zastąpienia reakcji wydzielania wodoru. Według obliczeń teoretycznych napięcie ogniwa można obniżyć o 1,23 V.
membrana
Aby zapobiec mieszaniu się produktów katody i anody oraz uniknąć możliwych szkodliwych reakcji, w ogniwach elektrolitycznych zasadniczo stosuje się przepony w celu oddzielenia komór katody i anody. Membrana musi mieć określoną porowatość, aby umożliwić przepływ jonów, bez przepuszczania cząsteczek lub pęcherzyków. Gdy prąd przepływa przez membranę, spadek napięcia omowego na membranie musi być niski. Te wymagania eksploatacyjne pozostają zasadniczo niezmienione podczas użytkowania i wymagają dobrej stabilności chemicznej i wytrzymałości mechanicznej pod działaniem elektrolitów w komorach katodowych i anodowych. Podczas elektrolizy wody elektrolity w komorze katodowej i anodowej są takie same. Membrana ogniwa elektrolitycznego musi jedynie oddzielić komory katody i anody, aby zapewnić czystość wodoru i tlenu oraz zapobiec eksplozjom spowodowanym zmieszaniem wodoru i tlenu. Bardziej powszechną i skomplikowaną sytuacją jest to, że skład elektrolitów w komorze katodowej i anodowej ogniwa elektrolitycznego jest inny. W tym czasie membrana musi również zapobiegać wzajemnej dyfuzji i oddziaływaniu produktów elektrolitycznych w elektrolitach komór katodowych i anodowych. Na przykład membrana w ogniwie elektrolitycznym membranowym podczas produkcji chloro-alkalicznej może zwiększyć opór jonów wodorotlenkowych z komory katodowej do komory anodowej.
Membrany są wykonane z materiałów obojętnych, takich jak membrany azbestowe od dawna stosowane w przemyśle chloro-alkalicznym. Jednakże działanie separatorów azbestu jest niestabilne. Gdy solanka zawiera zanieczyszczenia wapniem i magnezem, w separatorze łatwo powstają wodorotlenki, które zmniejszają przepuszczalność. W stosunkowo wysokich temperaturach i pod działaniem elektrolitu może wystąpić pęcznienie i rozluźnianie. Startować. W tym celu do azbestu można dodać żywicę jako materiał wzmacniający lub można wykonać mikroporowatą membranę z żywicy jako głównego korpusu, co może znacznie poprawić stabilność i wytrzymałość mechaniczną. Membrana kationowymienna opracowana w ostatnich latach w produkcji chloro-alkalicznej to nowy rodzaj materiału membranowego. Ma selektywność przenikania jonów, co może zasadniczo zapobiegać przedostawaniu się jonów chlorkowych do komory katodowej, dzięki czemu można wytworzyć roztwór alkaliczny o wyjątkowo niskiej zawartości chlorku sodu.