Hovedstrukturen til elektrolysecellen

elektrode anode
Anoden og katoden har forskjellige funksjoner og har forskjellige materialkrav.
Delt inn i to kategorier: løselig og uløselig. I elektrolyseceller for raffinering av kobber er anodematerialet løselig blisterkobber som skal raffineres. Det løses opp i løsningen under elektrolyse for å fylle opp kobberet som kommer ut av løsningen ved katoden. I elektrolyseceller som brukes til å elektrolysere vandige løsninger (som saltvannsløsninger), er anodene uløselige og de endres i utgangspunktet ikke under elektrolyseprosessen, men de har ofte en katalytisk effekt på anodereaksjonene som utføres på elektrodeoverflaten. I kjemisk industri brukes mest uløselige anoder.
I tillegg til å oppfylle de grunnleggende kravene til generelle elektrodematerialer (som ledningsevne, katalytisk aktivitetsstyrke, prosessering, kilde, pris), må anodematerialer også være uløselige og ikke-passiverte i sterk anodisk polarisering og høyere temperatur anolytter. , med høy stabilitet. Grafitt har lenge vært det mest brukte anodematerialet. Imidlertid er grafitt porøs, har dårlig mekanisk styrke og oksideres lett til karbondioksid. Den er konstant korrodert og skrelles av under elektrolyseprosessen, noe som fører til at elektrodeavstanden gradvis øker og cellespenningen øker. Når det brukes til elektrolyse av saltvannsløsning, er overpotensialet for klorutvikling på grafittelektroden også høyt.
Metalloksidelektroden dannet ved å belegge ruteniumoksid og titanoksid på en titanbase foreslått av H. Beer på 1960-tallet var en stor innovasjon innen anodematerialer. Rutheniumdioksid har god katalytisk aktivitet for visse anodereaksjoner som klorutvikling og oksygenutvikling, og kan fungere ved høy strømtetthet med relativt lav cellespenning. Den mest fremtredende egenskapen er at den har god kjemisk stabilitet og at levetiden er mye lengre enn for grafittanoder. For eksempel, i diafragmaelektrolysatorer som brukes i klor-alkali-produksjon, kan levetiden deres nå mer enn 10 år. Fordi den ikke er lett å korrodere og er dimensjonsstabil, kalles den en dimensjonsstabil anode. For å tilpasse seg ulike krav og bruksområder kan andre komponenter legges til belegget. For eksempel kan tilsetning av tinn og iridium øke overpotensialet for oksygen og forbedre selektiviteten til anoden. Tilsetning av platina kan forbedre stabiliteten til elektroden. For tiden har edelmetallbelagte metallanoder blitt mye promotert i den kjemiske industrien.
I smeltede saltelektrolysatorer er kravene til anodematerialer strengere fordi elektrolysetemperaturen er mye høyere enn i vannoppløsningselektrolysatorer. For elektrolyse av smeltet natriumhydroksid brukes vanligvis stål, nikkel og deres legeringer. For elektrolyse av smeltet klorid kan kun grafitt brukes.
katode
Når metall eller legering brukes som katode, siden det fungerer med et relativt negativt potensial, kan det ofte spille en rolle i katodisk beskyttelse og er mindre korrosivt, så katodematerialet er lettere å velge. I en vandig elektrolysecelle produserer katoden generelt en hydrogenutviklingsreaksjon og har et høyt overpotensial. Derfor er hovedforbedringsretningen for katodematerialer å redusere hydrogenutviklingsoverpotensialet. Bortsett fra ved bruk av svovelsyre som elektrolytt, må bly eller grafitt brukes som katode, er lavkarbonstål et vanlig katodemateriale. For å redusere strømforbruket, brukes ulike metoder for tiden for å fremstille katoder med høyt spesifikt overflateareal og katalytisk aktivitet, slik som porøse nikkelbelagte katoder.
For å forbedre produktkvaliteten kan spesielle katodematerialer også brukes. For eksempel, i kvikksølvkatoden som brukes til å elektrolysere saltvannsløsning for å produsere kaustisk soda ved bruk av kvikksølvmetoden, brukes det høye overpotensialet for hydrogenutvikling fra kvikksølv til å slippe ut natriumioner for å generere natriumamalgam, som deretter brukes i en spesiell utstyr, er natriumamalgam dekomponert med vann for å fremstille høy renhet, høy konsentrasjon alkaliløsning. I tillegg, for å spare elektrisk energi, kan en oksygenforbrukende katode også brukes til å redusere oksygen ved katoden for å erstatte hydrogenutviklingsreaksjonen. I følge teoretiske beregninger kan cellespenningen reduseres med 1,23V.
diafragma
For å forhindre blanding av katode- og anodeprodukter og unngå mulige skadelige reaksjoner, brukes i elektrolyseceller i utgangspunktet membraner for å skille katode- og anodekamrene. Membranen må ha en viss porøsitet for å la ioner passere uten å la molekyler eller bobler passere gjennom. Når det går strøm gjennom membranen, må det ohmske spenningsfallet til membranen være lavt. Disse ytelseskravene forblir i hovedsak uendret under bruk, og de krever god kjemisk stabilitet og mekanisk styrke under påvirkning av elektrolyttene i katode- og anodekamrene. Ved elektrolyse av vann er elektrolyttene i katode- og anodekamrene de samme. Membranen til elektrolysecellen trenger bare å skille katode- og anodekamrene for å sikre renheten av hydrogen og oksygen og forhindre eksplosjoner forårsaket av blanding av hydrogen og oksygen. En mer vanlig og komplisert situasjon er at elektrolyttsammensetningene i katode- og anodekamrene til elektrolysecellen er forskjellige. På dette tidspunktet må membranen også forhindre gjensidig diffusjon og interaksjon av elektrolytiske produkter i elektrolyttene til katode- og anodekamrene. For eksempel kan membranen i diafragma-elektrolysecellen i klor-alkali-produksjon øke motstanden til hydroksidionene fra katodekammeret til anodekammeret.
Membraner er laget av inerte materialer, slik som asbestmembranene som lenge har vært brukt i klor-alkaliindustrien. Ytelsen til asbestseparatorer er imidlertid ustabil. Når saltlaken inneholder kalsium- og magnesiumurenheter, genereres det lett hydroksydutfelling i separatoren, noe som reduserer permeabiliteten. Ved relativt høye temperaturer og under påvirkning av elektrolytt kan det oppstå hevelse og løsning. Ta av. For dette formålet kan harpiks tilsettes asbest som et forsterkende materiale, eller en mikroporøs membran kan lages med harpiks som hovedlegeme, noe som i stor grad kan forbedre stabiliteten og den mekaniske styrken. Kationbyttermembranen utviklet i klor-alkali-produksjon de siste årene er en ny type membranmateriale. Den har selektivitet for ionegjennomtrengning, som i utgangspunktet kan forhindre at kloridioner kommer inn i katodekammeret, slik at det kan produseres en alkaliløsning med ekstremt lavt natriumkloridinnhold.