Hoofdstructuur van elektrolytische cel

elektrode anode
De anode en kathode hebben verschillende functies en stellen verschillende materiaalvereisten.
Verdeeld in twee categorieën: oplosbaar en onoplosbaar. In elektrolytische cellen voor het raffineren van koper is het anodemateriaal oplosbaar blisterkoper dat moet worden verfijnd. Het lost tijdens elektrolyse op in de oplossing om het koper aan te vullen dat bij de kathode uit de oplossing komt. In elektrolytische cellen die worden gebruikt voor het elektrolyseren van waterige oplossingen (zoals zoutwateroplossingen), zijn de anodes onoplosbaar en veranderen ze in principe niet tijdens het elektrolyseproces, maar ze hebben vaak een katalytisch effect op de anodereacties die op het elektrodeoppervlak worden uitgevoerd. In de chemische industrie worden veelal onoplosbare anodes gebruikt.
Naast het voldoen aan de basisvereisten van algemene elektrodematerialen (zoals geleidbaarheid, katalytische activiteitssterkte, verwerking, bron, prijs), moeten anodematerialen ook onoplosbaar en niet-gepassiveerd zijn bij sterke anodische polarisatie en anolyten bij hogere temperaturen. , met hoge stabiliteit. Grafiet is lange tijd het meest gebruikte anodemateriaal geweest. Grafiet is echter poreus, heeft een slechte mechanische sterkte en wordt gemakkelijk geoxideerd tot kooldioxide. Het wordt tijdens het elektrolyseproces voortdurend gecorrodeerd en afgepeld, waardoor de elektrodeafstand geleidelijk toeneemt en de celspanning toeneemt. Bij gebruik voor de elektrolyse van een zoutwateroplossing is de overpotentiaal van de chloorontwikkeling op de grafietelektrode ook hoog.
De metaaloxide-elektrode gevormd door het coaten van rutheniumoxide en titaniumoxide op een titaniumbasis, voorgesteld door H. Beer in de jaren zestig, was een belangrijke innovatie op het gebied van anodematerialen. Rutheniumdioxide heeft een goede katalytische activiteit voor bepaalde anodereacties, zoals de ontwikkeling van chloor en zuurstof, en kan werken bij een hoge stroomdichtheid met een relatief lage celspanning. Het meest opvallende kenmerk is dat het een goede chemische stabiliteit heeft en dat de levensduur veel langer is dan die van grafietanodes. Bij diafragma-elektrolyseapparaten die worden gebruikt bij de productie van chlooralkali kan de levensduur bijvoorbeeld meer dan tien jaar bedragen. Omdat het niet gemakkelijk corrodeert en maatvast is, wordt het een maatstabiele anode genoemd. Om aan verschillende eisen en toepassingen aan te passen, kunnen andere componenten aan de coating worden toegevoegd. Het toevoegen van tin en iridium kan bijvoorbeeld de overpotentiaal van zuurstof vergroten en de selectiviteit van de anode verbeteren. Het toevoegen van platina kan de stabiliteit van de elektrode verbeteren. Momenteel worden met edelmetaal beklede metalen anodes op grote schaal gepromoot in de chemische industrie.
Omdat de elektrolysetemperatuur in gesmolten-zoutelektrolyseapparaten veel hoger is dan die in elektrolyseapparaten met waterige oplossingen, zijn de eisen voor anodematerialen strenger. Voor de elektrolyse van gesmolten natriumhydroxide worden doorgaans staal, nikkel en hun legeringen gebruikt. Voor de elektrolyse van gesmolten chloride kan alleen grafiet worden gebruikt.
kathode
Wanneer metaal of een legering als kathode wordt gebruikt, kan het, omdat het op een relatief negatief potentiaal werkt, vaak een rol spelen bij de kathodische bescherming en is het minder corrosief, zodat het kathodemateriaal gemakkelijker te selecteren is. In een waterige elektrolytische cel produceert de kathode doorgaans een waterstofontwikkelingsreactie en heeft deze een hoge overpotentiaal. Daarom is de belangrijkste verbeteringsrichting van kathodematerialen het verminderen van de overpotentiaal van waterstofontwikkeling. Behalve wanneer zwavelzuur als elektrolyt wordt gebruikt, moet lood of grafiet als kathode worden gebruikt, is staal met een laag koolstofgehalte een veelgebruikt kathodemateriaal. Om het energieverbruik te verminderen, worden momenteel verschillende methoden gebruikt om kathoden te vervaardigen met een hoog specifiek oppervlak en een hoge katalytische activiteit, zoals poreuze vernikkelde kathoden.
Om de productkwaliteit te verbeteren kunnen ook speciale kathodematerialen worden gebruikt. In de kwikkathode die bijvoorbeeld wordt gebruikt om een ​​zoutwateroplossing te elektrolyseren om bijtende soda te produceren met behulp van de kwikmethode, wordt het hoge overpotentiaal van waterstofontwikkeling uit kwik gebruikt om natriumionen vrij te geven om natriumamalgaam te genereren, dat vervolgens wordt gebruikt in een speciale techniek. apparatuur wordt natriumamalgaam ontleed met water om een ​​zeer zuivere, hooggeconcentreerde alkalische oplossing te bereiden. Om elektrische energie te besparen kan bovendien ook een zuurstofverbruikende kathode worden gebruikt om de zuurstof aan de kathode te verminderen, ter vervanging van de waterstofontwikkelingsreactie. Volgens theoretische berekeningen kan de celspanning met 1,23V worden verlaagd.
diafragma
Om het mengen van kathode- en anodeproducten te voorkomen en mogelijke schadelijke reacties te voorkomen, worden in elektrolytische cellen in principe diafragma's gebruikt om de kathode- en anodekamers te scheiden. Het diafragma moet een bepaalde porositeit hebben om ionen door te laten zonder dat moleculen of bellen erdoorheen kunnen. Wanneer er stroom door het membraan vloeit, moet de ohmse spanningsval over het membraan laag zijn. Deze prestatie-eisen blijven tijdens gebruik in principe onveranderd en vereisen een goede chemische stabiliteit en mechanische sterkte onder invloed van de elektrolyten in de kathode- en anodekamers. Bij het elektrolyseren van water zijn de elektrolyten in de kathode- en anodekamers hetzelfde. Het diafragma van de elektrolytische cel hoeft alleen de kathode- en anodekamers te scheiden om de zuiverheid van waterstof en zuurstof te garanderen en explosies te voorkomen die worden veroorzaakt door het mengen van waterstof en zuurstof. Een meer algemene en gecompliceerde situatie is dat de elektrolytsamenstellingen in de kathode- en anodekamers van de elektrolytische cel verschillend zijn. Op dit moment moet het diafragma ook de onderlinge diffusie en interactie van elektrolytische producten in de elektrolyten van de kathode- en anodekamers voorkomen. Het diafragma in de diafragma-elektrolytische cel bij de productie van chlooralkali kan bijvoorbeeld de weerstand van de hydroxide-ionen van de kathodekamer naar de anodekamer vergroten.
Membranen zijn gemaakt van inerte materialen, zoals de asbestmembranen die al lang in de chloor-alkali-industrie worden gebruikt. De prestaties van asbestafscheiders zijn echter instabiel. Wanneer de pekel calcium- en magnesiumverontreinigingen bevat, ontstaat er gemakkelijk hydroxide-precipitatie in de afscheider, waardoor de permeabiliteit wordt verminderd. Bij relatief hoge temperaturen en onder invloed van elektrolyt kan zwelling en loslating optreden. Opstijgen. Voor dit doel kan hars aan asbest worden toegevoegd als versterkend materiaal, of kan een microporeus membraan worden gemaakt met hars als hoofdlichaam, wat de stabiliteit en mechanische sterkte aanzienlijk kan verbeteren. Het kationenuitwisselingsmembraan dat de afgelopen jaren is ontwikkeld bij de productie van chlooralkali, is een nieuw type membraanmateriaal. Het heeft een selectiviteit voor ionenpermeatie, die in principe kan voorkomen dat chloride-ionen de kathodekamer binnendringen, zodat een alkalische oplossing met een extreem laag natriumchloridegehalte kan worden geproduceerd.