Основна структура електролізера

електрод анод
Анод і катод мають різні функції та мають різні вимоги до матеріалів.
Діляться на дві категорії: розчинні та нерозчинні. В електролітичних елементах для рафінування міді матеріалом анода є розчинна чорнова мідь, яка підлягає рафінуванню. Він розчиняється в розчині під час електролізу, щоб поповнити мідь, яка виходить із розчину на катоді. В електролітичних елементах, які використовуються для електролізу водних розчинів (таких як розчини солоної води), аноди є нерозчинними, і вони в основному не змінюються під час процесу електролізу, але вони часто мають каталітичний ефект на анодні реакції, що здійснюються на поверхні електрода. У хімічній промисловості в основному використовують нерозчинні аноди.
На додаток до основних вимог до загальних електродних матеріалів (таких як провідність, каталітична активність, обробка, джерело, ціна), анодні матеріали також повинні бути нерозчинними та непасивованими в сильній анодній поляризації та високотемпературних анолітах. , з високою стабільністю. Графіт довгий час був найпоширенішим анодним матеріалом. Однак графіт пористий, має низьку механічну міцність і легко окислюється до вуглекислого газу. Він постійно корозує та відшаровується під час процесу електролізу, спричиняючи поступове збільшення відстані між електродами та підвищення напруги в комірці. При використанні для електролізу розчину солоної води перевищення потенціалу виділення хлору на графітовому електроді також є високим.
Металооксидний електрод, утворений шляхом нанесення покриття з оксиду рутенію та оксиду титану на титанову основу, запропонований Г. Біром у 1960-х роках, був головною інновацією в анодних матеріалах. Діоксид рутенію має гарну каталітичну активність для певних анодних реакцій, таких як виділення хлору та кисню, і може працювати при високій щільності струму з відносно низькою напругою в елементі. Найбільш видатною особливістю є те, що він має гарну хімічну стабільність і термін його служби набагато довший, ніж у графітових анодів. Наприклад, у мембранних електролізерах, які використовуються в хлорно-лужному виробництві, термін їх служби може досягати більше 10 років. Оскільки він нелегко піддається корозії та є стабільним за розмірами, його називають анодом зі стабільним розміром. Для адаптації до різних вимог і застосувань до покриття можна додавати інші компоненти. Наприклад, додавання олова та іридію може підвищити перенапругу кисню та покращити селективність анода. Додавання платини може підвищити стабільність електрода. В даний час металеві аноди з дорогоцінним металом широко просуваються в хімічній промисловості.
У електролізерах з розплавленою сіллю, оскільки температура електролізу значно вища, ніж у електролізерах з водним розчином, вимоги до матеріалів анодів суворіші. Для електролізу розплавленого гідроксиду натрію зазвичай використовують сталь, нікель та їх сплави. Для електролізу розплавленого хлориду можна використовувати тільки графіт.
катод
Коли метал або сплав використовується як катод, оскільки він працює з відносно негативним потенціалом, він часто може відігравати роль катодного захисту та є менш корозійним, тому матеріал катода легше вибрати. У водяній електролітичній комірці катод зазвичай викликає реакцію виділення водню та має високий перенапруження. Тому основним напрямком удосконалення катодних матеріалів є зменшення перенапруги виділення водню. За винятком випадків, коли в якості електроліту використовується сірчана кислота, свинець або графіт повинні використовуватися як катоди, низьковуглецева сталь є широко використовуваним катодним матеріалом. Для того, щоб зменшити енергоспоживання, в даний час використовуються різні методи для приготування катодів з високою питомою поверхнею і каталітичною активністю, таких як пористі нікельовані катоди.
Для підвищення якості продукту також можна використовувати спеціальні катодні матеріали. Наприклад, у ртутному катоді, який використовується для електролізу розчину солоної води для отримання каустичної соди за допомогою ртутного методу, високий потенціал виділення водню з ртуті використовується для виділення іонів натрію для створення амальгами натрію, яка потім використовується в спеціальному обладнання, амальгама натрію розкладається водою для отримання високочистого розчину лугу високої концентрації. Крім того, з метою економії електроенергії катод, що споживає кисень, також може використовуватися для зменшення кисню на катоді, щоб замінити реакцію виділення водню. Згідно з теоретичними розрахунками, напругу елемента можна знизити на 1,23 В.
діафрагма
Щоб запобігти змішуванню катодних і анодних продуктів і уникнути можливих шкідливих реакцій, в електролітичних комірках для розділення катодної та анодної камер в основному використовуються діафрагми. Діафрагма повинна мати певну пористість, щоб пропускати іони, не пропускаючи через неї молекули чи бульбашки. Коли струм протікає через діафрагму, омічний падіння напруги на діафрагмі має бути низьким. Ці вимоги до продуктивності залишаються в основному незмінними під час використання, і вони вимагають хорошої хімічної стабільності та механічної міцності під дією електролітів у катодній та анодній камерах. При електролізі води електроліти в катодній і анодній камерах однакові. Діафрагма електролізера потребує лише розділення камер катода та анода, щоб забезпечити чистоту водню та кисню та запобігти вибухам, викликаним змішуванням водню та кисню. Більш поширеною і складною є ситуація, коли склади електролітів в катодній і анодній камерах електролізера різні. У цей час діафрагма також повинна перешкоджати взаємній дифузії та взаємодії продуктів електроліту в електролітах катодної та анодної камер. Наприклад, діафрагма в діафрагмовому електролізері у виробництві хлорного лугу може збільшити опір гідроксид-іонів із камери катода до камери анода.
Діафрагми виготовлені з інертних матеріалів, таких як азбестові діафрагми, які давно використовуються в хлорно-лужній промисловості. Однак продуктивність азбестових сепараторів нестабільна. Коли розсіл містить домішки кальцію та магнію, у сепараторі легко утворюється осад гідроксиду, що знижує проникність. При відносно високих температурах і під дією електроліту можливе розбухання і розпушення. Злітати. З цією метою до азбесту можна додати смолу як армуючий матеріал або зробити мікропористу мембрану зі смоли як основного тіла, що може значно підвищити стабільність і механічну міцність. Катіонообмінна мембрана, розроблена в хлорно-лужному виробництві в останні роки, є новим типом мембранного матеріалу. Він має селективність щодо проникнення іонів, що може в основному запобігти потраплянню іонів хлориду в катодну камеру, завдяки чому можна отримати розчин лугу з надзвичайно низьким вмістом хлориду натрію.