Основная конструкция электролитической ячейки

электрод анод
Анод и катод имеют разные функции и требуют разных материалов.
Делится на две категории: растворимые и нерастворимые. В электролизерах для рафинирования меди материалом анода является растворимая черновая медь, подлежащая рафинированию. Он растворяется в растворе во время электролиза, чтобы пополнить медь, которая выходит из раствора на катоде. В электролизерах, применяемых для электролиза водных растворов (например, растворов соленой воды), аноды нерастворимы и практически не изменяются в процессе электролиза, но часто оказывают каталитическое воздействие на анодные реакции, протекающие на поверхности электрода. В химической промышленности чаще всего используются нерастворимые аноды.
Помимо удовлетворения основных требований к общим электродным материалам (таким как проводимость, сила каталитической активности, обработка, источник, цена), анодные материалы также должны быть нерастворимыми и непассивированными в сильной анодной поляризации и высокотемпературных анолитах. , с высокой стабильностью. Графит уже давно является наиболее широко используемым анодным материалом. Однако графит порист, имеет низкую механическую прочность и легко окисляется до углекислого газа. В процессе электролиза он постоянно подвергается коррозии и отслаиванию, в результате чего расстояние между электродами постепенно увеличивается, а напряжение элемента увеличивается. При использовании для электролиза раствора соленой воды перенапряжение выделения хлора на графитовом электроде также велико.
Электрод из оксида металла, образованный путем покрытия оксида рутения и оксида титана на титановой основе, предложенный Х. Биром в 1960-х годах, стал крупной инновацией в области анодных материалов. Диоксид рутения обладает хорошей каталитической активностью в отношении некоторых анодных реакций, таких как выделение хлора и кислорода, и может работать при высокой плотности тока при относительно низком напряжении элемента. Наиболее выдающейся особенностью является то, что он обладает хорошей химической стабильностью и его срок службы намного дольше, чем у графитовых анодов. Например, у диафрагменных электролизеров, используемых в хлорщелочном производстве, срок службы может достигать более 10 лет. Поскольку он не поддается коррозии и имеет стабильные размеры, его называют анодом со стабильными размерами. Чтобы адаптироваться к различным требованиям и способам применения, в покрытие можно добавлять другие компоненты. Например, добавление олова и иридия может увеличить перенапряжение кислорода и улучшить селективность анода. Добавление платины может улучшить стабильность электрода. В настоящее время в химической промышленности широкое распространение получили металлические аноды, покрытые драгоценными металлами.
В электролизерах на расплавах солей, поскольку температура электролиза значительно выше, чем в электролизерах на водном растворе, требования к материалам анода более строгие. Для электролиза расплавленного гидроксида натрия обычно используют сталь, никель и их сплавы. Для электролиза расплавленного хлорида можно использовать только графит.
катод
Когда в качестве катода используется металл или сплав, поскольку он работает при относительно отрицательном потенциале, он часто может играть роль в катодной защите и менее подвержен коррозии, поэтому материал катода легче выбрать. В водном электролизере катод обычно вызывает реакцию выделения водорода и имеет высокое перенапряжение. Поэтому основным направлением совершенствования катодных материалов является снижение перенапряжения выделения водорода. За исключением случаев, когда в качестве электролита используется серная кислота, в качестве катода необходимо использовать свинец или графит, обычно катодным материалом является низкоуглеродистая сталь. Для снижения энергопотребления в настоящее время используются различные методы изготовления катодов с высокой удельной поверхностью и каталитической активностью, например пористые никелированные катоды.
Для улучшения качества продукции также можно использовать специальные катодные материалы. Например, в ртутном катоде, используемом для электролиза раствора соленой воды с целью получения каустической соды ртутным методом, высокий перенапряжение выделения водорода из ртути используется для разряда ионов натрия с образованием амальгамы натрия, которая затем используется в специальном растворе. В оборудовании амальгаму натрия разлагают водой с получением раствора щелочи высокой чистоты и высокой концентрации. Кроме того, в целях экономии электроэнергии можно также использовать катод, потребляющий кислород, для восстановления кислорода на катоде для замены реакции выделения водорода. Согласно теоретическим расчетам, напряжение ячейки можно снизить на 1,23В.
диафрагма
Чтобы предотвратить смешивание катодных и анодных продуктов и избежать возможных вредных реакций, в электролизерах в основном применяют диафрагмы, разделяющие катодную и анодную камеры. Диафрагма должна иметь определенную пористость, чтобы пропускать ионы, не пропуская молекулы или пузырьки. Когда ток протекает через диафрагму, омическое падение напряжения на диафрагме должно быть низким. Эти требования к эксплуатационным характеристикам практически не изменяются во время использования и требуют хорошей химической стабильности и механической прочности под действием электролитов в катодной и анодной камерах. При электролизе воды электролиты в катодной и анодной камерах одинаковы. Диафрагме электролизера достаточно лишь разделить катодную и анодную камеры, чтобы обеспечить чистоту водорода и кислорода и предотвратить взрывы, вызванные смешением водорода и кислорода. Более распространенная и сложная ситуация заключается в том, что составы электролитов в катодной и анодной камерах электролизера различны. В это время диафрагма также должна предотвращать взаимную диффузию и взаимодействие продуктов электролита в электролитах катодной и анодной камер. Например, диафрагма в диафрагменном электролизере хлорщелочного производства позволяет повысить сопротивление гидроксид-ионов из катодной камеры в анодную камеру.
Диафрагмы изготавливаются из инертных материалов, таких как асбестовые диафрагмы, давно используемые в хлорщелочной промышленности. Однако производительность сепараторов асбеста нестабильна. Когда рассол содержит примеси кальция и магния, в сепараторе легко образуются осадки гидроксидов, снижающие проницаемость. При относительно высоких температурах и под действием электролита может произойти набухание и разрыхление. Снимать. Для этой цели к асбесту можно добавить смолу в качестве армирующего материала или можно изготовить микропористую мембрану со смолой в качестве основного тела, что может значительно улучшить стабильность и механическую прочность. Катионообменная мембрана, разработанная в последние годы в хлорщелочном производстве, представляет собой новый тип мембранного материала. Он обладает селективностью к проникновению ионов, что позволяет предотвратить попадание ионов хлорида в катодную камеру, что позволяет получить раствор щелочи с чрезвычайно низким содержанием хлорида натрия.