Hlavná štruktúra elektrolytického článku

elektródová anóda
Anóda a katóda majú rôzne funkcie a majú rôzne požiadavky na materiál.
Delí sa na dve kategórie: rozpustné a nerozpustné. V elektrolytických článkoch na rafináciu medi je materiálom anódy rozpustná bublinková meď, ktorá sa má rafinovať. Rozpúšťa sa v roztoku počas elektrolýzy, aby sa doplnila meď, ktorá vychádza z roztoku na katóde. V elektrolytických článkoch používaných na elektrolýzu vodných roztokov (ako sú roztoky slanej vody) sú anódy nerozpustné a v podstate sa nemenia počas procesu elektrolýzy, ale často majú katalytický účinok na anódové reakcie prebiehajúce na povrchu elektródy. V chemickom priemysle sa väčšinou používajú nerozpustné anódy.
Okrem splnenia základných požiadaviek na všeobecné elektródové materiály (ako je vodivosť, sila katalytickej aktivity, spracovanie, zdroj, cena) musia byť anódové materiály tiež nerozpustné a nepasivované v silnej anodickej polarizácii a vysokoteplotných anolytoch. , s vysokou stabilitou. Grafit je dlhodobo najpoužívanejším anódovým materiálom. Grafit je však porézny, má slabú mechanickú pevnosť a ľahko sa oxiduje na oxid uhličitý. Počas procesu elektrolýzy neustále koroduje a odlupuje sa, čím sa postupne zvyšuje vzdialenosť elektród a zvyšuje sa napätie článku. Pri použití na elektrolýzu roztoku slanej vody je tiež vysoký potenciál vývoja chlóru na grafitovej elektróde.
Elektróda z oxidu kovu vytvorená potiahnutím oxidu ruténia a oxidu titánu na báze titánu, ktorú navrhol H. Beer v 60. rokoch minulého storočia, bola hlavnou inováciou v anódových materiáloch. Oxid ruténičitý má dobrú katalytickú aktivitu pre určité anódové reakcie, ako je vývoj chlóru a vývoj kyslíka, a môže pracovať pri vysokej prúdovej hustote s relatívne nízkym napätím článku. Najvýraznejšou vlastnosťou je, že má dobrú chemickú stabilitu a jej životnosť je oveľa dlhšia ako životnosť grafitových anód. Napríklad v membránových elektrolyzéroch používaných pri výrobe chlóru a zásad môže ich životnosť dosiahnuť viac ako 10 rokov. Pretože nie je ľahké korodovať a je rozmerovo stabilný, nazýva sa rozmerovo stabilná anóda. Za účelom prispôsobenia sa rôznym požiadavkám a použitiam je možné do náteru pridať ďalšie komponenty. Napríklad pridanie cínu a irídia môže zvýšiť nadmerný potenciál kyslíka a zlepšiť selektivitu anódy. Pridanie platiny môže zlepšiť stabilitu elektródy. V súčasnosti sú v chemickom priemysle široko propagované anódy potiahnuté drahými kovmi.
V elektrolyzéroch s roztavenou soľou, pretože teplota elektrolýzy je oveľa vyššia ako v elektrolyzéroch s vodným roztokom, sú požiadavky na anódové materiály prísnejšie. Na elektrolýzu roztaveného hydroxidu sodného sa všeobecne používa oceľ, nikel a ich zliatiny. Na elektrolýzu roztaveného chloridu možno použiť iba grafit.
katóda
Keď sa ako katóda používa kov alebo zliatina, pretože pracuje s relatívne negatívnym potenciálom, môže často hrať úlohu pri katódovej ochrane a je menej korozívna, takže materiál katódy sa ľahšie vyberá. Vo vodnom elektrolytickom článku katóda vo všeobecnosti vytvára reakciu na vývoj vodíka a má vysoký nadmerný potenciál. Hlavným smerom zlepšenia katódových materiálov je preto zníženie nadmerného potenciálu vývoja vodíka. Okrem prípadov, keď sa ako elektrolyt používa kyselina sírová, ako katóda sa musí použiť olovo alebo grafit, bežne používaným katódovým materiálom je nízkouhlíková oceľ. Aby sa znížila spotreba energie, v súčasnosti sa na prípravu katód s vysokým špecifickým povrchom a katalytickou aktivitou používajú rôzne metódy, ako sú porézne poniklované katódy.
Na zlepšenie kvality produktu je možné použiť aj špeciálne katódové materiály. Napríklad v ortuťovej katóde, ktorá sa používa na elektrolýzu roztoku slanej vody na výrobu lúhu s použitím ortuťovej metódy, sa vysoký nadmerný potenciál vývoja vodíka z ortuti využíva na vybíjanie iónov sodíka na generovanie sodíkového amalgámu, ktorý sa potom používa v špeciálnom V zariadení sa amalgám sodný rozloží vodou, čím sa pripraví vysoko čistý alkalický roztok s vysokou koncentráciou. Okrem toho, aby sa ušetrila elektrická energia, môže sa na redukciu kyslíka na katóde použiť aj katóda spotrebovávajúca kyslík, aby sa nahradila reakcia vývoja vodíka. Podľa teoretických výpočtov je možné napätie článku znížiť o 1,23V.
bránica
Aby sa zabránilo zmiešaniu produktov katódy a anódy a zabránilo sa možným škodlivým reakciám, v elektrolytických článkoch sa na oddelenie katódových a anódových komôr v zásade používajú membrány. Membrána musí mať určitú pórovitosť, aby umožnila iónom prejsť cez ňu bez toho, aby cez ňu prešli molekuly alebo bubliny. Keď cez membránu preteká prúd, musí byť ohmický úbytok napätia na membráne nízky. Tieto výkonnostné požiadavky zostávajú počas používania v podstate nezmenené a vyžadujú dobrú chemickú stabilitu a mechanickú pevnosť pri pôsobení elektrolytov v katódových a anódových komorách. Pri elektrolýze vody sú elektrolyty v katódovej a anódovej komore rovnaké. Membrána elektrolytického článku potrebuje iba oddeliť katódovú a anódovú komoru, aby sa zabezpečila čistota vodíka a kyslíka a zabránilo sa výbuchom spôsobeným zmiešaním vodíka a kyslíka. Bežnejšou a komplikovanejšou situáciou je, že zloženie elektrolytu v katódovej a anódovej komore elektrolytického článku je odlišné. V tomto čase musí membrána tiež zabrániť vzájomnej difúzii a interakcii elektrolytických produktov v elektrolytoch katódovej a anódovej komory. Napríklad membrána v membránovom elektrolytickom článku pri výrobe chlóru a zásad môže zvýšiť odpor hydroxidových iónov z katódovej komory do anódovej komory.
Membrány sú vyrobené z inertných materiálov, ako sú azbestové membrány, ktoré sa dlho používajú v chlór-alkalickom priemysle. Výkon separátorov azbestu je však nestabilný. Keď soľanka obsahuje vápenaté a horčíkové nečistoty, v separátore sa ľahko vytvára zrážanie hydroxidu, čím sa znižuje priepustnosť. Pri relatívne vysokých teplotách a pri pôsobení elektrolytu môže dôjsť k opuchu a uvoľneniu. Vzlietnuť. Na tento účel sa môže k azbestu pridať živica ako výstužný materiál alebo sa môže vyrobiť mikroporézna membrána so živicou ako hlavným telom, čo môže výrazne zlepšiť stabilitu a mechanickú pevnosť. Katiónová výmenná membrána vyvinutá v posledných rokoch pri výrobe chlóru a alkálií je novým typom membránového materiálu. Má selektivitu pre iónovú permeáciu, ktorá môže v podstate zabrániť chloridovým iónom vstúpiť do katódovej komory, takže možno vyrobiť alkalický roztok s extrémne nízkym obsahom chloridu sodného.