Hauptstruktur der Elektrolysezelle

Elektrodenanode
Anode und Kathode haben unterschiedliche Funktionen und stellen unterschiedliche Materialanforderungen.
In zwei Kategorien unterteilt: löslich und unlöslich. In Elektrolysezellen zur Raffination von Kupfer ist das Anodenmaterial lösliches Blisterkupfer, das raffiniert werden soll. Es löst sich während der Elektrolyse in der Lösung auf, um das Kupfer, das an der Kathode aus der Lösung austritt, wieder aufzufüllen. In Elektrolysezellen, die der Elektrolyse wässriger Lösungen (z. B. Salzwasserlösungen) dienen, sind die Anoden unlöslich und verändern sich während des Elektrolysevorgangs grundsätzlich nicht, haben jedoch häufig eine katalytische Wirkung auf die an der Elektrodenoberfläche ablaufenden Anodenreaktionen. In der chemischen Industrie werden meist unlösliche Anoden eingesetzt.
Anodenmaterialien müssen nicht nur die Grundanforderungen allgemeiner Elektrodenmaterialien (wie Leitfähigkeit, Stärke der katalytischen Aktivität, Verarbeitung, Quelle, Preis) erfüllen, sondern auch in starken anodischen Polarisationen und Anolyten mit höheren Temperaturen unlöslich und nicht passiviert sein. , mit hoher Stabilität. Graphit ist seit langem das am häufigsten verwendete Anodenmaterial. Graphit ist jedoch porös, weist eine geringe mechanische Festigkeit auf und oxidiert leicht zu Kohlendioxid. Es wird während des Elektrolyseprozesses ständig korrodiert und abgeblättert, wodurch sich der Elektrodenabstand allmählich vergrößert und die Zellspannung ansteigt. Bei der Elektrolyse von Salzwasserlösungen ist das Überpotential der Chlorentwicklung an der Graphitelektrode ebenfalls hoch.
Die von H. Beer in den 1960er Jahren vorgeschlagene Metalloxidelektrode, die durch Auftragen von Rutheniumoxid und Titanoxid auf eine Titanbasis gebildet wurde, war eine bedeutende Innovation bei Anodenmaterialien. Rutheniumdioxid hat eine gute katalytische Aktivität für bestimmte Anodenreaktionen wie die Chlor- und Sauerstoffentwicklung und kann bei hoher Stromdichte und relativ niedriger Zellspannung arbeiten. Das herausragendste Merkmal ist die gute chemische Stabilität und die viel längere Lebensdauer als Graphitanoden. Beispielsweise kann die Lebensdauer von Membranelektrolyseuren, die in der Chlor-Alkali-Produktion eingesetzt werden, mehr als 10 Jahre betragen. Da es nicht leicht korrodiert und formstabil ist, wird es als formstabile Anode bezeichnet. Zur Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Einsatzzwecke können der Beschichtung weitere Komponenten zugesetzt werden. Beispielsweise kann die Zugabe von Zinn und Iridium das Überpotential von Sauerstoff erhöhen und die Selektivität der Anode verbessern. Durch die Zugabe von Platin kann die Stabilität der Elektrode verbessert werden. Derzeit werden edelmetallbeschichtete Metallanoden in der chemischen Industrie stark gefördert.
Bei Elektrolyseuren mit geschmolzenem Salz sind die Anforderungen an Anodenmaterialien strenger, da die Elektrolysetemperatur viel höher ist als bei Elektrolyseuren mit wässriger Lösung. Für die Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid werden im Allgemeinen Stahl, Nickel und deren Legierungen verwendet. Für die Elektrolyse von geschmolzenem Chlorid kann nur Graphit verwendet werden.
Kathode
Wenn als Kathode ein Metall oder eine Legierung verwendet wird, kann es oft eine Rolle beim kathodischen Schutz spielen, da es bei einem relativ negativen Potenzial arbeitet und weniger korrosiv ist, sodass das Kathodenmaterial einfacher auszuwählen ist. In einer wässrigen Elektrolysezelle erzeugt die Kathode im Allgemeinen eine Wasserstoffentwicklungsreaktion und weist ein hohes Überpotential auf. Daher besteht die Hauptverbesserungsrichtung von Kathodenmaterialien darin, das Überpotential der Wasserstoffentwicklung zu verringern. Außer bei Verwendung von Schwefelsäure als Elektrolyt muss als Kathode Blei oder Graphit verwendet werden. Als Kathodenmaterial wird häufig kohlenstoffarmer Stahl verwendet. Um den Stromverbrauch zu senken, werden derzeit verschiedene Methoden zur Herstellung von Kathoden mit hoher spezifischer Oberfläche und katalytischer Aktivität eingesetzt, beispielsweise poröse, vernickelte Kathoden.
Zur Verbesserung der Produktqualität können auch spezielle Kathodenmaterialien eingesetzt werden. Beispielsweise wird in der Quecksilberkathode, die zur Elektrolyse von Salzwasserlösung zur Herstellung von Natronlauge nach der Quecksilbermethode verwendet wird, das hohe Überpotential der Wasserstoffentwicklung aus Quecksilber zur Entladung von Natriumionen zur Erzeugung von Natriumamalgam genutzt, das dann in einem speziellen Verfahren verwendet wird In der Ausrüstung wird Natriumamalgam mit Wasser zersetzt, um eine hochreine, hochkonzentrierte Alkalilösung herzustellen. Um elektrische Energie zu sparen, kann außerdem eine Sauerstoff verbrauchende Kathode verwendet werden, um den Sauerstoff an der Kathode zu reduzieren und die Wasserstoffentwicklungsreaktion zu ersetzen. Nach theoretischen Berechnungen kann die Zellspannung um 1,23 V gesenkt werden.
Membran
Um die Vermischung von Kathoden- und Anodenprodukten zu verhindern und mögliche schädliche Reaktionen zu vermeiden, werden in Elektrolysezellen grundsätzlich Diaphragmen zur Trennung der Kathoden- und Anodenkammern eingesetzt. Das Diaphragma muss eine gewisse Porosität aufweisen, um den Durchtritt von Ionen zu ermöglichen, ohne dass Moleküle oder Blasen hindurchtreten können. Wenn Strom durch die Membran fließt, muss der ohmsche Spannungsabfall der Membran gering sein. Diese Leistungsanforderungen bleiben im Einsatz grundsätzlich unverändert und erfordern eine gute chemische Stabilität und mechanische Festigkeit unter Einwirkung der Elektrolyte in den Kathoden- und Anodenkammern. Bei der Elektrolyse von Wasser sind die Elektrolyte in der Kathoden- und Anodenkammer gleich. Das Diaphragma der Elektrolysezelle muss lediglich die Kathoden- und Anodenkammer trennen, um die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff sicherzustellen und Explosionen durch die Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff zu verhindern. Eine häufigere und kompliziertere Situation besteht darin, dass die Elektrolytzusammensetzungen in den Kathoden- und Anodenkammern der Elektrolysezelle unterschiedlich sind. Zu diesem Zeitpunkt muss das Diaphragma auch die gegenseitige Diffusion und Wechselwirkung von Elektrolytprodukten in den Elektrolyten der Kathoden- und Anodenkammern verhindern. Beispielsweise kann das Diaphragma in der Diaphragma-Elektrolysezelle bei der Chlor-Alkali-Produktion den Widerstand der Hydroxidionen von der Kathodenkammer zur Anodenkammer erhöhen.
Membranen bestehen aus inerten Materialien, wie beispielsweise die Asbestmembranen, die seit langem in der Chloralkaliindustrie verwendet werden. Allerdings ist die Leistung von Asbestabscheidern instabil. Wenn die Sole Kalzium- und Magnesiumverunreinigungen enthält, kommt es im Abscheider leicht zu Hydroxidniederschlägen, die die Durchlässigkeit verringern. Bei relativ hohen Temperaturen und unter Elektrolyteinwirkung kann es zu Quellungen und Lockerungen kommen. Abheben. Zu diesem Zweck kann Asbest Harz als Verstärkungsmaterial zugesetzt werden oder eine mikroporöse Membran mit Harz als Hauptkörper hergestellt werden, was die Stabilität und mechanische Festigkeit erheblich verbessern kann. Die in den letzten Jahren in der Chlor-Alkali-Produktion entwickelte Kationenaustauschermembran ist ein neuartiges Membranmaterial. Es verfügt über eine Selektivität für die Ionenpermeation, die grundsätzlich verhindern kann, dass Chloridionen in die Kathodenkammer gelangen, sodass eine Alkalilösung mit extrem niedrigem Natriumchloridgehalt erzeugt werden kann.