Cấu trúc chính của tế bào điện phân

cực dương điện cực
Cực dương và cực âm có chức năng khác nhau và có yêu cầu vật liệu khác nhau.
Chia thành hai loại: hòa tan và không hòa tan. Trong các tế bào điện phân để tinh chế đồng, vật liệu làm cực dương là đồng dạng vỉ hòa tan được tinh chế. Nó hòa tan vào dung dịch trong quá trình điện phân để bổ sung đồng thoát ra khỏi dung dịch ở cực âm. Trong các tế bào điện phân dùng để điện phân dung dịch nước (như dung dịch nước muối), cực dương không hòa tan và về cơ bản chúng không thay đổi trong quá trình điện phân, nhưng chúng thường có tác dụng xúc tác đối với các phản ứng cực dương diễn ra trên bề mặt điện cực. Trong công nghiệp hóa chất, cực dương không hòa tan được sử dụng chủ yếu.
Ngoài việc đáp ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu điện cực thông thường (như độ dẫn điện, cường độ hoạt động xúc tác, quá trình xử lý, nguồn, giá cả), vật liệu làm cực dương còn phải không hòa tan và không bị thụ động trong phân cực anốt mạnh và anolyte ở nhiệt độ cao hơn. , có độ ổn định cao. Than chì từ lâu đã là vật liệu làm cực dương được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, than chì xốp, có độ bền cơ học kém và dễ bị oxy hóa thành carbon dioxide. Nó liên tục bị ăn mòn và bong tróc trong quá trình điện phân, khiến khoảng cách điện cực tăng dần và điện áp tế bào tăng lên. Khi được sử dụng để điện phân dung dịch nước muối, khả năng sinh ra clo quá mức trên điện cực than chì cũng cao.
Điện cực oxit kim loại được hình thành bằng cách phủ oxit ruthenium và oxit titan trên nền titan do H. Beer đề xuất vào những năm 1960 là một cải tiến lớn trong vật liệu làm cực dương. Ruthenium dioxide có hoạt tính xúc tác tốt cho một số phản ứng cực dương như tiến hóa clo và tiến hóa oxy, và có thể hoạt động ở mật độ dòng điện cao với điện áp tế bào tương đối thấp. Đặc điểm nổi bật nhất là nó có độ ổn định hóa học tốt và tuổi thọ làm việc dài hơn nhiều so với cực dương than chì. Ví dụ, trong máy điện phân màng dùng trong sản xuất clo-kiềm, tuổi thọ của chúng có thể lên tới hơn 10 năm. Bởi vì nó không dễ bị ăn mòn và ổn định về kích thước nên nó được gọi là cực dương ổn định về kích thước. Để thích ứng với các yêu cầu và mục đích sử dụng khác nhau, các thành phần khác có thể được thêm vào lớp phủ. Ví dụ, thêm thiếc và iridium có thể làm tăng thế năng của oxy và cải thiện tính chọn lọc của cực dương. Thêm bạch kim có thể cải thiện độ ổn định của điện cực. Hiện nay, cực dương kim loại phủ kim loại quý đã được quảng bá rộng rãi trong ngành hóa chất.
Trong máy điện phân muối nóng chảy, do nhiệt độ điện phân cao hơn nhiều so với nhiệt độ trong máy điện phân dung dịch nước nên yêu cầu đối với vật liệu làm cực dương cũng khắt khe hơn. Để điện phân natri hydroxit nóng chảy, thép, niken và hợp kim của chúng thường được sử dụng. Để điện phân clorua nóng chảy, chỉ có thể sử dụng than chì.
cực âm
Khi kim loại hoặc hợp kim được sử dụng làm cực âm, vì nó hoạt động ở điện thế tương đối âm nên nó thường có thể đóng vai trò bảo vệ catốt và ít bị ăn mòn hơn, do đó vật liệu làm cực âm dễ dàng lựa chọn hơn. Trong pin điện phân chứa nước, cực âm thường tạo ra phản ứng giải phóng hydro và có hiệu điện thế cao. Do đó, hướng cải tiến chính của vật liệu catốt là giảm quá mức phát triển hydro. Ngoại trừ khi sử dụng axit sunfuric làm chất điện phân, chì hoặc than chì phải được sử dụng làm cực âm, thép cacbon thấp là vật liệu làm cực âm thường được sử dụng. Để giảm mức tiêu thụ điện năng, nhiều phương pháp khác nhau hiện đang được sử dụng để chế tạo cực âm có diện tích bề mặt riêng và hoạt tính xúc tác cao, chẳng hạn như cực âm mạ niken xốp.
Để nâng cao chất lượng sản phẩm, vật liệu catốt đặc biệt cũng có thể được sử dụng. Ví dụ, trong cực âm thủy ngân dùng để điện phân dung dịch nước muối để sản xuất xút bằng phương pháp thủy ngân, thế năng cao của quá trình tạo ra hydro từ thủy ngân được sử dụng để phóng các ion natri để tạo ra hỗn hống natri, sau đó được sử dụng trong một công nghệ đặc biệt. thiết bị, hỗn hống natri được phân hủy với nước để tạo ra dung dịch kiềm có độ tinh khiết cao, nồng độ cao. Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng điện, người ta cũng có thể sử dụng cực âm tiêu thụ oxy để khử oxy ở cực âm để thay thế cho phản ứng tiến hóa hydro. Theo tính toán lý thuyết, điện áp của tế bào có thể giảm 1,23V.
cơ hoành
Để ngăn chặn sự trộn lẫn của các sản phẩm cực âm và cực dương và tránh các phản ứng có hại có thể xảy ra, trong các tế bào điện phân, màng ngăn về cơ bản được sử dụng để ngăn cách các buồng cực âm và cực dương. Màng ngăn cần có độ xốp nhất định để cho các ion đi qua mà không cho các phân tử hay bong bóng đi qua. Khi dòng điện chạy qua màng ngăn, điện áp rơi trên màng ngăn phải thấp. Các yêu cầu về hiệu suất này về cơ bản không thay đổi trong quá trình sử dụng và chúng đòi hỏi độ ổn định hóa học và độ bền cơ học tốt dưới tác dụng của chất điện phân trong buồng cực âm và cực dương. Khi điện phân nước, chất điện phân ở buồng cực âm và cực dương là như nhau. Màng ngăn của tế bào điện phân chỉ cần ngăn cách các buồng cực âm và cực dương để đảm bảo độ tinh khiết của hydro và oxy và ngăn ngừa các vụ nổ do trộn lẫn hydro và oxy. Một tình huống phổ biến và phức tạp hơn là thành phần chất điện phân trong buồng cực âm và cực dương của tế bào điện phân là khác nhau. Lúc này, màng ngăn cũng cần ngăn chặn sự khuếch tán và tương tác lẫn nhau của các sản phẩm điện phân trong chất điện phân của buồng cực âm và cực dương. Ví dụ, màng ngăn trong tế bào điện phân màng trong sản xuất clo-kiềm có thể làm tăng điện trở của các ion hydroxit từ buồng cực âm sang buồng cực dương.
Màng ngăn được làm bằng vật liệu trơ, chẳng hạn như màng chắn amiăng được sử dụng từ lâu trong ngành công nghiệp clo-kiềm. Tuy nhiên, hiệu suất của máy tách amiăng không ổn định. Khi nước muối chứa tạp chất canxi và magie, kết tủa hydroxit dễ dàng được tạo ra trong thiết bị phân tách, làm giảm tính thấm. Ở nhiệt độ tương đối cao và dưới tác dụng của chất điện phân, có thể xảy ra hiện tượng sưng tấy và lỏng lẻo. Cởi. Với mục đích này, nhựa có thể được thêm vào amiăng làm vật liệu gia cố hoặc màng vi xốp có thể được chế tạo bằng nhựa làm thân chính, có thể cải thiện đáng kể độ ổn định và độ bền cơ học. Màng trao đổi cation được phát triển trong sản xuất clo-kiềm trong những năm gần đây là một loại vật liệu màng mới. Nó có tính chọn lọc cho sự thẩm thấu ion, về cơ bản có thể ngăn chặn các ion clorua xâm nhập vào buồng cực âm, do đó có thể tạo ra dung dịch kiềm có hàm lượng natri clorua cực thấp.