1. Elettrodo
Anodo
L'anodo e il catodo hanno funzioni diverse e hanno requisiti materiali diversi.
Divisi in due categorie: solubili e insolubili. Nelle celle elettrolitiche per la raffinazione del rame, il materiale dell'anodo è rame blister solubile da raffinare. Si dissolve nella soluzione durante l'elettrolisi per ricostituire il rame che esce dalla soluzione al catodo. Nelle celle elettrolitiche utilizzate per elettrolizzare soluzioni acquose (come soluzioni di acqua salata), gli anodi sono insolubili e sostanzialmente non cambiano durante il processo di elettrolisi, ma spesso hanno un effetto catalitico sulle reazioni anodiche effettuate sulla superficie dell'elettrodo. Nell'industria chimica vengono utilizzati principalmente anodi insolubili.
Oltre a soddisfare i requisiti di base dei materiali generali degli elettrodi (come conduttività, intensità dell'attività catalitica, lavorazione, fonte, prezzo), i materiali anodici devono anche essere insolubili e non passivati in forte polarizzazione anodica e anoliti a temperatura più elevata. , con elevata stabilità. La grafite è da tempo il materiale anodico più utilizzato. Tuttavia, la grafite è porosa, ha scarsa resistenza meccanica e si ossida facilmente in anidride carbonica. Viene costantemente corroso e staccato durante il processo di elettrolisi, provocando un aumento graduale della distanza degli elettrodi e un aumento della tensione della cella. Se utilizzato per l'elettrolisi della soluzione di acqua salata, anche il sovrapotenziale di sviluppo di cloro sull'elettrodo di grafite è elevato.
L'elettrodo di ossido di metallo formato rivestendo ossido di rutenio e ossido di titanio su una base di titanio proposto da H. Beer negli anni '60 fu un'importante innovazione nei materiali anodici. Il biossido di rutenio ha una buona attività catalitica per alcune reazioni anodiche come l'evoluzione del cloro e l'evoluzione dell'ossigeno e può funzionare ad alta densità di corrente con una tensione di cella relativamente bassa. La caratteristica più notevole è che ha una buona stabilità chimica e la sua durata operativa è molto più lunga di quella degli anodi di grafite. Ad esempio, negli elettrolizzatori a membrana utilizzati nella produzione di cloro-alcali, la loro durata può raggiungere più di 10 anni. Poiché non è facile da corrodere ed è dimensionalmente stabile, è chiamato anodo dimensionalmente stabile. Per adattarsi alle diverse esigenze e utilizzi è possibile aggiungere al rivestimento altri componenti. Ad esempio, l'aggiunta di stagno e iridio può aumentare il sovrapotenziale dell'ossigeno e migliorare la selettività dell'anodo. L'aggiunta di platino può migliorare la stabilità dell'elettrodo. Attualmente, gli anodi metallici rivestiti di metalli preziosi sono stati ampiamente promossi nell'industria chimica.
Negli elettrolizzatori a sale fuso, poiché la temperatura di elettrolisi è molto più elevata di quella degli elettrolizzatori a soluzione acquosa, i requisiti per i materiali anodici sono più severi. Per l'elettrolisi dell'idrossido di sodio fuso vengono generalmente utilizzati acciaio, nichel e loro leghe. Per l'elettrolisi del cloruro fuso è possibile utilizzare solo la grafite.
Catodo
Quando come catodo viene utilizzato un metallo o una lega, poiché funziona a un potenziale relativamente negativo, può spesso svolgere un ruolo nella protezione catodica ed è meno corrosivo, quindi il materiale del catodo è più facile da selezionare. In una cella elettrolitica acquosa, il catodo produce generalmente una reazione di sviluppo di idrogeno e presenta un elevato sovrapotenziale. Pertanto, la principale direzione di miglioramento dei materiali catodici è quella di ridurre il sovrapotenziale di sviluppo dell'idrogeno. Tranne quando si utilizza acido solforico come elettrolita, come catodo è necessario utilizzare piombo o grafite, l'acciaio a basso tenore di carbonio è un materiale catodico comunemente utilizzato. Al fine di ridurre il consumo energetico, attualmente vengono utilizzati vari metodi per preparare catodi con elevata area superficiale specifica e attività catalitica, come catodi porosi nichelati.
Per migliorare la qualità del prodotto, possono essere utilizzati anche materiali catodici speciali. Ad esempio, nel catodo di mercurio utilizzato per elettrolizzare la soluzione di acqua salata per produrre soda caustica utilizzando il metodo del mercurio, l'elevato sovrapotenziale di sviluppo di idrogeno dal mercurio viene utilizzato per scaricare ioni sodio per generare amalgama di sodio, che viene poi utilizzato in uno speciale attrezzature, l'amalgama di sodio viene decomposto con acqua per preparare una soluzione alcalina ad alta purezza e concentrazione. Inoltre, per risparmiare energia elettrica, è possibile utilizzare anche un catodo che consuma ossigeno per ridurre l'ossigeno al catodo per sostituire la reazione di sviluppo dell'idrogeno. Secondo i calcoli teorici la tensione della cella può essere ridotta di 1,23 V.
2. Diaframma
Per impedire la miscelazione dei prodotti catodici e anodici ed evitare possibili reazioni dannose, nelle celle elettrolitiche vengono utilizzati fondamentalmente dei diaframmi per separare le camere catodica e anodica. Il diaframma deve avere una certa porosità per consentire il passaggio degli ioni senza consentire il passaggio di molecole o bolle. Quando la corrente scorre attraverso il diaframma, la caduta di tensione ohmica del diaframma deve essere bassa. Questi requisiti prestazionali rimangono sostanzialmente invariati durante l'uso e richiedono una buona stabilità chimica e resistenza meccanica sotto l'azione degli elettroliti nelle camere catodica e anodica. Quando si elettrolizza l'acqua, gli elettroliti nelle camere del catodo e dell'anodo sono gli stessi. Il diaframma della cella elettrolitica deve solo separare le camere del catodo e dell'anodo per garantire la purezza dell'idrogeno e dell'ossigeno e prevenire esplosioni causate dalla miscelazione di idrogeno e ossigeno. Una situazione più comune e complicata è che le composizioni dell'elettrolito nelle camere del catodo e dell'anodo della cella elettrolitica sono diverse. In questo momento, il diaframma deve anche impedire la diffusione reciproca e l'interazione dei prodotti elettrolitici negli elettroliti delle camere catodica e anodica. Ad esempio, il diaframma nella cella elettrolitica a diaframma nella produzione di cloro-alcali può aumentare la resistenza degli ioni idrossido dalla camera catodica alla camera anodica.
I diaframmi sono realizzati con materiali inerti, come i diaframmi di amianto utilizzati da tempo nell'industria dei cloro-alcali. Tuttavia, le prestazioni dei separatori di amianto sono instabili. Quando la salamoia contiene impurità di calcio e magnesio, nel separatore si genera facilmente la precipitazione di idrossido, riducendo la permeabilità. A temperature relativamente elevate e sotto l'azione dell'elettrolita possono verificarsi rigonfiamenti e allentamenti. Decollare. A questo scopo, è possibile aggiungere resina all'amianto come materiale di rinforzo, oppure è possibile realizzare una membrana microporosa con resina come corpo principale, il che può migliorare notevolmente la stabilità e la resistenza meccanica. La membrana a scambio cationico sviluppata negli ultimi anni nella produzione di cloro-alcali è un nuovo tipo di materiale per membrane. Ha selettività per la permeazione ionica, che sostanzialmente può impedire agli ioni cloruro di entrare nella camera catodica, in modo da poter produrre una soluzione alcalina con un contenuto di cloruro di sodio estremamente basso.