1. Elektrodi
Anodi
Anodilla ja katodilla on erilaiset toiminnot ja erilaiset materiaalivaatimukset.
Jaettu kahteen luokkaan: liukoinen ja liukenematon. Kuparin jalostukseen tarkoitetuissa elektrolyyttikennoissa anodimateriaalina on liukoista kuparia, joka on puhdistettava. Se liukenee liuokseen elektrolyysin aikana täydentämään kuparia, joka tulee ulos liuoksesta katodilla. Vesiliuosten (kuten suolavesiliuosten) elektrolysointiin käytetyissä elektrolyyttikennoissa anodit ovat liukenemattomia eivätkä periaatteessa muutu elektrolyysiprosessin aikana, mutta niillä on usein katalyyttinen vaikutus elektrodin pinnalla tapahtuviin anodireaktioihin. Kemianteollisuudessa käytetään enimmäkseen liukenemattomia anodeja.
Sen lisäksi, että anodimateriaalit täyttävät yleisten elektrodimateriaalien perusvaatimukset (kuten johtavuus, katalyyttisen aktiivisuuden lujuus, käsittely, lähde, hinta), anodimateriaalien tulee olla myös liukenemattomia ja passivoimattomia vahvassa anodisessa polarisaatiossa ja korkeampien lämpötilojen anolyyteissä. , jolla on korkea vakaus. Grafiitti on pitkään ollut yleisimmin käytetty anodimateriaali. Grafiitti on kuitenkin huokoista, sillä on huono mekaaninen lujuus ja se hapettuu helposti hiilidioksidiksi. Se syöpyy ja kuoriutuu jatkuvasti elektrolyysiprosessin aikana, jolloin elektrodin etäisyys kasvaa vähitellen ja kennojännite kasvaa. Kun sitä käytetään suolavesiliuoksen elektrolyysiin, kloorin kehittymisen ylipotentiaali grafiittielektrodilla on myös suuri.
Metallioksidielektrodi, joka muodostettiin pinnoittamalla ruteenioksidia ja titaanioksidia titaanialustalle, H. Beer ehdotti 1960-luvulla, oli merkittävä innovaatio anodimateriaaleissa. Ruteenidioksidilla on hyvä katalyyttinen aktiivisuus tietyissä anodireaktioissa, kuten kloorin ja hapen kehittyessä, ja se voi toimia suurella virrantiheydellä suhteellisen alhaisella kennojännitteellä. Merkittävin ominaisuus on, että sillä on hyvä kemiallinen stabiilisuus ja sen käyttöikä on paljon pidempi kuin grafiittianodien. Esimerkiksi kloori-alkalituotannossa käytettävissä kalvoelektrolysaattoreissa niiden käyttöikä voi olla yli 10 vuotta. Koska sitä ei ole helppo syöpyä ja se on mittavakaa, sitä kutsutaan mittavakaaksi anodiksi. Eri vaatimuksiin ja käyttötarkoituksiin sopeutumiseksi pinnoitteeseen voidaan lisätä muita komponentteja. Esimerkiksi tinan ja iridiumin lisääminen voi lisätä hapen ylipotentiaalia ja parantaa anodin selektiivisyyttä. Platinan lisääminen voi parantaa elektrodin vakautta. Tällä hetkellä jalometallipinnoitettuja metallianodeja on edistetty laajalti kemianteollisuudessa.
Koska sulan suolan elektrolyysaattoreissa elektrolyysilämpötila on paljon korkeampi kuin vesiliuoselektrolysaattoreissa, anodimateriaaleja koskevat vaatimukset ovat tiukemmat. Sulan natriumhydroksidin elektrolyysissä käytetään yleensä terästä, nikkeliä ja niiden seoksia. Sulan kloridin elektrolyysissä voidaan käyttää vain grafiittia.
Katodi
Kun katodina käytetään metallia tai metalliseosta, koska se toimii suhteellisen negatiivisella potentiaalilla, sillä voi usein olla rooli katodisuojauksessa ja se on vähemmän syövyttävää, joten katodimateriaali on helpompi valita. Vesipitoisessa elektrolyyttikennossa katodi tuottaa yleensä vedyn kehittymisreaktion ja sillä on suuri ylipotentiaali. Siksi katodimateriaalien tärkein parannussuunta on vähentää vedyn kehittymisen ylipotentiaalia. Paitsi käytettäessä rikkihappoa elektrolyyttinä, katodina on käytettävä lyijyä tai grafiittia, vähähiilinen teräs on yleisesti käytetty katodimateriaali. Tehonkulutuksen vähentämiseksi valmistetaan tällä hetkellä erilaisia menetelmiä katodeissa, joilla on suuri ominaispinta-ala ja katalyyttinen aktiivisuus, kuten huokoisia nikkelipinnoitettuja katodeja.
Tuotteiden laadun parantamiseksi voidaan käyttää myös erikoiskatodimateriaaleja. Esimerkiksi elohopeakatodissa, jota käytetään suolavesiliuoksen elektrolysoimiseen kaustisen soodan valmistamiseksi elohopeamenetelmällä, elohopean korkeaa ylipotentiaalia vedyn kehittymiseen käytetään natriumionien purkamiseen natriumamalgaamin tuottamiseksi, jota sitten käytetään erityisessä laitteistossa natriumamalgaami hajotetaan vedellä erittäin puhtaan, korkeapitoisuuden alkaliliuoksen valmistamiseksi. Lisäksi sähköenergian säästämiseksi voidaan käyttää happea kuluttavaa katodia myös pelkistämään katodissa olevaa happea vedyn kehittymisreaktion korvaamiseksi. Teoreettisten laskelmien mukaan kennojännitettä voidaan alentaa 1,23 V.
2. Kalvo
Katodi- ja anodituotteiden sekoittumisen estämiseksi ja mahdollisten haitallisten reaktioiden välttämiseksi elektrolyysikennoissa käytetään kalvoja periaatteessa katodi- ja anodikammioiden erottamiseen. Kalvolla on oltava tietty huokoisuus, jotta ionit pääsevät läpi ilman, että molekyylit tai kuplat pääsevät läpi. Kun virta kulkee kalvon läpi, kalvon ohmisen jännitehäviön on oltava pieni. Nämä suorituskykyvaatimukset pysyvät periaatteessa ennallaan käytön aikana, ja ne edellyttävät hyvää kemiallista stabiilisuutta ja mekaanista lujuutta katodi- ja anodikammioiden elektrolyyttien vaikutuksesta. Vettä elektrolysoitaessa katodi- ja anodikammioiden elektrolyytit ovat samat. Elektrolyyttikennon kalvon tarvitsee vain erottaa katodi- ja anodikammiot varmistaakseen vedyn ja hapen puhtauden ja estääkseen vedyn ja hapen sekoittumisen aiheuttamat räjähdykset. Yleisempi ja monimutkaisempi tilanne on se, että elektrolyyttikennon katodi- ja anodikammioiden elektrolyyttikoostumukset ovat erilaisia. Tällä hetkellä kalvon on myös estettävä elektrolyyttisten tuotteiden keskinäinen diffuusio ja vuorovaikutus katodi- ja anodikammioiden elektrolyyteissä. Esimerkiksi kalvoelektrolyyttikennon kalvo kloori-alkalituotannossa voi lisätä hydroksidi-ionien vastusta katodikammiosta anodikammioon.
Kalvot on valmistettu inerteistä materiaaleista, kuten kloori-alkaliteollisuudessa pitkään käytetyistä asbestikalvoista. Asbestin erottimien suorituskyky on kuitenkin epävakaa. Kun suolaliuos sisältää kalsium- ja magnesiumepäpuhtauksia, erottimessa muodostuu helposti hydroksidisaostumista, mikä vähentää läpäisevyyttä. Suhteellisen korkeissa lämpötiloissa ja elektrolyytin vaikutuksesta saattaa esiintyä turvotusta ja löystymistä. Ottaa pois. Tätä tarkoitusta varten asbestiin voidaan lisätä hartsia vahvistusmateriaalina tai tehdä mikrohuokoinen kalvo, jonka päärunko on hartsi, mikä voi parantaa huomattavasti vakautta ja mekaanista lujuutta. Kloori-alkalituotannossa viime vuosina kehitetty kationinvaihtokalvo on uudenlainen kalvomateriaali. Sillä on selektiivisyys ionien läpäisyyn, mikä voi periaatteessa estää kloridi-ionien pääsyn katodikammioon, jolloin voidaan tuottaa alkaliliuosta, jossa on erittäin alhainen natriumkloridipitoisuus.