Was werden elektrolytische Zellen verwendet - Teil 1

Wofür werden elektrolytische Zellen verwendet?

DasElektrolysezellebesteht aus einem Zellkörper, einer Anode und einer Kathode, und die meisten sind durch ein Zwerchfell von der Anodenkammer und der Kathodenkammer getrennt. Nach den verschiedenen Elektrolyten sind es in drei Arten unterteilt: wässrige Elektrolytzellen, elektrolytische Zellen mit geschmolzenem Salz und nichtwässrige Elektrolytzellen. Wenn der Gleichstrom die Elektrolytzelle durchläuft, tritt an der Grenzfläche zwischen Anode und Lösung eine Oxidationsreaktion auf, und die Reduktionsreaktion tritt an der Grenzfläche zwischen der Kathode und der Lösung auf, um das gewünschte Produkt zu produzieren. Optimierung der Struktur der Elektrolytzelle und Auswahl der Materialien der Elektroden und Zwerchfells sind die Schlüssel zur Verbesserung der Stromeffizienz, die Verringerung der Zellspannung und die Einsparung der Energie.

Anode

Die Funktionen der Anode und der Kathode sind unterschiedlich und die materiellen Anforderungen sind ebenfalls unterschiedlich.

Unterteilt in lösliche und unlösliche Kategorien. In einer elektrolytischen Zelle zur Kupferraffinierung ist das Anodenmaterial lösliches Blasenkupfer, das verfeinert werden muss. Es löst sich während der Elektrolyse in die Lösung auf, um das Kupfer, das aus der Lösung an der Kathode kommt, aufzufüllen. In elektrolytischen Zellen für elektrolyse wässrige Lösungen (wie Salzlösungen) sind die Anoden unlöslich und ändern sich während des Elektrolyseprozesses nicht wesentlich, haben jedoch häufig eine katalytische Wirkung auf die anodische Reaktion, die auf der Elektrodenoberfläche auftritt. In der chemischen Industrie werden meist unlösliche Anoden verwendet.

Zusätzlich zur Erfüllung der grundlegenden Anforderungen allgemeiner Elektrodenmaterial . Graphit war seit langem das am weitesten verbreitete Anodenmaterial. Graphit ist jedoch porös, hat eine schlechte mechanische Festigkeit und wird leicht zu Kohlendioxid oxidiert. Die Chlorentwicklung überpotentiell auf der Graphitelektrode ist ebenfalls höher, wenn sie zur Elektrolyse der Kochsalzlösung verwendet wird.

Die Metalloxidelektrode, die durch Beschichtung von Rutheniumoxid und Titanoxid auf der von H. Bill in den 1960er Jahren vorgeschlagenen Titanbasis gebildet wird, ist eine wichtige Innovation in Anodenmaterialien. Rutheniumdioxid weist bei bestimmten Anodenreaktionen wie Chlorentwicklung und Sauerstoffentwicklung eine gute katalytische Aktivität auf und kann mit relativ niedriger Zellspannung bei hoher Stromdichte arbeiten. Das bekannteste Merkmal ist, dass es eine gute chemische Stabilität hat und sein Arbeitsleben viel länger ist als das von Graphit -Anoden. Zum Beispiel kann in der Zwerchfell-Elektrolytzelle für die Chlor-Alkali-Produktion ihre Lebensdauer mehr als 10 Jahre erreichen. Da es nicht leicht zu korrodieren und dimensional stabil ist, wird es als dimensional stabile Anode bezeichnet. Um sich an verschiedene Anforderungen und Verwendungszwecke anzupassen, können der Beschichtung andere Komponenten hinzugefügt werden. Das Hinzufügen von Zinn und Iridium kann beispielsweise das Überpotential von Sauerstoff erhöhen und die Selektivität der Anode verbessern. Zum Beispiel kann das Hinzufügen von Platin die Stabilität der Elektrode verbessern. Gegenwärtig wurden in der chemischen Industrie kostbare Metall-Metall-Anoden weit verbreitet.

In der Zelle der geschmolzenen Salzelektrolyse, da die Elektrolysetemperatur viel höher ist als in der Elektrolysezelle der wässrigen Lösung, sind die Anforderungen für das Anodenmaterial strenger. Für die Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid sind Stahl, Nickel und seine Legierungen im Allgemeinen erhältlich. Für elektrolytische geschmolzene Chlorid kann nur Graphit verwendet werden.

Kathode

Wenn eine Metall oder eine Legierung als Kathode verwendet wird, da es mit einem relativ negativen Potenzial funktioniert, kann es häufig eine kathodische Schutzrolle spielen, und die Korrosivität ist gering, sodass das Kathodenmaterial leichter ausgewählt werden kann. In einem wässrigen Elektrolyator erzeugt die Kathode im Allgemeinen eine Wasserstoffentwicklungsreaktion mit einem hohen Überpotential. Daher besteht die Hauptverbesserungsrichtung von Kathodenmaterialien darin, die Wasserstoffentwicklung überpotentiell zu verringern. Zusätzlich zur Verwendung von Blei oder Graphit als Kathode, wenn Schwefelsäure als Elektrolyt verwendet wird, ist niedriger Kohlenstoffstahl ein häufig verwendetes Kathodenmaterial. Um den Stromverbrauch zu verringern, werden derzeit verschiedene Methoden verwendet, um Kathoden mit hoher spezifischer Oberfläche und katalytischer Aktivität wie porösen Nickelkathoden herzustellen.

Um die Produktqualität zu verbessern, können auch spezielle Kathodenmaterialien verwendet werden. Zum Beispiel in der Quecksilberkathode fürDie Produktion von Ätznatronen durch die Quecksilberelektrolyse der Salzlösung, die hohe Überpotential der Quecksilberwasserstoffentwicklung Das Natriumamalgam wird mit Wasser zersetzt. Um Elektrizität zu sparen, kann eine Sauerstoff-konsumierende Kathode auch verwendet werden, um den Sauerstoff an der Kathode zu reduzieren, um die Wasserstoffentwicklungsreaktion zu ersetzen. Nach der theoretischen Berechnung kann die Zellspannung um 1,23 V reduziert werden.

Membran

Um die Mischung aus Kathoden- und Anodenprodukten zu verhindern und mögliche schädliche Reaktionen zu vermeiden, werden die Kathoden- und Anodenkammern in der Elektrolytzelle im Wesentlichen durch ein Zwerchfell getrennt. Das Zwerchfell muss eine gewisse Porosität haben, damit Ionen durchlaufen können, aber nicht Moleküle oder Blasen. Wenn der Strom fließt, sollte der ohmische Spannungsabfall des Zwerchfells niedriger sein. Diese Leistungsanforderungen sind während der Verwendung im Wesentlichen unverändert und erfordern eine gute chemische Stabilität und mechanische Festigkeit unter der Wirkung der Elektrolyten der Kathoden- und Anodenkammer. Beim Elektrolysierungswasser ist der Elektrolyte in der Kathoden- und Anodenkammern gleich, und das Zwerchfell der Elektrolytzelle muss nur die Kathode und die Anodenkammern trennen, um die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff zu gewährleisten und die Explosion von Wasserstoff und Sauerstoff zu verhindern Mischung. Die häufigere und kompliziertere Situation ist, dass die Elektrolytzusammensetzung der Kathoden- und Anodenkammern in der Elektrolytzelle unterschiedlich ist. Zu diesem Zeitpunkt muss das Zwerchfell auch die gegenseitige Diffusion und Wechselwirkung von Elektrolyseprodukten in den Elektrolyten der Kathoden- und Anodenkammern verhindern. Beispielsweise kann das Zwerchfell in der Zwerchfell-Elektrolytzelle bei der Produktion von Chlor-Alkali den Widerstand der Diffusion und Migration von Hydroxidionen in der Kathodenkammer gegen die Anodenkammer erhöhen.

Zwerchfell bestehen aus inerten Materialien wie Asbestmembran, die lange in der Chlor-Alkali-Industrie verwendet werden. Die Leistung des Asbestmembrans ist jedoch instabil. Wenn die Salzlösung Calcium- und Magnesiumverunreinigungen enthält, ist es leicht, Hydroxidausfällung im Zwerchfell zu bilden, wodurch die Permeabilität verringert wird. Bei relativ hohen Temperaturen und unter der Wirkung des Elektrolyten schwollen und locker ab. Zu diesem Zweck kann Asbest als Verstärkungsmaterial zu Asbest hinzugefügt werden, oder ein mikroporöses Zwerchfell kann aus Harz als Hauptkörper hergestellt werden, was eine große Verbesserung der Stabilität und der mechanischen Festigkeit aufweist. Die Kation-Austauschmembran, die in den letzten Jahren in der Chlor-Alkali-Produktion entwickelt wurde, ist eine neue Art von Membranmaterial. Es hat die Selektivität der Ionenpermeation, mit der die Chloridionen im Grunde genommen nicht in die Kathodenkammer gelangen können, so dass die Alkalilösung mit extrem niedrigem Natriumchloridgehalt erhalten werden kann.