1. Elektrot
Anot
Anot ve katotun farklı işlevleri vardır ve farklı malzeme gereksinimleri vardır.
Çözünür ve çözünmez olmak üzere iki kategoriye ayrılır. Bakırın rafine edilmesine yönelik elektrolitik hücrelerde anot malzemesi, rafine edilecek çözünebilir kabarcıklı bakırdır. Katotta çözeltiden çıkan bakırı yenilemek için elektroliz sırasında çözelti içinde çözünür. Sulu çözeltileri (tuzlu su çözeltileri gibi) elektrolize etmek için kullanılan elektrolitik hücrelerde anotlar çözünmez ve elektroliz işlemi sırasında temel olarak değişmezler, ancak genellikle elektrot yüzeyinde gerçekleştirilen anot reaksiyonları üzerinde katalitik bir etkiye sahiptirler. Kimya endüstrisinde çoğunlukla çözünmeyen anotlar kullanılır.
Genel elektrot malzemelerinin temel gereksinimlerini (iletkenlik, katalitik aktivite gücü, işleme, kaynak, fiyat gibi) karşılamanın yanı sıra, anot malzemelerinin de güçlü anodik polarizasyonda ve yüksek sıcaklıktaki anolitlerde çözünmemesi ve pasifleştirilmemesi gerekir. , yüksek stabiliteye sahip. Grafit uzun zamandır en yaygın kullanılan anot malzemesi olmuştur. Ancak grafit gözeneklidir, mekanik dayanımı zayıftır ve kolayca karbondioksite oksitlenir. Elektroliz işlemi sırasında sürekli olarak korozyona uğrar ve soyulur, bu da elektrot mesafesinin giderek artmasına ve hücre voltajının artmasına neden olur. Tuzlu su çözeltisinin elektrolizi için kullanıldığında, grafit elektrotta klor oluşumunun aşırı potansiyeli de yüksektir.
1960'larda H. Beer tarafından önerilen titanyum bazı üzerine rutenyum oksit ve titanyum oksidin kaplanmasıyla oluşturulan metal oksit elektrot, anot malzemeleri alanında büyük bir yenilikti. Rutenyum dioksit, klor oluşumu ve oksijen oluşumu gibi belirli anot reaksiyonları için iyi bir katalitik aktiviteye sahiptir ve nispeten düşük hücre voltajıyla yüksek akım yoğunluğunda çalışabilir. En göze çarpan özelliği iyi kimyasal stabiliteye sahip olması ve çalışma ömrünün grafit anotlardan çok daha uzun olmasıdır. Örneğin klor-alkali üretiminde kullanılan diyaframlı elektrolizörlerin ömrü 10 yılın üzerine çıkabilmektedir. Korozyona uğramaması ve boyutsal olarak kararlı olması nedeniyle boyutsal olarak kararlı anot olarak adlandırılır. Farklı gereksinimlere ve kullanımlara uyum sağlamak için kaplamaya başka bileşenler de eklenebilir. Örneğin kalay ve iridyumun eklenmesi oksijenin aşırı potansiyelini artırabilir ve anodun seçiciliğini geliştirebilir. Platin eklemek elektrotun stabilitesini artırabilir. Şu anda, değerli metal kaplı metal anotlar kimya endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Erimiş tuz elektrolizörlerinde, elektroliz sıcaklığı sulu çözelti elektrolizörlerindekinden çok daha yüksek olduğundan anot malzemelerine yönelik gereksinimler daha katıdır. Erimiş sodyum hidroksitin elektrolizi için genellikle çelik, nikel ve bunların alaşımları kullanılır. Erimiş klorürün elektrolizi için yalnızca grafit kullanılabilir.
Katot
Katot olarak metal veya alaşım kullanıldığında, nispeten negatif bir potansiyelde çalıştığı için genellikle katodik korumada rol oynayabilir ve daha az aşındırıcıdır, dolayısıyla katot malzemesinin seçilmesi daha kolaydır. Sulu bir elektrolitik hücrede katot genellikle bir hidrojen oluşum reaksiyonu üretir ve yüksek bir aşırı potansiyele sahiptir. Bu nedenle katot malzemelerinin temel iyileştirme yönü hidrojen oluşumunun aşırı potansiyelini azaltmaktır. Elektrolit olarak sülfürik asit kullanılması dışında, katot olarak kurşun veya grafitin kullanılması gerekir; düşük karbonlu çelik yaygın olarak kullanılan bir katot malzemesidir. Güç tüketimini azaltmak amacıyla, gözenekli nikel kaplı katotlar gibi yüksek spesifik yüzey alanına ve katalitik aktiviteye sahip katotların hazırlanmasında halihazırda çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.
Ürün kalitesini arttırmak amacıyla özel katot malzemeleri de kullanılabilmektedir. Örneğin, cıva yöntemini kullanarak kostik soda üretmek üzere tuzlu su çözeltisini elektrolize etmek için kullanılan cıva katotunda, cıvadan hidrojen oluşumunun yüksek aşırı potansiyeli, sodyum amalgamı oluşturmak üzere sodyum iyonlarını boşaltmak için kullanılır; bu daha sonra özel bir cihazda kullanılır. Ekipmanda, sodyum amalgam, yüksek saflıkta, yüksek konsantrasyonda alkali çözelti hazırlamak için su ile ayrıştırılır. Ek olarak, elektrik enerjisinden tasarruf etmek amacıyla, hidrojen oluşum reaksiyonunun yerine katottaki oksijeni azaltmak için oksijen tüketen bir katot da kullanılabilir. Teorik hesaplamalara göre hücre voltajı 1,23V kadar azaltılabilmektedir.
2. Diyafram
Katot ve anot ürünlerinin karışmasını önlemek ve olası zararlı reaksiyonları önlemek amacıyla elektrolitik hücrelerde temel olarak katot ve anot odalarını ayırmak için diyaframlar kullanılır. Diyaframın, moleküllerin veya kabarcıkların geçmesine izin vermeden iyonların geçmesine izin verecek şekilde belirli bir gözenekliliğe sahip olması gerekir. Diyaframdan akım geçtiğinde diyaframın ohmik gerilim düşümü düşük olmalıdır. Bu performans gereksinimleri kullanım sırasında temelde değişmeden kalır ve katot ve anot odalarındaki elektrolitlerin etkisi altında iyi kimyasal stabilite ve mekanik dayanıklılık gerektirir. Suyu elektrolize ederken katot ve anot odalarındaki elektrolitler aynıdır. Elektrolitik hücrenin diyaframının, hidrojen ve oksijenin saflığını sağlamak ve hidrojen ile oksijenin karışmasından kaynaklanan patlamaları önlemek için yalnızca katot ve anot odalarını ayırması yeterlidir. Daha yaygın ve karmaşık bir durum, elektrolitik hücrenin katot ve anot odalarındaki elektrolit bileşimlerinin farklı olmasıdır. Bu sırada diyaframın, katot ve anot odalarının elektrolitlerindeki elektrolitik ürünlerin karşılıklı difüzyonunu ve etkileşimini de önlemesi gerekir. Örneğin klor-alkali üretiminde diyafram elektrolitik hücresinde bulunan diyafram, katot odasından anot odasına gelen hidroksit iyonlarının direncini arttırabilmektedir.
Diyaframlar, klor-alkali endüstrisinde uzun süredir kullanılan asbest diyaframları gibi inert malzemelerden yapılmıştır. Ancak asbest ayırıcılarının performansı istikrarsızdır. Tuzlu su kalsiyum ve magnezyum safsızlıkları içerdiğinde, ayırıcıda kolayca hidroksit çökelmesi oluşur ve bu da geçirgenliği azaltır. Nispeten yüksek sıcaklıklarda ve elektrolitin etkisi altında şişme ve gevşeme meydana gelebilir. Çıkarmak. Bu amaçla, takviye malzemesi olarak asbeste reçine eklenebilir veya ana gövde olarak reçine ile mikro gözenekli bir membran yapılabilir, bu da stabiliteyi ve mekanik mukavemeti büyük ölçüde artırabilir. Klor-alkali üretiminde son yıllarda geliştirilen katyon değişim membranı yeni bir membran malzemesi türüdür. Temel olarak klorür iyonlarının katot odasına girmesini önleyebilen iyon geçirgenliği seçiciliğine sahiptir, böylece son derece düşük sodyum klorür içeriğine sahip bir alkali çözelti üretilebilir.