Quelles sont les cellules électrolytiques utilisées pour - partie 1

À quoi servent les cellules électrolytiques?

Lacellule électrolytiquese compose d'un corps cellulaire, d'une anode et d'une cathode, et la plupart d'entre eux sont séparés de la chambre d'anode et de la chambre de cathode par un diaphragme. Selon les différents électrolytes, il est divisé en trois types: cellules électrolytiques aqueuses, cellules électrolytiques en sel fondu et cellules électrolytiques non aqueuses. Lorsque le courant direct passe à travers la cellule électrolytique, la réaction d'oxydation se produit à l'interface entre l'anode et la solution, et la réaction de réduction se produit à l'interface entre la cathode et la solution pour produire le produit souhaité. L'optimisation de la structure de la cellule électrolytique et la sélection des matériaux des électrodes et des diaphragmes sont les clés pour améliorer l'efficacité du courant, réduisant la tension cellulaire et économise de l'énergie.

Anode

Les fonctions de l'anode et de la cathode sont différentes et les exigences du matériau sont également différentes.

Divisé en catégories solubles et insolubles. Dans une cellule électrolytique pour le raffinage du cuivre, le matériau de l'anode est de cuivre soluble à affiner. Il se dissout dans la solution pendant l'électrolyse pour reconstituer le cuivre qui sort de la solution à la cathode. Dans les cellules électrolytiques pour les solutions aqueuses électrolytiques (telles que les solutions de saumure), les anodes sont insolubles, et elles ne changent pas substantiellement pendant le processus d'électrolyse, mais ont souvent un effet catalytique sur la réaction anodique qui se produit sur la surface de l'électrode. Dans l'industrie chimique, les anodes insolubles sont principalement utilisées.

En plus de répondre aux exigences de base des matériaux généraux d'électrode (tels que la conductivité électrique, la résistance à l'activité catalytique, le traitement, la source et le prix), les matériaux d'anode doivent également être insolubles et passifs dans une forte polarisation anodique et un anolyte à haute température, avec une stabilité élevée . Le graphite est depuis longtemps le matériau anode le plus utilisé. Cependant, le graphite est poreux, a une mauvaise résistance mécanique et est facilement oxydé en dioxyde de carbone. La surtension de l'évolution du chlore sur l'électrode en graphite est également plus élevée lorsqu'elle est utilisée pour l'électrolyse de la solution saline.

L'électrode d'oxyde métallique formé par le revêtement d'oxyde de ruthénium et d'oxyde de titane sur la base de titane proposée par H. Bill dans les années 1960 est une innovation majeure dans les matériaux d'anode. Le dioxyde de ruthénium a une bonne activité catalytique pour certaines réactions d'anode telles que l'évolution du chlore et l'évolution de l'oxygène, et peut fonctionner à une densité de courant élevée avec une tension cellulaire relativement faible. La caractéristique la plus importante est qu'elle a une bonne stabilité chimique, et sa durée de vie est beaucoup plus longue que celle des anodes de graphite. Par exemple, dans la cellule électrolytique du diaphragme pour la production de chlor-alcali, sa durée de vie peut atteindre plus de 10 ans. Parce qu'il n'est pas facile à corroder et est stable dimensionnellement, il est appelé anode dimensionnellement stable. Afin de s'adapter à différentes exigences et utilisations, d'autres composants peuvent être ajoutés au revêtement. Par exemple, l'ajout d'étain et d'iridium peut augmenter la surtension de l'oxygène et améliorer la sélectivité de l'anode. Par exemple, l'ajout de platine peut améliorer la stabilité de l'électrode. À l'heure actuelle, les anodes métalliques à revêtement métallique précieuses ont été largement promues dans l'industrie chimique.

Dans la cellule d'électrolyse en fusion du sel, parce que la température d'électrolyse est beaucoup plus élevée que celle de la cellule d'électrolyse de la solution aqueuse, les exigences pour le matériau d'anode sont plus strictes. Pour l'électrolyse de l'hydroxyde de sodium fondu, l'acier, le nickel et ses alliages sont généralement disponibles. Pour le chlorure fondu électrolytique, seul le graphite peut être utilisé.

Cathode

Lorsqu'un métal ou un alliage est utilisé comme cathode, car il fonctionne à un potentiel relativement négatif, il peut souvent jouer un rôle de protection cathodique et la corrosivité est petite, donc le matériau de la cathode est plus facile à choisir. Dans un électrolyzer aqueux, la cathode produit généralement une réaction d'évolution de l'hydrogène avec une surtension élevée. Par conséquent, la principale direction d'amélioration des matériaux de cathode est de réduire la surtension de l'évolution de l'hydrogène. En plus de l'utilisation du plomb ou du graphite comme cathode lorsque l'acide sulfurique est utilisé comme électrolyte, l'acier à faible teneur en carbone est un matériau de cathode couramment utilisé. Afin de réduire la consommation d'énergie, diverses méthodes sont actuellement utilisées pour préparer des cathodes avec une surface spécifique élevée et une activité catalytique, telles que les cathodes poreux nickel.

Afin d'améliorer la qualité du produit, des matériaux de cathode spéciaux peuvent également être utilisés. Par exemple, dans la cathode Mercury pourLa production de soude caustique par l'électrolyse de mercure de la solution de la saumure, la surtension élevée de l'évolution de l'hydrogène au mercure est utilisée pour décharger les ions sodium pour générer de l'amalgame de sodium, qui est ensuite utilisé dans un équipement spécial dans l'équipement de la haute pureté et de la forte concentration, L'amalgame de sodium est décomposée avec de l'eau. De plus, afin d'économiser de l'électricité, une cathode consommatrice d'oxygène peut également être utilisée pour réduire l'oxygène à la cathode pour remplacer la réaction d'évolution de l'hydrogène. Selon le calcul théorique, la tension cellulaire peut être réduite de 1,23 V.

Diaphragme

Afin d'éviter le mélange de produits cathodiques et d'anodes et d'éviter les réactions nocives possibles, dans la cellule électrolytique, les chambres cathode et anode sont essentiellement séparées par un diaphragme. Le diaphragme doit avoir une certaine porosité, afin que les ions puissent passer, mais pas les molécules ou les bulles. Lorsqu'il y a du courant qui coule, la chute de tension ohmique du diaphragme doit être plus faible. Ces exigences de performance sont fondamentalement inchangées pendant l'utilisation et nécessitent une bonne stabilité chimique et une force mécanique sous l'action des électrolytes de la cathode et de la chambre d'anode. Lors de l'eau électrolysée, l'électrolyte dans la cathode et les chambres d'anode est le même, et le diaphragme de la cellule électrolytique n'a besoin que de séparer la cathode et les chambres d'anode pour assurer la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène, et pour prévenir l'explosion de l'hydrogène et de l'oxygène mélange. La situation la plus courante et la plus compliquée est que la composition électrolytique de la cathode et des chambres d'anode dans la cellule électrolytique est différente. À l'heure actuelle, le diaphragme doit également empêcher la diffusion mutuelle et l'interaction des produits d'électrolyse dans les électrolytes de la cathode et des chambres d'anode. Par exemple, le diaphragme dans la cellule électrolytique de diaphragme dans la production de chlor-alcali peut augmenter la résistance de la diffusion et la migration des ions d'hydroxyde dans la chambre cathode vers la chambre d'anode.

Les diaphragmes sont faits de matériaux inertes, tels que les diaphragmes d'amiante utilisés depuis longtemps dans l'industrie du chlor-alcali. Cependant, les performances du diaphragme de l'amiante sont instables. Lorsque la saumure contient des impuretés de calcium et de magnésium, il est facile de former des précipitations d'hydroxyde dans le diaphragme, réduisant la perméabilité; à des températures relativement élevées et sous l'action de l'électrolyte, un gonflement et un décollage lâche. À cette fin, la résine peut être ajoutée à l'amiante en tant que matériau de renforcement, ou un diaphragme microporeux peut être fait de résine comme corps principal, qui a une grande amélioration de la stabilité et de la résistance mécanique. La membrane d'échange de cations développée dans la production de chlor-alcali ces dernières années est un nouveau type de matériau membranaire. Il a la sélectivité de la perméation ionique, ce qui peut faire entrer les ions chlorure, essentiellement pas entrer dans la chambre de cathode, de sorte que la solution alcaline avec une teneur en chlorure de sodium extrêmement faible peut être obtenue.