1. Eletrodo
Ânodo
O ânodo e o cátodo têm funções diferentes e requisitos de materiais diferentes.
Dividido em duas categorias: solúveis e insolúveis. Nas células eletrolíticas para refino de cobre, o material do ânodo é o cobre solúvel a ser refinado. Ele se dissolve na solução durante a eletrólise para reabastecer o cobre que sai da solução no cátodo. Em células eletrolíticas usadas para eletrolisar soluções aquosas (como soluções de água salgada), os ânodos são insolúveis e basicamente não mudam durante o processo de eletrólise, mas muitas vezes têm um efeito catalítico nas reações anódicas realizadas na superfície do eletrodo. Na indústria química, os ânodos insolúveis são usados principalmente.
Além de atender aos requisitos básicos dos materiais gerais dos eletrodos (como condutividade, força da atividade catalítica, processamento, fonte, preço), os materiais anódicos também devem ser insolúveis e não passivados em forte polarização anódica e anólitos de alta temperatura. , com alta estabilidade. A grafite é há muito tempo o material anódico mais utilizado. No entanto, a grafite é porosa, tem baixa resistência mecânica e é facilmente oxidada em dióxido de carbono. Ele é constantemente corroído e descascado durante o processo de eletrólise, fazendo com que a distância do eletrodo aumente gradualmente e a tensão da célula aumente. Quando usado para eletrólise de solução de água salgada, o potencial excessivo de evolução de cloro no eletrodo de grafite também é alto.
O eletrodo de óxido metálico formado pelo revestimento de óxido de rutênio e óxido de titânio sobre uma base de titânio proposto por H. Beer na década de 1960 foi uma grande inovação em materiais anódicos. O dióxido de rutênio tem boa atividade catalítica para certas reações anódicas, como evolução de cloro e evolução de oxigênio, e pode funcionar em alta densidade de corrente com voltagem celular relativamente baixa. A característica mais marcante é que possui boa estabilidade química e sua vida útil é muito maior que a dos ânodos de grafite. Por exemplo, em eletrolisadores de diafragma usados na produção de cloro e álcalis, sua vida útil pode chegar a mais de 10 anos. Por não ser fácil de corroer e ser dimensionalmente estável, é chamado de ânodo dimensionalmente estável. Para se adaptar às diferentes necessidades e utilizações, outros componentes podem ser adicionados ao revestimento. Por exemplo, adicionar estanho e irídio pode aumentar o potencial excessivo de oxigênio e melhorar a seletividade do ânodo. Adicionar platina pode melhorar a estabilidade do eletrodo. Atualmente, ânodos de metal revestido com metal precioso têm sido amplamente promovidos na indústria química.
Nos eletrolisadores de sal fundido, como a temperatura de eletrólise é muito mais alta do que nos eletrolisadores de solução aquosa, os requisitos para materiais anódicos são mais rigorosos. Para a eletrólise do hidróxido de sódio fundido, geralmente são utilizados aço, níquel e suas ligas. Para eletrólise de cloreto fundido, apenas grafite pode ser usado.
Cátodo
Quando metal ou liga é usado como cátodo, uma vez que funciona em um potencial relativamente negativo, muitas vezes pode desempenhar um papel na proteção catódica e é menos corrosivo, portanto o material do cátodo é mais fácil de selecionar. Em uma célula eletrolítica aquosa, o cátodo geralmente produz uma reação de evolução de hidrogênio e tem um alto sobrepotencial. Portanto, a principal direção de melhoria dos materiais catódicos é reduzir o sobrepotencial de evolução do hidrogênio. Exceto quando se usa ácido sulfúrico como eletrólito, chumbo ou grafite deve ser usado como cátodo, o aço de baixo carbono é um material catódico comumente usado. A fim de reduzir o consumo de energia, vários métodos são usados atualmente para preparar cátodos com alta área superficial específica e atividade catalítica, como cátodos porosos banhados a níquel.
Para melhorar a qualidade do produto, também podem ser utilizados materiais catódicos especiais. Por exemplo, no cátodo de mercúrio usado para eletrolisar solução de água salgada para produzir soda cáustica usando o método do mercúrio, o alto potencial de evolução de hidrogênio do mercúrio é usado para descarregar íons de sódio para gerar amálgama de sódio, que é então usado em um especial. equipamento, o amálgama de sódio é decomposto com água para preparar uma solução alcalina de alta pureza e alta concentração. Além disso, para economizar energia elétrica, um cátodo consumidor de oxigênio também pode ser usado para reduzir o oxigênio no cátodo para substituir a reação de evolução do hidrogênio. De acordo com cálculos teóricos, a tensão da célula pode ser reduzida em 1,23V.
2. Diafragma
Para evitar a mistura dos produtos do cátodo e do ânodo e evitar possíveis reações prejudiciais, nas células eletrolíticas, os diafragmas são basicamente utilizados para separar as câmaras do cátodo e do ânodo. O diafragma precisa ter uma certa porosidade para permitir a passagem de íons sem permitir a passagem de moléculas ou bolhas. Quando a corrente flui através do diafragma, a queda de tensão ôhmica do diafragma deve ser baixa. Esses requisitos de desempenho permanecem basicamente inalterados durante o uso e exigem boa estabilidade química e resistência mecânica sob a ação dos eletrólitos nas câmaras catódica e anódica. Ao eletrólise da água, os eletrólitos nas câmaras catódica e anódica são os mesmos. O diafragma da célula eletrolítica só precisa separar as câmaras do cátodo e do ânodo para garantir a pureza do hidrogênio e do oxigênio e evitar explosões causadas pela mistura de hidrogênio e oxigênio. Uma situação mais comum e complicada é que as composições eletrolíticas nas câmaras catódica e anódica da célula eletrolítica são diferentes. Neste momento, o diafragma também precisa impedir a difusão mútua e a interação de produtos eletrolíticos nos eletrólitos das câmaras catódica e anódica. Por exemplo, o diafragma na célula eletrolítica do diafragma na produção de cloro e álcalis pode aumentar a resistência dos íons hidróxido da câmara catódica para a câmara anódica.
Os diafragmas são feitos de materiais inertes, como os diafragmas de amianto usados há muito tempo na indústria de cloro e álcalis. No entanto, o desempenho dos separadores de amianto é instável. Quando a salmoura contém impurezas de cálcio e magnésio, a precipitação de hidróxido é facilmente gerada no separador, reduzindo a permeabilidade. Em temperaturas relativamente altas e sob a ação do eletrólito, pode ocorrer inchaço e afrouxamento. Decolar. Para tanto, pode-se adicionar resina ao amianto como material de reforço, ou pode-se fazer uma membrana microporosa com resina como corpo principal, o que pode melhorar muito a estabilidade e a resistência mecânica. A membrana de troca catiônica desenvolvida na produção de cloro e álcalis nos últimos anos é um novo tipo de material de membrana. Possui seletividade para permeação de íons, o que basicamente pode impedir que íons cloreto entrem na câmara catódica, de modo que uma solução alcalina com teor extremamente baixo de cloreto de sódio possa ser produzida.