1. الکترود
آند
آند و کاتد عملکردهای متفاوتی دارند و نیازهای مواد متفاوتی دارند.
به دو دسته محلول و نامحلول تقسیم می شود. در سلول های الکترولیتی برای تصفیه مس، ماده آند مس تاول زا محلول است که باید تصفیه شود. در طول الکترولیز در محلول حل می شود تا مسی را که از محلول در کاتد خارج می شود دوباره پر کند. در سلول های الکترولیتی که برای الکترولیز محلول های آبی (مانند محلول های آب نمک) استفاده می شود، آندها نامحلول هستند و اساساً در طول فرآیند الکترولیز تغییر نمی کنند، اما اغلب اثر کاتالیزوری بر روی واکنش های آندی انجام شده بر روی سطح الکترود دارند. در صنایع شیمیایی بیشتر از آندهای نامحلول استفاده می شود.
مواد آند علاوه بر برآوردن الزامات اساسی مواد عمومی الکترود (مانند رسانایی، قدرت فعالیت کاتالیزوری، پردازش، منبع، قیمت)، باید در قطبش آندی قوی و آنولیتهای با دمای بالاتر نیز نامحلول و غیرفعال شوند. ، با پایداری بالا گرافیت از دیرباز پرکاربردترین ماده آند بوده است. با این حال، گرافیت متخلخل است، استحکام مکانیکی ضعیفی دارد و به راحتی به دی اکسید کربن اکسید می شود. در طول فرآیند الکترولیز دائماً خورده و کنده می شود و باعث می شود فاصله الکترود به تدریج افزایش یابد و ولتاژ سلول افزایش یابد. هنگامی که برای الکترولیز محلول آب نمک استفاده می شود، پتانسیل بیش از حد تکامل کلر در الکترود گرافیتی نیز زیاد است.
الکترود اکسید فلزی که با پوشش اکسید روتنیوم و اکسید تیتانیوم بر روی پایه تیتانیوم ایجاد شد که توسط H. Beer در دهه 1960 پیشنهاد شد، یک نوآوری عمده در مواد آند بود. دی اکسید روتنیم فعالیت کاتالیزوری خوبی برای واکنش های آندی خاص مانند تکامل کلر و تکامل اکسیژن دارد و می تواند در چگالی جریان بالا با ولتاژ سلول نسبتاً کم کار کند. بارزترین ویژگی آن این است که پایداری شیمیایی خوبی دارد و عمر کاری آن بسیار بیشتر از آندهای گرافیت است. به عنوان مثال، در الکترولیزهای دیافراگمی که در تولید کلر قلیایی استفاده می شوند، طول عمر آنها می تواند به بیش از 10 سال برسد. از آنجایی که خوردگی آن آسان نیست و از نظر ابعادی پایدار است، به آن آند پایدار ابعادی می گویند. به منظور انطباق با نیازها و کاربردهای مختلف، می توان اجزای دیگری را به پوشش اضافه کرد. به عنوان مثال، افزودن قلع و ایریدیوم می تواند پتانسیل بیش از حد اکسیژن را افزایش دهد و گزینش پذیری آند را بهبود بخشد. افزودن پلاتین می تواند پایداری الکترود را بهبود بخشد. در حال حاضر، آندهای فلزی با پوشش فلزات گرانبها به طور گسترده در صنایع شیمیایی ترویج شده است.
در الکترولیزهای نمک مذاب، به دلیل اینکه دمای الکترولیز بسیار بالاتر از الکترولیزهای محلول آبی است، الزامات برای مواد آندی سختتر است. برای الکترولیز هیدروکسید سدیم مذاب معمولاً از فولاد، نیکل و آلیاژهای آنها استفاده می شود. برای الکترولیز کلرید مذاب فقط می توان از گرافیت استفاده کرد.
کاتد
هنگامی که فلز یا آلیاژ به عنوان کاتد استفاده می شود، از آنجایی که با پتانسیل نسبتا منفی کار می کند، اغلب می تواند در حفاظت کاتدی نقش داشته باشد و کمتر خورنده است، بنابراین انتخاب مواد کاتد آسان تر است. در یک سلول الکترولیتی آبی، کاتد به طور کلی یک واکنش تکامل هیدروژن تولید می کند و دارای بیش از حد پتانسیل است. بنابراین، جهت بهبود اصلی مواد کاتدی، کاهش پتانسیل بیش از حد تکامل هیدروژن است. به جز زمانی که از اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت استفاده می شود، سرب یا گرافیت باید به عنوان کاتد استفاده شود، فولاد کم کربن یک ماده کاتدی رایج است. به منظور کاهش مصرف برق، در حال حاضر از روش های مختلفی برای تهیه کاتدهایی با سطح ویژه و فعالیت کاتالیزوری بالا استفاده می شود، مانند کاتدهای متخلخل با روکش نیکل.
به منظور بهبود کیفیت محصول می توان از مواد کاتدی مخصوص نیز استفاده کرد. به عنوان مثال، در کاتد جیوه که برای الکترولیز محلول آب نمک برای تولید سود سوزآور با استفاده از روش جیوه استفاده می شود، پتانسیل بالای تکامل هیدروژن از جیوه برای تخلیه یون های سدیم برای تولید آمالگام سدیم استفاده می شود، که سپس در یک بخش ویژه در تجهیزات، آمالگام سدیم با آب تجزیه می شود تا محلول قلیایی با خلوص بالا و غلظت بالا تهیه شود. علاوه بر این، به منظور صرفه جویی در انرژی الکتریکی، می توان از یک کاتد مصرف کننده اکسیژن نیز برای کاهش اکسیژن در کاتد استفاده کرد تا جایگزین واکنش تکامل هیدروژن شود. طبق محاسبات تئوری، ولتاژ سلول را می توان 1.23 ولت کاهش داد.
2. دیافراگم
به منظور جلوگیری از اختلاط محصولات کاتد و آند و جلوگیری از واکنش های مضر احتمالی، در سلول های الکترولیتی اصولاً از دیافراگم برای جداسازی محفظه کاتد و آند استفاده می شود. دیافراگم باید تخلخل خاصی داشته باشد تا یون ها بدون اجازه عبور مولکول ها یا حباب ها از آن عبور کنند. هنگامی که جریان از دیافراگم عبور می کند، افت ولتاژ اهمی دیافراگم باید کم باشد. این الزامات عملکرد اساساً در طول استفاده بدون تغییر باقی میمانند و به پایداری شیمیایی و استحکام مکانیکی خوب تحت تأثیر الکترولیتها در محفظههای کاتد و آند نیاز دارند. هنگام الکترولیز آب، الکترولیت های موجود در محفظه کاتد و آند یکسان هستند. دیافراگم سلول الکترولیتی فقط باید محفظه کاتد و آند را جدا کند تا از خلوص هیدروژن و اکسیژن اطمینان حاصل کند و از انفجارهای ناشی از مخلوط کردن هیدروژن و اکسیژن جلوگیری کند. یک وضعیت رایج تر و پیچیده تر این است که ترکیبات الکترولیت در اتاقک کاتد و آند سلول الکترولیتی متفاوت است. در این زمان، دیافراگم همچنین باید از انتشار متقابل و تعامل محصولات الکترولیتی در الکترولیت های اتاقک کاتد و آند جلوگیری کند. به عنوان مثال، دیافراگم در سلول الکترولیتی دیافراگم در تولید کلر قلیایی می تواند مقاومت یون های هیدروکسید را از محفظه کاتد به محفظه آند افزایش دهد.
دیافراگم ها از مواد بی اثر ساخته می شوند، مانند دیافراگم های آزبستی که مدت ها در صنعت کلر قلیایی استفاده می شد. با این حال، عملکرد جداکنندههای آزبست ناپایدار است. هنگامی که آب نمک حاوی ناخالصی های کلسیم و منیزیم باشد، رسوب هیدروکسید به راحتی در جداکننده ایجاد می شود و نفوذپذیری را کاهش می دهد. در دماهای نسبتاً بالا و تحت تأثیر الکترولیت، تورم و شل شدن ممکن است رخ دهد. در آوردن. برای این منظور می توان رزین را به عنوان ماده تقویت کننده به آزبست اضافه کرد و یا با رزین به عنوان بدنه اصلی یک غشای ریز متخلخل ساخت که می تواند پایداری و استحکام مکانیکی را تا حد زیادی بهبود بخشد. غشای تبادل کاتیونی که در تولید کلر قلیایی در سال های اخیر توسعه یافته است، نوع جدیدی از مواد غشایی است. دارای گزینش پذیری برای نفوذ یون است، که اساسا می تواند از ورود یون های کلرید به محفظه کاتد جلوگیری کند، به طوری که می توان محلول قلیایی با محتوای کلرید سدیم بسیار کم تولید کرد.