1. Électrode
Anode
L'anode et la cathode ont des fonctions différentes et ont des exigences matérielles différentes.
Divisé en deux catégories : solubles et insolubles. Dans les cellules électrolytiques destinées au raffinage du cuivre, le matériau de l'anode est du cuivre blister soluble à affiner. Il se dissout dans la solution lors de l’électrolyse pour reconstituer le cuivre qui sort de la solution à la cathode. Dans les cellules électrolytiques utilisées pour électrolyser des solutions aqueuses (telles que des solutions d'eau salée), les anodes sont insolubles et ne changent pratiquement pas pendant le processus d'électrolyse, mais elles ont souvent un effet catalytique sur les réactions anodiques effectuées à 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 d'électrode généraux (telles que la conductivité, la force de l'activité catalytique, le traitement, la source, le prix), les matériaux d'anode doivent également être insolubles et non passivés dans une forte polarisation anodique et des anolytes à plus haute température. , avec une grande stabilité. Le graphite est depuis longtemps le matériau d’anode le plus utilisé. Cependant, le graphite est poreux, a une faible résistance mécanique et s'oxyde facilement en dioxyde de carbone. Il est constamment corrodé et décollé pendant le processus d'électrolyse, ce qui entraîne une augmentation progressive de la distance entre les électrodes et de la tension de la cellule. Lorsqu'elle est utilisée pour l'électrolyse d'une solution d'eau salée, le surpotentiel de dégagement de chlore sur l'électrode en graphite est également élevé.
L'électrode à oxyde métallique formée par revêtement d'oxyde de ruthénium et d'oxyde de titane sur une base de titane proposée par H. Beer dans les années 1960 était une innovation majeure dans les matériaux d'anode. Le dioxyde de ruthénium a une bonne activité catalytique pour certaines réactions anodiques telles que le dégagement de chlore et le dégagement d'oxygène, et peut fonctionner à une densité de courant élevée avec une tension de cellule relativement faible. La caractéristique la plus remarquable est qu’elle présente une bonne stabilité chimique et que sa durée de vie est beaucoup plus longue que celle des anodes en graphite. Par exemple, dans les électrolyseurs à membrane utilisés dans la production de chlore-alcali, leur durée de vie peut atteindre plus de 10 ans. Parce qu’elle n’est pas facile à corroder et qu’elle est dimensionnellement stable, on l’appelle une anode dimensionnellement stable. Afin de s'adapter aux différentes exigences et utilisations, d'autres composants peuvent être ajoutés au revêtement. Par exemple, l’ajout d’étain et d’iridium peut augmenter le surpotentiel d’oxygène et améliorer la sélectivité de l’anode. L'ajout de platine peut améliorer la stabilité de l'électrode. À l'heure actuelle, les anodes métalliques recouvertes de métaux précieux ont été largement promues dans l'industrie chimique.
Dans les électrolyseurs à sels fondus, la température d'électrolyse étant beaucoup plus élevée que celle des électrolyseurs en solution aqueuse, les exigences relatives aux matériaux d'anode sont plus strictes. Pour l'électrolyse de la soude fondue, on utilise généralement l'acier, le nickel et leurs alliages. Pour l'électrolyse du chlorure fondu, seul le graphite peut être utilisé.
Cathode
Lorsqu'un métal ou un alliage est utilisé comme cathode, puisqu'il fonctionne à un potentiel relativement négatif, il peut souvent jouer un rôle dans la protection cathodique et est moins corrosif, de sorte que le matériau de la cathode est plus facile à sélectionner. Dans une cellule électrolytique aqueuse, la cathode produit généralement une réaction de dégagement d'hydrogène et présente un surpotentiel élevé. Par conséquent, la principale direction d’amélioration des matériaux cathodiques est de réduire le surpotentiel de dégagement d’hydrogène. Sauf lorsque l'on utilise de l'acide sulfurique comme électrolyte, du plomb ou du graphite doit être utilisé comme cathode, 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 ayant une surface spécifique et une activité catalytique élevées, telles que les cathodes poreuses nickelées.
Afin d'améliorer la qualité du produit, des matériaux cathodiques spéciaux peuvent également être utilisés. Par exemple, dans la cathode de mercure utilisée pour électrolyser une solution d'eau salée afin de produire de la soude caustique à l'aide de la méthode au mercure, le surpotentiel élevé de dégagement d'hydrogène à partir du mercure est utilisé pour décharger des ions sodium afin de générer un amalgame de sodium, qui est ensuite utilisé dans un procédé spécial. Équipement, l'amalgame de sodium est décomposé avec de l'eau pour préparer une solution alcaline de haute pureté et à haute concentration. De plus, afin d'économiser de l'énergie électrique, une cathode consommatrice d'oxygène peut également être utilisée pour réduire l'oxygène au niveau de la cathode afin de remplacer la réaction de dégagement d'hydrogène. Selon les calculs théoriques, la tension des cellules peut être réduite de 1,23 V.
2. Diaphragme
Afin d'empêcher le mélange des produits cathodiques et anodiques et d'éviter d'éventuelles réactions nocives, dans les cellules électrolytiques, des diaphragmes sont essentiellement utilisés pour séparer les chambres cathodiques et anodiques. Le diaphragme doit avoir une certaine porosité pour laisser passer les ions sans laisser passer les molécules ou les bulles. Lorsque le courant traverse le diaphragme, la chute de tension ohmique du diaphragme doit être faible. Ces exigences de performance restent fondamentalement inchangées lors de l'utilisation et nécessitent une bonne stabilité chimique et une bonne résistance mécanique sous l'action des électrolytes dans les chambres cathodiques et anodiques. Lors de l’électrolyse de l’eau, les électrolytes dans les chambres cathodiques et anodiques sont les mêmes. Le diaphragme de la cellule électrolytique n'a besoin que de séparer les chambres cathodiques et anodiques pour garantir la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène et éviter les explosions provoquées par le mélange de l'hydrogène et de l'oxygène. Une situation plus courante et plus compliquée est que les compositions électrolytiques dans les chambres cathodiques et anodiques de la cellule électrolytique sont différentes. À ce stade, le diaphragme doit également empêcher la diffusion mutuelle et l’interaction des produits électrolytiques dans les électrolytes des chambres cathodiques et anodiques. Par exemple, le diaphragme de la cellule électrolytique à diaphragme dans la production de chlore-alcali peut augmenter la résistance des ions hydroxyde de la chambre cathodique à la chambre anodique.
Les diaphragmes sont fabriqués à partir de matériaux inertes, tels que les diaphragmes en amiante utilisés depuis longtemps dans l'industrie du chlore-alcali. Cependant, les performances des séparateurs d’amiante sont instables. Lorsque la saumure contient des impuretés de calcium et de magnésium, une précipitation d'hydroxyde est facilement générée dans le séparateur, réduisant ainsi la perméabilité. À des températures relativement élevées et sous l'action de l'électrolyte, un gonflement et un relâchement peuvent se produire. Décoller. À cette fin, de la résine peut être ajoutée à l'amiante comme matériau de renforcement, ou une membrane microporeuse peut être réalisée avec de la résine comme corps principal, ce qui peut grandement améliorer la stabilité et la résistance mécanique. La membrane échangeuse de cations développée ces dernières années dans la production de chlore-alcali est un nouveau type de matériau de membrane. Il a une sélectivité pour la perméation ionique, qui peut essentiellement empêcher les ions chlorure de pénétrer dans la chambre cathodique, de sorte qu'une solution alcaline avec une teneur extrêmement faible en chlorure de sodium puisse être produite.