¿Para qué se usan las células electrolíticas?

¿Para qué se usan las células electrolíticas?

loscélula electrolíticaconsiste en un cuerpo celular, un ánodo y un cátodo, y la mayoría de ellos están separados de la cámara del ánodo y la cámara del cátodo por un diafragma. Según los diferentes electrolitos, se divide en tres tipos: células electrolíticas acuosas, células electrolíticas de sal fundida y células electrolíticas no acuosas. Cuando la corriente continua pasa a través de la célula electrolítica, la reacción de oxidación ocurre en la interfaz entre el ánodo y la solución, y la reacción de reducción ocurre en la interfaz entre el cátodo y la solución para producir el producto deseado. La optimización de la estructura de la célula electrolítica y la selección de los materiales de los electrodos y los diafragmas son las claves para mejorar la eficiencia de la corriente, reduciendo el voltaje de la celda y la energía de ahorro.

Ánodo

Las funciones del ánodo y el cátodo son diferentes, y los requisitos del material también son diferentes.

Dividido en categorías solubles e insolubles. En una célula electrolítica para el refinación de cobre, el material del ánodo es el cobre soluble a la ampolla a ser refinada. Se disuelve en la solución durante la electrólisis para reponer el cobre que sale de la solución en el cátodo. En las células electrolíticas para soluciones acuosas electrolizadas (como soluciones de salmuera), los anodes son insolubles y no cambian sustancialmente durante el proceso de electrólisis, pero a menudo tienen un efecto catalítico en la reacción anódica que ocurre en la superficie del electrodo. En la industria química, los ánodos insolubles se utilizan principalmente.

Además de cumplir con los requisitos básicos de los materiales de electrodos generales (como conductividad eléctrica, resistencia a la actividad catalítica, procesamiento, fuente y precio), los materiales anódicos también deben ser insolubles y pasivos en polarización anódica fuerte y anolito de alta temperatura, con alta estabilidad . El grafito ha sido durante mucho tiempo el material de ánodo más utilizado. Sin embargo, el grafito es poroso, tiene poca resistencia mecánica y se oxida fácilmente en dióxido de carbono. La evolución del cloro sobrepotencial en el electrodo de grafito también es más alto cuando se usa para la electrólisis de solución salina.

El electrodo de óxido de metal formado por el recubrimiento de óxido de rutenio y óxido de titanio en la base de titanio propuesta por H. Bill en la década de 1960 es una innovación importante en los materiales anódicos. El dióxido de rutenio tiene una buena actividad catalítica para ciertas reacciones de ánodo, como la evolución del cloro y la evolución del oxígeno, y puede funcionar a alta densidad de corriente con un voltaje de células relativamente bajo. La característica más destacada es que tiene buena estabilidad química, y su vida laboral es mucho más larga que la de los anodes de grafito. Por ejemplo, en la célula electrolítica del diafragma para la producción de cloro-alcali, su vida útil puede alcanzar más de 10 años. Debido a que no es fácil de corroerse y es dimensionalmente estable, se llama ánodo dimensionalmente estable. Para adaptarse a diferentes requisitos y usos, se pueden agregar otros componentes al recubrimiento. Por ejemplo, agregar estaño e iridio puede aumentar el sobrepotencial de oxígeno y mejorar la selectividad del ánodo. Por ejemplo, agregar platino puede mejorar la estabilidad del electrodo. En la actualidad, los anodos metálicos recubiertos de metales preciosos han sido ampliamente promovidos en la industria química.

En la celda de electrólisis de sal fundida, debido a que la temperatura de electrólisis es mucho más alta que la de la celda de electrólisis de la solución acuosa, los requisitos para el material del ánodo son más estrictos. Para la electrólisis de hidróxido de sodio fundido, el acero, el níquel y sus aleaciones están generalmente disponibles. Para el cloruro de fundido electrolítico, solo se puede usar grafito.

Cátodo

Cuando se usa un metal o aleación como cátodo, ya que funciona a un potencial relativamente negativo, a menudo puede desempeñar un papel de protección catódica, y la corrosividad es pequeña, por lo que el material del cátodo es más fácil de elegir. En un electrolizador acuoso, el cátodo generalmente produce una reacción de evolución de hidrógeno con un alto sobrepotencial. Por lo tanto, la principal dirección de mejora de los materiales de cátodo es reducir la evolución de hidrógeno sobrepotencial. Además del uso de plomo o grafito como cátodo cuando el ácido sulfúrico se usa como electrolito, el acero bajo en carbono es un material de cátodo de uso común. Para reducir el consumo de energía, se utilizan actualmente varios métodos para preparar cátodos con una superficie específica alta y actividad catalítica, como cátodos porosos de níquel.

Para mejorar la calidad del producto, también se pueden utilizar materiales de cátodo especiales. Por ejemplo, en el cátodo de Mercury paraLa producción de refrescos cáusticos por la electrólisis de mercurio de la solución de salmuera, el alto sobrepotencial de la evolución de hidrógeno de mercurio se usa para descargar iones de sodio para generar amalgama de sodio, que luego se usa en especial en el equipo de la lejía de alta pureza y alta concentración, La amalgama de sodio se descompone con agua. Además, para ahorrar electricidad, también se puede utilizar un cátodo que consume oxígeno para reducir el oxígeno en el cátodo para reemplazar la reacción de evolución de hidrógeno. Según el cálculo teórico, el voltaje de la celda puede reducirse en 1.23V.

Diafragma

Para evitar la mezcla de productos de cátodo y ánodo y evitar posibles reacciones dañinas, en la célula electrolítica, las cámaras de cátodo y ánodo se separan básicamente por un diafragma. El diafragma debe tener una cierta porosidad, para que los iones puedan pasar, pero no moléculas o burbujas. Cuando fluye la corriente, la caída de voltaje óhmico del diafragma debe ser menor. Estos requisitos de rendimiento básicamente no cambian durante el uso, y requieren una buena estabilidad química y resistencia mecánica bajo la acción de los electrolitos de la cámara cátodo y ánodo. Al electrolizar agua, el electrolito en las cámaras del cátodo y el ánodo es el mismo, y el diafragma de la célula electrolítica solo necesita separar las cámaras del cátodo y el ánodo para garantizar la pureza de hidrógeno y oxígeno, y para evitar la explosión de hidrógeno y oxígeno y oxígeno mezcla. La situación más común y más complicada es que la composición electrolítica de las cámaras del cátodo y el ánodo en la célula electrolítica es diferente. En este momento, el diafragma también necesita evitar la difusión mutua y la interacción de los productos de electrólisis en los electrolitos de las cámaras de cátodo y ánodo. Por ejemplo, el diafragma en la célula electrolítica del diafragma en la producción de clor-alcali puede aumentar la resistencia de la difusión y la migración de iones de hidróxido en la cámara del cátodo a la cámara del ánodo.

Los diafragmas están hechos de materiales inerte, como los diafragmas de asbesto utilizados durante mucho tiempo en la industria de cloro-alcali. Sin embargo, el rendimiento del diafragma del asbesto es inestable. Cuando la salmuera contiene impurezas de calcio y magnesio, es fácil formar precipitación de hidróxido en el diafragma, reduciendo la permeabilidad; A temperaturas relativamente altas y bajo la acción del electrolito, la hinchazón y el despegue suelto. Con este fin, la resina se puede agregar al asbesto como material de refuerzo, o un diafragma microporoso puede hacerse de resina como el cuerpo principal, que tiene una gran mejora en la estabilidad y la resistencia mecánica. La membrana de intercambio de cationes desarrollada en la producción de cloro en los últimos años es un nuevo tipo de material de membrana. Tiene la selectividad de la permeación de iones, lo que puede hacer que los iones de cloruro básicamente no ingresen a la cámara del cátodo, de modo que se pueda obtener la solución alcalina con contenido de cloruro de sodio extremadamente bajo.