1. 전극
양극
양극과 음극은 기능이 다르며 재료 요구 사항도 다릅니다.
가용성과 불용성의 두 가지 범주로 나뉩니다. 구리 정제용 전해조에서 양극 재료는 용해성 구리로 정제됩니다. 이는 전기분해 중에 용액에 용해되어 음극에서 용액에서 나오는 구리를 보충합니다. 수용액(예: 염수 용액)을 전기분해하는 데 사용되는 전해조에서 양극은 불용성이며 기본적으로 전기분해 과정에서 변하지 않지만 종종 전극 표면에서 수행되는 양극 반응에 촉매 효과를 갖습니다. 화학산업에서는 불용성 양극이 주로 사용된다.
일반 전극 재료의 기본 요구 사항(예: 전도성, 촉매 활성 강도, 처리, 소스, 가격)을 충족하는 것 외에도 양극 재료는 강한 양극 분극 및 고온 양극액에서 불용성 및 비부동태화되어야 합니다. , 높은 안정성. 흑연은 오랫동안 가장 널리 사용되는 양극 재료였습니다. 그러나 흑연은 다공성이며 기계적 강도가 낮고 쉽게 산화되어 이산화탄소로 변합니다. 전기 분해 과정에서 끊임없이 부식되고 벗겨지면서 전극 거리가 점차 늘어나고 셀 전압이 증가합니다. 소금물 용액의 전기분해에 사용할 경우 흑연 전극의 염소 발생 과전압도 높습니다.
1960년대 H. Beer가 제안한 티타늄 베이스에 산화루테늄과 산화티타늄을 코팅하여 형성된 금속산화물 전극은 양극재료의 획기적인 혁신이었습니다. 이산화루테늄은 염소 발생 및 산소 발생과 같은 특정 양극 반응에 대해 우수한 촉매 활성을 가지며 상대적으로 낮은 셀 전압으로 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있습니다. 가장 뛰어난 특징은 화학적 안정성이 좋고, 흑연 양극에 비해 수명이 훨씬 길다는 점입니다. 예를 들어, 염소-알칼리 생산에 사용되는 격막 전해조의 수명은 10년 이상에 달할 수 있습니다. 부식되기 쉽지 않고, 치수적으로 안정하기 때문에 치수안정형 양극이라 불린다. 다양한 요구 사항과 용도에 맞게 코팅에 다른 구성 요소를 추가할 수 있습니다. 예를 들어, 주석과 이리듐을 첨가하면 산소의 과전위를 높이고 양극의 선택성을 향상시킬 수 있습니다. 백금을 첨가하면 전극의 안정성이 향상될 수 있습니다. 현재 귀금속 코팅 금속 양극은 화학 산업에서 널리 홍보되고 있습니다.
용융염 전해조에서는 전해 온도가 수용액 전해조의 온도보다 훨씬 높기 때문에 양극 재료에 대한 요구 사항이 더 엄격합니다. 용융된 수산화나트륨의 전기분해에는 일반적으로 강철, 니켈 및 그 합금이 사용됩니다. 용융염화물을 전기분해하는 경우 흑연만 사용할 수 있다.
음극
금속이나 합금을 음극으로 사용하는 경우 상대적으로 음전위에서 작용하기 때문에 음극 보호 역할을 할 수 있고 부식성이 적어 음극 재료를 선택하기가 더 쉽습니다. 수성 전해질 전지에서 음극은 일반적으로 수소 발생 반응을 생성하며 높은 과전압을 갖습니다. 따라서 양극재의 주요 개선 방향은 수소 발생 과전압을 줄이는 것입니다. 전해액으로 황산을 사용하는 경우를 제외하고는 납이나 흑연을 음극으로 사용해야 하며, 음극재로는 저탄소강이 널리 사용됩니다. 현재 전력 소모를 줄이기 위해 다공성 니켈 도금 양극과 같이 비표면적과 촉매 활성이 높은 음극을 제조하는 다양한 방법이 사용되고 있다.
제품 품질을 향상시키기 위해 특수 음극재를 사용할 수도 있습니다. 예를 들어, 수은법을 이용하여 가성소다를 제조하기 위해 소금물을 전기분해하는 데 사용되는 수은 음극에서는 수은에서 발생하는 수소방출의 높은 과전위를 이용하여 나트륨 이온을 방출하여 나트륨 아말감을 생성하고, 이를 특수한 방법으로 사용한다. 장비에서 아말감나트륨을 물과 분해하여 고순도, 고농도 알칼리 용액을 제조합니다. 또한 전기 에너지를 절약하기 위해 산소를 소비하는 음극을 사용하여 음극에서 산소를 줄여 수소 발생 반응을 대체할 수도 있습니다. 이론적 계산에 따르면 셀 전압은 1.23V까지 감소할 수 있다.
2. 다이어프램
음극과 양극 제품의 혼합을 방지하고 유해한 반응을 피하기 위해 전해조에서는 기본적으로 격막을 사용하여 음극과 양극실을 분리합니다. 다이어프램에는 분자나 기포가 통과하지 않고 이온이 통과할 수 있도록 특정 다공성이 있어야 합니다. 전류가 다이어프램을 통해 흐를 때 다이어프램의 저항 전압 강하는 낮아야 합니다. 이러한 성능 요구 사항은 기본적으로 사용 중에 변하지 않으며, 양극실과 양극실의 전해질 작용에 따라 우수한 화학적 안정성과 기계적 강도가 필요합니다. 물을 전기분해할 때 양극실과 양극실의 전해질은 동일합니다. 전해조의 격막은 음극실과 양극실만 분리하면 수소와 산소의 순도를 보장하고 수소와 산소의 혼합으로 인한 폭발을 방지할 수 있습니다. 보다 일반적이고 복잡한 상황은 전해조의 음극실과 양극실의 전해질 조성이 다르다는 것입니다. 이때, 격막은 양극실과 양극실의 전해질에서 전해질 생성물의 상호 확산과 상호작용을 방지하는 역할도 해야 합니다. 예를 들어, 염소-알칼리 생산 시 격막 전해조의 격막은 음극실에서 양극실로 이동하는 수산화물 이온의 저항을 증가시킬 수 있습니다.
격막은 염소-알칼리 산업에서 오랫동안 사용된 석면 격막과 같은 불활성 재료로 만들어집니다. 그러나 석면분리기의 성능은 불안정하다. 염수에 칼슘, 마그네슘 불순물이 포함된 경우 분리막에 수산화물 침전이 쉽게 발생하여 투과도가 저하됩니다. 상대적으로 높은 온도와 전해질의 작용으로 부풀어오르거나 느슨해지는 현상이 발생할 수 있습니다. 이륙하다. 이를 위해 석면에 수지를 보강재로 첨가하거나, 수지를 주체로 하는 미세다공막을 만들어 안정성과 기계적 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 최근 몇 년 동안 염소-알칼리 생산에서 개발된 양이온 교환막은 새로운 유형의 막 재료이다. 이온 투과에 대한 선택성을 갖고 있어 기본적으로 염화물 이온이 음극실로 들어가는 것을 방지할 수 있어 염화나트륨 함량이 극히 낮은 알칼리 용액을 생산할 수 있습니다.