전해 세포가 사용되는 것 - 파트 1

전해 세포는 무엇을 사용합니까?

그만큼전해 세포세포체, 양극 및 음극으로 구성되며, 대부분은 양극 챔버와 음극 챔버에서 다이어프램에 의해 분리되어 있습니다. 상이한 전해질에 따르면, 이는 세 가지 유형의 수성 전해 세포, 용융 염 전해 세포 및 비-수성 전해 세포의 세 가지 유형으로 나뉩니다. 직류가 전해 세포를 통과 할 때, 산화 반응은 양극과 용액 사이의 계면에서 발생하며, 캐소드와 용액 사이의 계면에서 환원 반응이 발생합니다. 전해 세포의 구조를 최적화하고 전극 및 다이어프램의 재료를 선택하는 것은 전류 효율을 향상시키고 셀 전압을 줄이고 에너지를 절약하는 열쇠입니다.

양극

양극과 음극의 기능은 다르며 재료 요구 사항도 다릅니다.

가용성 및 불용성 범주로 나뉩니다. 구리 정제를위한 전해 세포에서, 양극 재료는 가용성 물집 구리가 정제 될 수있다. 전기 분해 중 용액에 용해되어 음극에서 용액에서 나오는 구리를 보충합니다. 전해성 수용액 용액 (예 : 소금물 용액)을위한 전해 세포에서, 양극은 불용성이며, 전기 분해 공정 동안 실질적으로 변화하지는 않지만 종종 전극 표면에서 발생하는 양극 반응에 촉매 효과를 갖는다. 화학 산업에서는 불용성 양극이 주로 사용됩니다.

일반 전극 재료 (예 : 전기 전도도, 촉매 활동 강도, 가공, 공급원 및 가격)의 기본 요구 사항을 충족하는 것 외에도 안정성이 높은 강한 양극 편광 및 고온 anolyte에서는 불용성과 수동적이어야합니다. . 흑연은 오랫동안 가장 널리 사용되는 양극 재료였습니다. 그러나, 흑연은 다공성이며, 기계적 강도가 좋지 않으며, 이산화탄소로 쉽게 산화됩니다. 흑연 전극의 염소 진화는 또한 식염수 용액의 전기 분해에 사용될 때 더 높습니다.

1960 년대 H. Bill이 제안한 티타늄 염기에 산화물을 코팅하여 형성된 금속 산화물 전극은 양극 재료의 주요 혁신입니다. 이산화물은 염소 진화 및 산소 진화와 같은 특정 양극 반응에 대해 우수한 촉매 활성을 가지며, 상대적으로 낮은 세포 전압으로 고전류 밀도에서 작용할 수 있습니다. 가장 두드러진 특징은 화학적 안정성이 우수하며 작업 수명이 흑연 양극보다 훨씬 길다는 것입니다. 예를 들어, 클로르 알칼리 생산을위한 다이어프램 전해 세포에서 수명은 10 년 이상에 도달 할 수 있습니다. 부식하기 쉽지 않으며 치수 적으로 안정적이기 때문에 치수 적으로 안정적인 양극이라고합니다. 다른 요구 사항 및 용도에 적응하기 위해 다른 구성 요소를 코팅에 추가 할 수 있습니다. 예를 들어, 주석과 이리 디움을 첨가하면 산소의 과도한 수소가 증가하고 양극의 선택성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 백금을 첨가하면 전극의 안정성이 향상 될 수 있습니다. 현재, 귀금속으로 코팅 된 금속 양극은 화학 산업에서 널리 홍보되었습니다.

용융 염 전기 분해 세포에서, 전기 분해 온도는 수성 용액 전기 분해 셀의 것보다 훨씬 높기 때문에, 양극 물질에 대한 요구 사항은 더 엄격하다. 용융 수산화 나트륨의 전기 분해의 경우, 강철, 니켈 및 그 합금이 일반적으로 이용 가능합니다. 전해 용융 염화물의 경우, 흑연 만 사용할 수 있습니다.

음극

금속 또는 합금이 캐소드로 사용되는 경우 비교적 음의 전위에서 작동하기 때문에 음극 보호 역할을하는 경우가 많고 부식성이 작기 때문에 음극 재료를 선택하기가 더 쉽습니다. 수성 전해저에서, 캐소드는 일반적으로 높은 전위와의 수소 진화 반응을 생성한다. 따라서, 음극 재료의 주요 개선 방향은 수소 진화를 과도하게 감소시키는 것입니다. 황산이 전해질로 사용될 때 캐소드로서 납 또는 흑연을 사용하는 것 외에도, 저탄소강은 일반적으로 사용되는 캐소드 물질이다. 전력 소비를 줄이기 위해, 현재 다양한 방법이 고유 한 표면적 및 다공성 니켈 도금 된 음극과 같은 촉매 활성을 갖는 음극을 제조하는데 사용된다.

제품 품질을 향상시키기 위해 특수 캐소드 재료도 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 수은 캐소드에서소금 용액의 수은 전기 분해에 의한 가성 소다의 생산, 수은 수소 진화의 높은 과도 능력은 나트륨 이온을 배출하여 나트륨 아말감을 생성하는 데 사용되며, 이는 고급 고급 및 고고금이있는 장비에 특수한에 사용됩니다. 나트륨 아말감은 물로 분해됩니다. 또한, 전기를 절약하기 위해, 산소 소비 음극을 사용하여 음극에서 산소를 감소시켜 수소 진화 반응을 대체 할 수있다. 이론적 계산에 따르면, 셀 전압은 1.23V로 감소 될 수있다.

횡격막

음극과 양극 생성물의 혼합물을 방지하고 가능한 유해한 반응을 피하기 위해, 전해 세포에서, 음극 및 양극 챔버는 기본적으로 다이어프램에 의해 분리된다. 다이어프램은 특정 다공성을 가져야하므로 이온이 통과 할 수 있지만 분자 나 기포는 아닙니다. 전류가 흐르면 다이어프램의 저압 전압 강하가 더 낮아야합니다. 이러한 성능 요구 사항은 기본적으로 사용 중에 변경되지 않으며 캐소드 및 양극 챔버 전해질의 작용 하에서 우수한 화학적 안정성과 기계적 강도가 필요합니다. 전해면이면, 음극 및 양극 챔버의 전해질은 동일하며, 전해 세포의 다이어프램은 수소와 산소의 순도를 보장하고 수소와 산소의 폭발을 방지하기 위해 음극과 양극 챔버 만 분리하면됩니다. 혼합물. 더 흔하고 복잡한 상황은 전해 세포에서 음극 및 양극 챔버의 전해질 조성이 다르다는 것입니다. 이 시점에서, 다이어프램은 또한 음극 및 양극 챔버의 전해질에서 전기 분해 생성물의 상호 확산 및 상호 작용을 방지해야한다. 예를 들어, 클로르-알칼리 생성에서 다이어프램 전해 세포의 다이어프램은 캐소드 챔버에서 수산화물 이온의 확산 및 이동성의 저항성을 양극 챔버로 증가시킬 수있다.

다이어프램은 클로르 알칼리 산업에서 오랫동안 사용되는 석면 다이어프램과 같은 불활성 재료로 만들어졌습니다. 그러나 석면 다이어프램의 성능은 불안정합니다. 소금물에 칼슘과 마그네슘 불순물이 포함 된 경우, 다이어프램에서 수산화물 침전을 쉽게 형성하여 투과성을 감소시킬 수 있습니다. 상대적으로 높은 온도와 전해질의 작용 하에서 붓기와 느슨한 이륙. 이를 위해, 수지는 강화 물질로서 석면에 첨가 될 수 있거나, 미세 다공성 다이어프램은 본체로 수지로 만들어 질 수 있으며, 이는 안정성과 기계적 강도가 크게 향상됩니다. 최근 몇 년 동안 클로르 알칼리 생산에서 개발 된 양이온 교환 막은 새로운 유형의 막 재료입니다. 그것은 이온 투과의 선택성을 갖는데, 이는 염화물 이온이 기본적으로 캐소드 챔버로 들어 가지 않아서 염화나트륨 함량이 매우 낮은 알칼리 용액을 얻을 수 있도록 할 수있다.