الهيكل الرئيسي للخلية كهربائيا

الأنود الكهربائي
الأنود والكاثود لهما وظائف مختلفة ولهما متطلبات مواد مختلفة.
وتنقسم إلى قسمين: قابل للذوبان وغير قابل للذوبان. في الخلايا التحليلية الكهربائية لتكرير النحاس، تكون مادة الأنود عبارة عن نحاس نفطة قابل للذوبان ليتم تكريره. يذوب في المحلول أثناء التحليل الكهربائي لتجديد النحاس الذي يخرج من المحلول عند الكاثود. في الخلايا التحليلية المستخدمة لتحليل المحاليل المائية بالكهرباء (مثل محاليل المياه المالحة)، تكون الأنودات غير قابلة للذوبان ولا تتغير بشكل أساسي أثناء عملية التحليل الكهربائي، ولكن غالبًا ما يكون لها تأثير محفز على تفاعلات الأنود التي تتم على سطح القطب. في الصناعة الكيميائية، يتم استخدام الأنودات غير القابلة للذوبان في الغالب.
بالإضافة إلى تلبية المتطلبات الأساسية لمواد الإلكترود العامة (مثل الموصلية، وقوة النشاط التحفيزي، والمعالجة، والمصدر، والسعر)، يجب أن تكون مواد الأنود أيضًا غير قابلة للذوبان وغير خاملة في الاستقطاب الأنودي القوي والتحليلات ذات درجة الحرارة المرتفعة. ، مع ارتفاع الاستقرار. لقد كان الجرافيت لفترة طويلة مادة الأنود الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن الجرافيت مسامي، وله قوة ميكانيكية ضعيفة، ويتأكسد بسهولة إلى ثاني أكسيد الكربون. يتآكل ويتقشر باستمرار أثناء عملية التحليل الكهربائي، مما يتسبب في زيادة مسافة القطب تدريجيًا وزيادة جهد الخلية. عند استخدامه للتحليل الكهربائي لمحلول الماء المالح، تكون القدرة الزائدة لتطور الكلور على قطب الجرافيت مرتفعة أيضًا.
كان قطب أكسيد المعدن الذي يتكون من طلاء أكسيد الروثينيوم وأكسيد التيتانيوم على قاعدة من التيتانيوم التي اقترحها H. Beer في الستينيات ابتكارًا كبيرًا في مواد الأنود. يتمتع ثاني أكسيد الروثينيوم بنشاط تحفيزي جيد لبعض تفاعلات الأنود مثل تطور الكلور وتطور الأكسجين، ويمكن أن يعمل عند كثافة تيار عالية مع جهد خلية منخفض نسبيًا. الميزة الأكثر بروزًا هي أنها تتمتع بثبات كيميائي جيد وعمرها التشغيلي أطول بكثير من عمر الأنودات الجرافيتية. على سبيل المثال، في المحلل الكهربائي الغشائي المستخدم في إنتاج الكلور والقلويات، يمكن أن يصل عمرها الافتراضي إلى أكثر من 10 سنوات. لأنه ليس من السهل أن يتآكل ومستقر الأبعاد، ويسمى الأنود مستقر الأبعاد. من أجل التكيف مع المتطلبات والاستخدامات المختلفة، يمكن إضافة مكونات أخرى إلى الطلاء. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إضافة القصدير والإيريديوم إلى زيادة القدرة الزائدة للأكسجين وتحسين انتقائية الأنود. يمكن أن تؤدي إضافة البلاتين إلى تحسين استقرار القطب. في الوقت الحاضر، يتم الترويج على نطاق واسع للأنودات المعدنية المطلية بالمعادن الثمينة في الصناعة الكيميائية.
في المحلل الكهربائي للملح المصهور، نظرًا لأن درجة حرارة التحليل الكهربائي أعلى بكثير من تلك الموجودة في المحلل الكهربائي للمحلول المائي، فإن متطلبات مواد الأنود تكون أكثر صرامة. للتحليل الكهربائي لهيدروكسيد الصوديوم المنصهر، يتم استخدام الفولاذ والنيكل وسبائكها بشكل عام. للتحليل الكهربائي للكلوريد المنصهر، يمكن استخدام الجرافيت فقط.
الكاثود
عندما يتم استخدام المعدن أو السبائك ككاثود، نظرًا لأنه يعمل بإمكانات سلبية نسبيًا، فإنه غالبًا ما يلعب دورًا في الحماية الكاثودية ويكون أقل تآكلًا، لذلك يكون اختيار مادة الكاثود أسهل. في خلية التحليل الكهربائي المائية، ينتج الكاثود بشكل عام تفاعل تطور الهيدروجين وله قدرة زائدة عالية. لذلك، فإن الاتجاه الرئيسي لتحسين المواد الكاثودية هو تقليل القدرة الزائدة لتطور الهيدروجين. باستثناء عند استخدام حمض الكبريتيك ككهارل، يجب استخدام الرصاص أو الجرافيت ككاثود، فإن الفولاذ منخفض الكربون هو مادة كاثود شائعة الاستخدام. من أجل تقليل استهلاك الطاقة، يتم حاليًا استخدام طرق مختلفة لإعداد كاثودات ذات مساحة سطح محددة عالية ونشاط حفاز، مثل الكاثودات المسامية المطلية بالنيكل.
ومن أجل تحسين جودة المنتج، يمكن أيضًا استخدام مواد الكاثود الخاصة. على سبيل المثال، في كاثود الزئبق المستخدم في التحليل الكهربي لمحلول الماء المالح لإنتاج الصودا الكاوية باستخدام طريقة الزئبق، يتم استخدام القدرة الزائدة العالية لتطور الهيدروجين من الزئبق لتفريغ أيونات الصوديوم لتوليد ملغم الصوديوم، والذي يستخدم بعد ذلك في عملية خاصة في في المعدات، يتم تحلل ملغم الصوديوم مع الماء لتحضير محلول قلوي عالي النقاوة وعالي التركيز. بالإضافة إلى ذلك، من أجل توفير الطاقة الكهربائية، يمكن أيضًا استخدام كاثود مستهلك للأكسجين لتقليل الأكسجين عند الكاثود ليحل محل تفاعل تطور الهيدروجين. وفقا للحسابات النظرية، يمكن تقليل جهد الخلية بمقدار 1.23 فولت.
الحجاب الحاجز
من أجل منع اختلاط منتجات الكاثود والأنود وتجنب التفاعلات الضارة المحتملة، في الخلايا الإلكتروليتية، يتم استخدام الأغشية بشكل أساسي لفصل غرف الكاثود والأنود. يحتاج الحجاب الحاجز إلى مسامية معينة للسماح للأيونات بالمرور دون السماح للجزيئات أو الفقاعات بالمرور. عندما يتدفق التيار عبر الحجاب الحاجز، يجب أن يكون انخفاض الجهد الأومي للحجاب الحاجز منخفضًا. تظل متطلبات الأداء هذه دون تغيير بشكل أساسي أثناء الاستخدام، وتتطلب ثباتًا كيميائيًا جيدًا وقوة ميكانيكية تحت تأثير الإلكتروليتات في غرف الكاثود والأنود. عند تحليل الماء كهربيًا، تكون الإلكتروليتات الموجودة في حجرتي الكاثود والأنود هي نفسها. يحتاج الحجاب الحاجز للخلية الإلكتروليتية فقط إلى فصل حجرتي الكاثود والأنود لضمان نقاء الهيدروجين والأكسجين ومنع الانفجارات الناتجة عن خلط الهيدروجين والأكسجين. الموقف الأكثر شيوعًا وتعقيدًا هو أن تركيبات الإلكتروليت في غرف الكاثود والأنود في الخلية الإلكتروليتية مختلفة. في هذا الوقت، يحتاج الحجاب الحاجز أيضًا إلى منع الانتشار المتبادل والتفاعل بين المنتجات الإلكتروليتية في إلكتروليتات غرف الكاثود والأنود. على سبيل المثال، يمكن للحجاب الحاجز الموجود في خلية التحليل الكهربائي للحجاب الحاجز في إنتاج الكلور والقلويات أن يزيد من مقاومة أيونات الهيدروكسيد من غرفة الكاثود إلى غرفة الأنود.
تصنع الأغشية من مواد خاملة، مثل أغشية الأسبستوس المستخدمة منذ فترة طويلة في صناعة الكلور والقلويات. ومع ذلك، فإن أداء فواصل الأسبستوس غير مستقر. عندما يحتوي المحلول الملحي على شوائب الكالسيوم والمغنيسيوم، يتم توليد ترسيب الهيدروكسيد بسهولة في الفاصل، مما يقلل من النفاذية. في درجات حرارة مرتفعة نسبيا وتحت تأثير المنحل بالكهرباء، قد يحدث تورم وتخفيف. اخلع. لهذا الغرض، يمكن إضافة الراتينج إلى الأسبستوس كمواد تقوية، أو يمكن صنع غشاء مسامي باستخدام الراتينج كجسم رئيسي، والذي يمكن أن يحسن بشكل كبير الاستقرار والقوة الميكانيكية. يعد غشاء التبادل الكاتيوني الذي تم تطويره في إنتاج الكلور والقلويات في السنوات الأخيرة نوعًا جديدًا من مواد الغشاء. إنه يتميز بانتقائية لنفاذ الأيونات، والذي يمكنه بشكل أساسي منع أيونات الكلوريد من دخول غرفة الكاثود، بحيث يمكن إنتاج محلول قلوي بمحتوى كلوريد الصوديوم منخفض للغاية.