1. Elektrood
Anood
Anoodil ja katoodil on erinevad funktsioonid ja erinevad materjalinõuded.
Jaotatud kahte kategooriasse: lahustuv ja lahustumatu. Vase rafineerimiseks mõeldud elektrolüütilistes elementides on anoodimaterjaliks lahustuv mullvask, mida tuleb rafineerida. See lahustub elektrolüüsi käigus lahuses, et täiendada katoodil lahusest väljuvat vaske. Vesilahuste (näiteks soolase vee lahused) elektrolüüsimiseks kasutatavates elektrolüütilistes elementides on anoodid lahustumatud ja need põhimõtteliselt ei muutu elektrolüüsiprotsessi käigus, kuid neil on sageli katalüütiline toime elektroodi pinnal toimuvatele anoodireaktsioonidele. Keemiatööstuses kasutatakse enamasti lahustumatuid anoode.
Lisaks üldistele elektroodimaterjalidele esitatavatele põhinõuetele (nt juhtivus, katalüütilise aktiivsuse tugevus, töötlemine, allikas, hind) peavad anoodmaterjalid olema tugevas anoodilises polarisatsioonis ja kõrgema temperatuuriga anolüütides lahustumatud ja passiveerimata. , kõrge stabiilsusega. Grafiit on pikka aega olnud kõige laialdasemalt kasutatav anoodimaterjal. Grafiit on aga poorne, halva mehaanilise tugevusega ja kergesti oksüdeerub süsinikdioksiidiks. See on elektrolüüsiprotsessi käigus pidevalt korrodeerunud ja koorunud, mistõttu elektroodide kaugus järk-järgult suureneb ja elemendi pinge suureneb. Kui seda kasutatakse soolase vee lahuse elektrolüüsiks, on grafiitelektroodil suur kloori eraldumise ülepotentsiaal.
Metalloksiidelektrood, mis moodustati ruteeniumoksiidi ja titaanoksiidi katmisel titaanalusele, mille H. Beer pakkus välja 1960. aastatel, oli suur uuendus anoodmaterjalide vallas. Ruteeniumdioksiidil on hea katalüütiline aktiivsus teatud anoodireaktsioonide jaoks, nagu kloori eraldumine ja hapniku eraldumine, ning see võib töötada suure voolutihedusega ja suhteliselt madala elemendi pingega. Kõige silmapaistvam omadus on see, et sellel on hea keemiline stabiilsus ja selle tööiga on palju pikem kui grafiitanoodidel. Näiteks kloor-leelise tootmisel kasutatavates membraanelektrolüüsiseadmetes võib nende eluiga ulatuda üle 10 aasta. Kuna seda ei ole kerge korrodeeruda ja see on mõõtmetelt stabiilne, nimetatakse seda mõõtmetekindlaks anoodiks. Erinevate nõuete ja kasutusaladega kohanemiseks saab kattekihile lisada muid komponente. Näiteks võib tina ja iriidiumi lisamine suurendada hapniku ülepotentsiaali ja parandada anoodi selektiivsust. Plaatina lisamine võib parandada elektroodi stabiilsust. Praegu on keemiatööstuses laialdaselt propageeritud väärismetalliga kaetud metalli anoode.
Kuna sulasoola elektrolüsaatorites on elektrolüüsi temperatuur palju kõrgem kui vesilahusega elektrolüüsiseadmetes, on nõuded anoodimaterjalidele rangemad. Sula naatriumhüdroksiidi elektrolüüsiks kasutatakse tavaliselt terast, niklit ja nende sulameid. Sula kloriidi elektrolüüsiks võib kasutada ainult grafiiti.
Katood
Kui katoodina kasutatakse metalli või sulamit, kuna see töötab suhteliselt negatiivse potentsiaaliga, võib see sageli mängida rolli katoodkaitses ja on vähem söövitav, nii et katoodi materjali on lihtsam valida. Veepõhises elektrolüütilises elemendis tekitab katood üldiselt vesiniku eraldumise reaktsiooni ja sellel on suur ülepotentsiaal. Seetõttu on katoodmaterjalide peamine täiustamise suund vesiniku eraldumise ülepotentsiaali vähendamine. Välja arvatud juhul, kui elektrolüüdina kasutatakse väävelhapet, tuleb katoodina kasutada pliid või grafiiti, on tavaliselt kasutatav katoodmaterjal madala süsinikusisaldusega teras. Energiatarbimise vähendamiseks kasutatakse praegu suure eripinna ja katalüütilise aktiivsusega katoodide valmistamiseks erinevaid meetodeid, näiteks poorseid nikeldatud katoode.
Toote kvaliteedi parandamiseks võib kasutada ka spetsiaalseid katoodmaterjale. Näiteks elavhõbeda katoodis, mida kasutatakse soolase vee lahuse elektrolüüsimiseks seebikivi tootmiseks elavhõbedameetodil, kasutatakse elavhõbedast eralduva vesiniku suurt ülepotentsiaali naatriumioonide tühjendamiseks, et tekitada naatriumamalgaam, mida seejärel kasutatakse spetsiaalses seadmetes lagundatakse naatriumamalgaam veega, et valmistada kõrge puhtusastmega kõrge kontsentratsiooniga leeliselahus. Lisaks saab elektrienergia säästmiseks kasutada hapnikku tarbivat katoodi katoodil hapniku vähendamiseks, et asendada vesiniku eraldumise reaktsioon. Teoreetiliste arvutuste kohaselt saab elemendi pinget vähendada 1,23 V võrra.
2. Diafragma
Katoodi- ja anoodiproduktide segunemise ja võimalike kahjulike reaktsioonide vältimiseks kasutatakse elektrolüütilistes elementides katoodi- ja anoodikambrite eraldamiseks põhimõtteliselt membraane. Diafragmal peab olema teatud poorsus, et võimaldada ioonidel läbida ilma molekulide või mullide läbipääsu. Kui vool läbib membraani, peab membraani oomiline pingelang olema väike. Need jõudlusnõuded jäävad kasutamise ajal põhimõtteliselt muutumatuks ning nõuavad katoodi- ja anoodikambrites olevate elektrolüütide mõjul head keemilist stabiilsust ja mehaanilist tugevust. Vee elektrolüüsimisel on katoodi- ja anoodikambris olevad elektrolüüdid samad. Elektrolüütilise elemendi membraan peab eraldama vaid katoodi- ja anoodikambrid, et tagada vesiniku ja hapniku puhtus ning vältida vesiniku ja hapniku segunemisel tekkivaid plahvatusi. Levinum ja keerulisem olukord on see, et elektrolüütide koostised elektrolüütielemendi katood- ja anoodikambrites on erinevad. Sel ajal peab membraan vältima ka elektrolüütiliste toodete vastastikust difusiooni ja interaktsiooni katoodi- ja anoodikambrite elektrolüütides. Näiteks võib membraani elektrolüütilise raku membraan kloorleelise tootmisel suurendada hüdroksiidioonide takistust katoodikambrist anoodikambrisse.
Membraanid on valmistatud inertsetest materjalidest, nagu näiteks kloorleelisetööstuses kaua kasutatud asbestimembraanid. Asbestieraldajate jõudlus on aga ebastabiilne. Kui soolvesi sisaldab kaltsiumi ja magneesiumi lisandeid, tekib separaatoris kergesti hüdroksiidi sade, mis vähendab läbilaskvust. Suhteliselt kõrgel temperatuuril ja elektrolüüdi toimel võib tekkida turse ja lõtvumine. Tõuse maha. Sel eesmärgil võib asbestile tugevdava materjalina lisada vaiku või teha mikropoorse membraani, mille põhiosa on vaik, mis võib oluliselt parandada stabiilsust ja mehaanilist tugevust. Viimastel aastatel kloor-leelise tootmisel välja töötatud katioonivahetusmembraan on uut tüüpi membraanimaterjal. Sellel on selektiivsus ioonide läbilaskvuse suhtes, mis võib põhimõtteliselt takistada kloriidioonide sisenemist katoodikambrisse, nii et saab valmistada äärmiselt madala naatriumkloriidisisaldusega leeliselahuse.