1. Elektroda
Anoda
Anoda dan katoda memiliki fungsi yang berbeda dan memiliki kebutuhan material yang berbeda.
Dibagi menjadi dua kategori: larut dan tidak larut. Dalam sel elektrolitik untuk pemurnian tembaga, bahan anoda adalah tembaga melepuh yang larut untuk dimurnikan. Ini larut ke dalam larutan selama elektrolisis untuk mengisi kembali tembaga yang keluar dari larutan di katoda. Dalam sel elektrolitik yang digunakan untuk mengelektrolisis larutan berair (seperti larutan air garam), anoda tidak larut dan pada dasarnya tidak berubah selama proses elektrolisis, namun seringkali memiliki efek katalitik pada reaksi anoda yang dilakukan pada permukaan elektroda. Dalam industri kimia, anoda yang tidak larut banyak digunakan.
Selain memenuhi persyaratan dasar bahan elektroda umum (seperti konduktivitas, kekuatan aktivitas katalitik, pemrosesan, sumber, harga), bahan anoda juga harus tidak larut dan tidak pasif dalam polarisasi anodik yang kuat dan anolit bersuhu lebih tinggi. , dengan stabilitas tinggi. Grafit telah lama menjadi bahan anoda yang paling banyak digunakan. Namun, grafit berpori, memiliki kekuatan mekanik yang buruk, dan mudah teroksidasi menjadi karbon dioksida. Ia terus-menerus terkorosi dan terkelupas selama proses elektrolisis, menyebabkan jarak elektroda meningkat secara bertahap dan tegangan sel meningkat. Ketika digunakan untuk elektrolisis larutan air garam, potensi berlebih evolusi klorin pada elektroda grafit juga tinggi.
Elektroda oksida logam yang dibentuk dengan melapisi ruthenium oksida dan titanium oksida pada basis titanium yang diusulkan oleh H. Beer pada tahun 1960an merupakan inovasi besar dalam bahan anoda. Rutenium dioksida memiliki aktivitas katalitik yang baik untuk reaksi anoda tertentu seperti evolusi klorin dan evolusi oksigen, dan dapat bekerja pada kepadatan arus tinggi dengan tegangan sel yang relatif rendah. Fitur yang paling menonjol adalah ia memiliki stabilitas kimia yang baik dan masa kerjanya lebih lama dibandingkan anoda grafit. Misalnya, pada elektroliser diafragma yang digunakan dalam produksi klor-alkali, masa pakainya bisa mencapai lebih dari 10 tahun. Karena tidak mudah menimbulkan korosi dan stabil secara dimensi, maka disebut anoda stabil secara dimensi. Untuk beradaptasi dengan kebutuhan dan penggunaan yang berbeda, komponen lain dapat ditambahkan ke lapisan. Misalnya, menambahkan timah dan iridium dapat meningkatkan potensi oksigen berlebih dan meningkatkan selektivitas anoda. Menambahkan platinum dapat meningkatkan stabilitas elektroda. Saat ini, anoda logam berlapis logam mulia telah dipromosikan secara luas di industri kimia.
Pada elektroliser garam cair, karena suhu elektrolisis jauh lebih tinggi dibandingkan pada elektroliser larutan air, persyaratan untuk bahan anoda lebih ketat. Untuk elektrolisis natrium hidroksida cair, baja, nikel dan paduannya umumnya digunakan. Untuk elektrolisis lelehan klorida, hanya grafit yang dapat digunakan.
Katoda
Ketika logam atau paduan digunakan sebagai katoda, karena ia bekerja pada potensial yang relatif negatif, seringkali ia berperan dalam proteksi katodik dan kurang korosif, sehingga bahan katoda lebih mudah untuk dipilih. Dalam sel elektrolitik berair, katoda umumnya menghasilkan reaksi evolusi hidrogen dan memiliki potensi berlebih yang tinggi. Oleh karena itu, arah perbaikan utama bahan katoda adalah mengurangi potensi berlebih evolusi hidrogen. Kecuali bila menggunakan asam sulfat sebagai elektrolit, timbal atau grafit harus digunakan sebagai katoda, baja karbon rendah merupakan bahan katoda yang umum digunakan. Untuk mengurangi konsumsi daya, berbagai metode saat ini digunakan untuk menyiapkan katoda dengan luas permukaan spesifik dan aktivitas katalitik yang tinggi, seperti katoda berlapis nikel berpori.
Untuk meningkatkan kualitas produk, bahan katoda khusus juga dapat digunakan. Misalnya, dalam katoda merkuri yang digunakan untuk mengelektrolisis larutan air garam untuk menghasilkan soda kaustik menggunakan metode merkuri, potensi berlebih yang tinggi dari evolusi hidrogen dari merkuri digunakan untuk melepaskan ion natrium untuk menghasilkan natrium amalgam, yang kemudian digunakan secara khusus. peralatan, natrium amalgam diurai dengan air untuk menghasilkan larutan alkali dengan kemurnian tinggi dan konsentrasi tinggi. Selain itu, untuk menghemat energi listrik, katoda pemakan oksigen juga dapat digunakan untuk mereduksi oksigen di katoda guna menggantikan reaksi evolusi hidrogen. Menurut perhitungan teoritis, tegangan sel dapat dikurangi sebesar 1,23V.
2. Diafragma
Untuk mencegah pencampuran produk katoda dan anoda dan menghindari kemungkinan reaksi berbahaya, dalam sel elektrolitik, diafragma pada dasarnya digunakan untuk memisahkan ruang katoda dan anoda. Diafragma perlu memiliki porositas tertentu agar ion dapat melewatinya tanpa membiarkan molekul atau gelembung melewatinya. Ketika arus mengalir melalui diafragma, penurunan tegangan ohmik diafragma harus rendah. Persyaratan kinerja ini pada dasarnya tetap tidak berubah selama penggunaan, dan memerlukan stabilitas kimia dan kekuatan mekanik yang baik di bawah pengaruh elektrolit di ruang katoda dan anoda. Saat mengelektrolisis air, elektrolit di ruang katoda dan anoda adalah sama. Diafragma sel elektrolitik hanya perlu memisahkan ruang katoda dan anoda untuk menjamin kemurnian hidrogen dan oksigen serta mencegah ledakan akibat pencampuran hidrogen dan oksigen. Situasi yang lebih umum dan rumit adalah komposisi elektrolit di ruang katoda dan anoda sel elektrolitik berbeda. Pada saat ini, diafragma juga perlu mencegah difusi timbal balik dan interaksi produk elektrolitik dalam elektrolit ruang katoda dan anoda. Misalnya, diafragma pada sel elektrolitik diafragma dalam produksi klor-alkali dapat meningkatkan ketahanan ion hidroksida dari ruang katoda ke ruang anoda.
Diafragma terbuat dari bahan inert, seperti diafragma asbes yang telah lama digunakan dalam industri klor-alkali. Namun, kinerja pemisah asbes tidak stabil. Ketika air garam mengandung pengotor kalsium dan magnesium, pengendapan hidroksida mudah dihasilkan di separator, sehingga mengurangi permeabilitas. Pada suhu yang relatif tinggi dan di bawah pengaruh elektrolit, pembengkakan dan pelonggaran dapat terjadi. Lepas landas. Untuk tujuan ini, resin dapat ditambahkan ke asbes sebagai bahan penguat, atau membran mikropori dapat dibuat dengan resin sebagai bahan utamanya, yang dapat sangat meningkatkan stabilitas dan kekuatan mekanik. Membran penukar kation yang dikembangkan dalam produksi klor-alkali dalam beberapa tahun terakhir adalah jenis bahan membran baru. Ia memiliki selektivitas untuk permeasi ion, yang pada dasarnya dapat mencegah ion klorida memasuki ruang katoda, sehingga larutan alkali dengan kandungan natrium klorida yang sangat rendah dapat dihasilkan.