โครงสร้างหลักของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

แอโนดอิเล็กโทรด
แอโนดและแคโทดมีหน้าที่ต่างกันและมีความต้องการวัสดุที่แตกต่างกัน
แบ่งออกเป็นสองประเภท: ละลายน้ำและไม่ละลายน้ำ ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์สำหรับการกลั่นทองแดง วัสดุแอโนดคือทองแดงพุพองที่ละลายน้ำได้เพื่อนำไปกลั่น มันจะละลายลงในสารละลายระหว่างอิเล็กโทรไลซิสเพื่อเติมทองแดงที่ออกมาจากสารละลายที่แคโทด ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในการอิเล็กโทรไลต์สารละลายน้ำ (เช่น สารละลายน้ำเกลือ) แอโนดจะไม่ละลายและโดยพื้นฐานแล้วจะไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส แต่มักจะมีผลในการเร่งปฏิกิริยาต่อปฏิกิริยาแอโนดที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ในอุตสาหกรรมเคมี ส่วนใหญ่จะใช้แอโนดที่ไม่ละลายน้ำ
นอกเหนือจากการตอบสนองความต้องการพื้นฐานของวัสดุอิเล็กโทรดทั่วไปแล้ว (เช่น ความนำไฟฟ้า ความแรงของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา การประมวลผล แหล่งที่มา ราคา) วัสดุแอโนดจะต้องไม่ละลายน้ำและไม่ผ่านกระบวนการพาสซีฟในโพลาไรซ์ขั้วบวกที่รุนแรงและอะโนไลต์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า มีความมั่นคงสูง กราไฟท์เป็นวัสดุแอโนดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมายาวนาน อย่างไรก็ตาม กราไฟท์นั้นมีรูพรุน มีความแข็งแรงเชิงกลต่ำ และถูกออกซิไดซ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ได้ง่าย มันถูกสึกกร่อนและลอกออกอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ทำให้ระยะห่างของอิเล็กโทรดค่อยๆ เพิ่มขึ้นและแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เพิ่มขึ้น เมื่อนำมาใช้ในการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายน้ำเกลือ ศักยภาพที่สูงเกินไปของวิวัฒนาการของคลอรีนบนอิเล็กโทรดกราไฟท์ก็จะสูงเช่นกัน
อิเล็กโทรดโลหะออกไซด์ที่เกิดจากการเคลือบรูทีเนียมออกไซด์และไทเทเนียมออกไซด์บนฐานไทเทเนียมที่เสนอโดย H. Beer ในทศวรรษ 1960 ถือเป็นนวัตกรรมที่สำคัญในด้านวัสดุแอโนด รูทีเนียมไดออกไซด์มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาที่ดีสำหรับปฏิกิริยาแอโนดบางอย่าง เช่น วิวัฒนาการของคลอรีนและการวิวัฒนาการของออกซิเจน และสามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสสูงโดยมีแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ค่อนข้างต่ำ คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดคือมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีและอายุการใช้งานยาวนานกว่าแกรไฟต์แอโนดมาก ตัวอย่างเช่น ในอิเล็กโทรไลเซอร์ไดอะแฟรมที่ใช้ในการผลิตคลอร์อัลคาไล อายุการใช้งานของอิเล็กโทรไลต์อาจยาวนานกว่า 10 ปี เนื่องจากมันไม่ง่ายที่จะกัดกร่อนและมีความเสถียรในมิติจึงเรียกว่าขั้วบวกที่มีความเสถียรในมิติ เพื่อที่จะปรับให้เข้ากับความต้องการและการใช้งานที่แตกต่างกัน จึงสามารถเพิ่มส่วนประกอบอื่นๆ ลงในการเคลือบได้ ตัวอย่างเช่น การเติมดีบุกและอิริเดียมสามารถเพิ่มศักยภาพของออกซิเจนมากเกินไป และปรับปรุงการเลือกของขั้วบวก การเติมแพลตตินัมสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของอิเล็กโทรดได้ ในปัจจุบัน แอโนดโลหะเคลือบโลหะมีค่าได้รับการส่งเสริมอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเคมี
ในอิเล็กโตรไลเซอร์เกลือหลอมเหลว เนื่องจากอุณหภูมิอิเล็กโตรไลซิสสูงกว่าอุณหภูมิในอิเล็กโตรไลเซอร์ที่เป็นสารละลายที่เป็นน้ำ ข้อกำหนดสำหรับวัสดุแอโนดจึงเข้มงวดกว่ามาก สำหรับกระแสไฟฟ้าของโซเดียมไฮดรอกไซด์หลอมเหลว โดยทั่วไปจะใช้เหล็ก นิกเกิล และโลหะผสม สำหรับอิเล็กโทรลิซิสของคลอไรด์หลอมเหลว สามารถใช้ได้เฉพาะกราไฟท์เท่านั้น
แคโทด
เมื่อใช้โลหะหรือโลหะผสมเป็นแคโทด เนื่องจากมีศักย์ไฟฟ้าค่อนข้างเป็นลบ จึงมักจะมีบทบาทในการป้องกันแคโทดและมีฤทธิ์กัดกร่อนน้อยกว่า ดังนั้นวัสดุแคโทดจึงเลือกได้ง่ายกว่า ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ โดยทั่วไปแคโทดจะสร้างปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจนและมีศักยภาพสูงเกินไป ดังนั้นทิศทางการปรับปรุงหลักของวัสดุแคโทดคือการลดวิวัฒนาการของไฮโดรเจนที่มีศักยภาพมากเกินไป ยกเว้นเมื่อใช้กรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ ต้องใช้ตะกั่วหรือกราไฟท์เป็นแคโทด เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเป็นวัสดุแคโทดที่ใช้กันทั่วไป เพื่อลดการใช้พลังงาน ปัจจุบันมีการใช้วิธีการต่างๆ ในการเตรียมแคโทดที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงและมีฤทธิ์ในการเร่งปฏิกิริยา เช่น แคโทดชุบนิกเกิลที่มีรูพรุน
เพื่อปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์ สามารถใช้วัสดุแคโทดพิเศษได้ ตัวอย่างเช่น ในแคโทดปรอทที่ใช้ในการอิเล็กโทรไลต์สารละลายน้ำเกลือเพื่อผลิตโซดาไฟโดยใช้วิธีปรอท ค่าศักยภาพสูงเกินของการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนจากปรอทจะถูกนำมาใช้เพื่อปล่อยไอออนโซเดียมเพื่อสร้างโซเดียมอะมัลกัม ซึ่งจากนั้นนำไปใช้ในรูปแบบพิเศษใน อุปกรณ์โซเดียมอะมัลกัมจะถูกสลายด้วยน้ำเพื่อเตรียมสารละลายอัลคาไลที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีความเข้มข้นสูง นอกจากนี้ เพื่อประหยัดพลังงานไฟฟ้า ยังสามารถใช้แคโทดที่ใช้ออกซิเจนเพื่อลดออกซิเจนที่แคโทดเพื่อทดแทนปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน ตามการคำนวณทางทฤษฎี แรงดันไฟฟ้าของเซลล์สามารถลดลงได้ 1.23V
กะบังลม
เพื่อป้องกันการผสมของผลิตภัณฑ์แคโทดและแอโนด และหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาที่เป็นอันตรายที่อาจเกิดขึ้น ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ไดอะแฟรมจึงถูกนำมาใช้เพื่อแยกห้องแคโทดและแอโนดออกจากกัน ไดอะแฟรมจำเป็นต้องมีความพรุนเพื่อให้ไอออนผ่านได้โดยไม่ปล่อยให้โมเลกุลหรือฟองอากาศผ่านได้ เมื่อกระแสไหลผ่านไดอะแฟรม แรงดันตกคร่อมโอห์มมิกของไดอะแฟรมจะต้องต่ำ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพเหล่านี้โดยพื้นฐานแล้วยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการใช้งาน และต้องการความเสถียรทางเคมีและความแข็งแรงเชิงกลที่ดีภายใต้การกระทำของอิเล็กโทรไลต์ในห้องแคโทดและแอโนด เมื่อทำน้ำด้วยไฟฟ้า อิเล็กโทรไลต์ในห้องแคโทดและแอโนดจะเท่ากัน ไดอะแฟรมของเซลล์อิเล็กโทรไลต์จำเป็นต้องแยกห้องแคโทดและแอโนดเท่านั้น เพื่อรับประกันความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน และป้องกันการระเบิดที่เกิดจากการผสมไฮโดรเจนและออกซิเจน สถานการณ์ที่พบบ่อยและซับซ้อนกว่านั้นคือองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ในห้องแคโทดและแอโนดของเซลล์อิเล็กโทรไลต์แตกต่างกัน ในเวลานี้ ไดอะแฟรมยังจำเป็นต้องป้องกันการแพร่กระจายและปฏิกิริยาระหว่างกันของผลิตภัณฑ์อิเล็กโทรไลต์ในอิเล็กโทรไลต์ของห้องแคโทดและแอโนด ตัวอย่างเช่น ไดอะแฟรมในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ของไดอะแฟรมในการผลิตคลอร์อัลคาไลสามารถเพิ่มความต้านทานของไฮดรอกไซด์ไอออนจากห้องแคโทดไปยังห้องแอโนดได้
ไดอะแฟรมทำจากวัสดุเฉื่อย เช่น ไดอะแฟรมแร่ใยหินที่ใช้กันมานานในอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไล อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของตัวแยกแร่ใยหินไม่เสถียร เมื่อน้ำเกลือมีสิ่งเจือปนจากแคลเซียมและแมกนีเซียม จะเกิดการตกตะกอนของไฮดรอกไซด์ในตัวแยกได้ง่าย ซึ่งช่วยลดการซึมผ่านได้ ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงและภายใต้การกระทำของอิเล็กโทรไลต์ อาจเกิดการบวมและการคลายตัวได้ ถอดออก. เพื่อจุดประสงค์นี้ เรซินสามารถเติมลงในแร่ใยหินเป็นวัสดุเสริมแรง หรืออาจใช้เมมเบรนที่มีรูพรุนขนาดเล็กโดยใช้เรซินเป็นตัวหลัก ซึ่งสามารถปรับปรุงความเสถียรและความแข็งแรงเชิงกลได้อย่างมาก เมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่พัฒนาขึ้นในการผลิตคลอร์อัลคาไลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเป็นวัสดุเมมเบรนชนิดใหม่ มีคุณสมบัติเฉพาะเจาะจงสำหรับการซึมผ่านของไอออน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วสามารถป้องกันไม่ให้ไอออนคลอไรด์เข้าไปในห้องแคโทด จึงสามารถผลิตสารละลายอัลคาไลที่มีปริมาณโซเดียมคลอไรด์ต่ำมากได้