電解槽の主な構造

1. 電極
アノード
アノードとカソードは異なる機能を持ち、材料要件も異なります。
可溶性と不溶性の 2 つのカテゴリーに分類されます。銅を精製するための電解セルでは、アノード材料は精製される可溶性粗銅です。電気分解中に溶液に溶解し、陰極で溶液から出てくる銅を補充します。水溶液（塩水溶液など）の電気分解に使用される電解槽では、アノードは不溶性であり、基本的に電気分解プロセス中に変化しませんが、多くの場合、電極表面で行われるアノード反応に触媒効果を及ぼします。化学産業では、主に不溶性陽極が使用されます。
一般的な電極材料の基本要件 (導電性、触媒活性の強さ、加工、供給源、価格など) を満たすことに加えて、アノード材料は、強いアノード分極や高温のアノード液に対して不溶性かつ非不動態化されていなければなりません。、高い安定性を備えています。グラファイトは、長い間最も広く使用されているアノード材料です。しかし、黒鉛は多孔質で機械的強度が弱く、容易に二酸化炭素に酸化されます。電解過程で常に腐食・剥離するため、電極間距離が徐々に広がり、セル電圧が上昇します。食塩水の電気分解に使用すると、グラファイト電極での塩素発生の過電圧も高くなります。
1960年代にH.ビールによって提案された、チタン基材に酸化ルテニウムと酸化チタンをコーティングした金属酸化物電極は、負極材料における大きな革新でした。二酸化ルテニウムは、塩素発生や酸素発生などの特定のアノード反応に対して優れた触媒活性を有し、比較的低い電池電圧で高電流密度で機能します。最大の特徴は、化学的安定性が良く、黒鉛陽極に比べて寿命がはるかに長いことです。たとえば、塩素アルカリの製造に使用される隔膜電解槽では、その寿命は 10 年以上に達することがあります。腐食しにくく、寸法が安定しているため、寸法安定陽極と呼ばれます。さまざまな要件や用途に適応するために、他の成分をコーティングに追加することができます。たとえば、スズとイリジウムを添加すると、酸素の過電圧が増加し、アノードの選択性が向上します。白金を添加すると電極の安定性が向上します。現在、貴金属でコーティングされた金属アノードが化学産業で広く普及しています。
溶融塩電解槽では、水溶液電解槽に比べて電解温度が非常に高いため、陽極材料に対する要求が厳しくなります。溶融水酸化ナトリウムの電気分解には、一般に鋼、ニッケルおよびそれらの合金が使用されます。溶融塩化物の電気分解には黒鉛のみが使用できます。

陰極
金属または合金が陰極として使用される場合、比較的負の電位で動作するため、陰極保護の役割を果たすことが多く、腐食性が低いため、陰極材料の選択が容易になります。水性電解槽では、通常、陰極で水素発生反応が発生し、高い過電圧が発生します。したがって、カソード材料の主な改善の方向性は、水素発生過電圧を下げることです。電解質として硫酸を使用する場合を除いて、鉛またはグラファイトを陰極として使用する必要があり、低炭素鋼が一般的に使用される陰極材料です。消費電力を削減するために、現在、多孔質ニッケルメッキカソードなど、高い比表面積と触媒活性を備えたカソードを製造するさまざまな方法が使用されています。
製品の品質を向上させるために、特殊な陰極材料を使用することもできます。例えば、水銀法で食塩水を電気分解して苛性ソーダを製造する際に使用される水銀陰極では、水銀から発生する水素の高い過電圧を利用してナトリウムイオンを放出してナトリウムアマルガムを生成し、これを特殊な装置で使用します。ナトリウムアマルガムを水で分解し、高純度・高濃度のアルカリ溶液を調製します。さらに、電気エネルギーを節約するために、酸素を消費する陰極を使用して陰極での酸素を減らし、水素発生反応を置き換えることもできます。理論計算によれば、セル電圧は 1.23V 低減できます。

2. ダイヤフラム
陰極生成物と陽極生成物の混合を防ぎ、起こり得る有害な反応を回避するために、電解槽では基本的に隔膜を使用して陰極室と陽極室を分離します。ダイヤフラムは、分子や気泡を通過させずにイオンを通過させるために、一定の多孔性を有する必要があります。電流がダイアフラムを流れるとき、ダイアフラムの抵抗電圧降下は低くなければなりません。これらの性能要件は使用中に基本的に変化せず、カソードおよびアノードチャンバー内の電解質の作用下で良好な化学的安定性と機械的強度が必要です。水を電気分解する場合、陰極室と陽極室の電解質は同じです。電解槽の隔膜は、陰極室と陽極室を隔てるだけで、水素と酸素の純度を確保し、水素と酸素の混合による爆発を防止します。より一般的で複雑な状況は、電解槽の陰極室と陽極室の電解質組成が異なることです。このとき、隔膜は陰極室と陽極室の電解液中の電解生成物の相互拡散や相互作用も防止する必要がある。たとえば、塩素アルカリ製造における隔膜電解槽の隔膜は、陰極室から陽極室への水酸化物イオンの抵抗を増加させる可能性があります。
隔膜は、塩素アルカリ産業で長年使用されてきたアスベスト隔膜などの不活性材料で作られています。しかし、アスベスト分離器の性能は不安定です。塩水中にカルシウムやマグネシウムの不純物が含まれると、分離器内に水酸化物の析出が発生しやすくなり、透過性が低下します。比較的高温で電解液の作用下では、膨張や緩みが発生する場合があります。脱ぐ。そのためにアスベストに樹脂を補強材として添加したり、樹脂を主体とした微多孔膜を作製したりすることで、安定性や機械的強度を大幅に向上させることができます。近年、塩素アルカリ製造において開発された陽イオン交換膜は、新しいタイプの膜材料です。イオン透過の選択性があり、陰極室への塩化物イオンの侵入を基本的に防ぐことができるため、塩化ナトリウム含有量が極めて低いアルカリ溶液を製造することができます。