電解槽的主體結構和分類

陽極

陽極和陰極的作用不同，對材質要求也各異。

分（fèn）可溶性和不可溶性兩類。在精煉銅用的電解槽中，陽極材料為可溶性的待精煉的粗銅。它在電解過程中溶入溶液，以補充在陰極上從溶液中（zhōng）析（xī）出的銅。在電解（jiě）水溶液（如食（shí）鹽水溶液）用的電解槽（cáo）中，陽極為（wéi）不溶性（xìng）的，它們在電解過（guò）程基（jī）本不發生變（biàn）化，但對（duì）在電極表（biǎo）麵上所進行（háng）的陽極反應常具有催化作用。在化學工業中（zhōng），大多采用不溶性陽極。

陽極（jí）材料除需滿足一般電極材料的基本需求（如導電性、催化活性強度（dù）、加工（gōng）、來源、價格）外，還（hái）需能（néng）在強陽極極化和較高溫度的陽極液中不溶解（jiě）、不鈍化，具有很高的（de）穩定性。長期以來，石墨是使用廣泛的陽極材料。但石墨多（duō）孔（kǒng），機械強度差，且容易氧化成二氧化碳，在電解過程（chéng）中不斷地被腐蝕剝落，使電極間距逐漸增大，槽電壓升高。用（yòng）於電解食鹽水溶液時，石墨電極上的析氯過電位（wèi）也較（jiào）高。

60年代H.比爾提出的（de）在鈦基上塗覆氧化釕、氧化鈦而形成的（de）金屬氧化物（wù）電極是陽（yáng）極材料的一（yī）個重大（dà）革新。二氧化釕對某些陽極反應如析氯、析氧具有很好的催化（huà）活性，能在高電流密度下工作而槽（cáo）電（diàn）壓比較低。比較突出的特點是具有很好的化學穩定性，工作壽命比（bǐ）石墨陽極長得多。例如在氯堿（jiǎn）生產用的隔膜電解槽中，其（qí）壽（shòu）命可達10年（nián）以上。由於它不易腐蝕，尺寸穩定，被稱為形穩性陽極。為適應不同要求和用途，可在（zài）塗層中添加其他組分，如加入錫、銥可提高氧的過電位，完（wán）善陽極的選擇性，又（yòu）如加入鉑可（kě）提高電極的（de）穩定性等。目前，貴（guì）金屬塗層的金屬陽（yáng）極（jí）在化學工業中已做到普遍推廣。

在熔（róng）融鹽（yán）電解槽中，因電解溫度比水溶液電解槽中高得多，對陽極材料要求更嚴，電解熔融（róng）氫氧化鈉，一（yī）般可用鋼鐵、鎳（niè）及（jí）其（qí）合金。電解熔融氯化物，隻能用石墨。

陰極

以金屬或（huò）合金作為陰（yīn）極時，由於在比較負的電位下工作（zuò）,往往（wǎng）可以起到陰極保（bǎo）護作用，腐蝕性小,所以陰極材料比（bǐ）較容易選擇。在水溶液電解槽中，陰極（jí）一般產生析氫（qīng）反應，過電位較高。因此陰極材料的主要改進方向是降低析氫過電位。除用硫酸（suān）作為電解液（yè）時必要采用鉛或石墨作（zuò）陰極外，低碳鋼（gāng）是常用的（de）陰極材料。為降低電耗，目前采用各種方法製備高比表麵積，並具有催化活性的陰極，如多孔鎳鍍層陰極（jí）。

為了提高產品質量，也可采用特殊的陰極材料，如在水（shuǐ）銀法電（diàn）解食鹽（yán）水溶液製取燒堿的汞陰極中，利用汞析氫過電（diàn）位高的特點，使鈉離（lí）子放電，生成鈉汞齊，然後在專用的設備中（zhōng），用（yòng）水瓦解（jiě）鈉汞齊製取純度高、高濃度（dù）堿液。另（lìng）外，為了節約電能也可采用耗氧陰（yīn）極，使氧在陰極還原，以代替析（xī）氫反應，按理論計算（suàn）可降低槽電壓1.23V。

隔膜

為防止陰、陽兩極產物混合，避免可能發生的有害反應，在電解槽中，基本上都用隔膜（mó）將陰、陽極室隔開。隔膜需有一（yī）定的孔隙率，能使離子通過，而不使分子或氣泡通過，當有電流流過時，隔膜的歐姆電壓降（jiàng）要低。這些性能要求在使用過程中（zhōng）基本不變，並且要（yào）求在陰（yīn）、陽極室電（diàn）解液的（de）作用（yòng）下，有良好的化學穩定性和機械強度。電解水時，陰（yīn）、陽極室的電解液相同，電解槽的（de）隔膜隻需將陰、陽極室（shì）隔（gé）開，以保證（zhèng）氫、氧純度，並防止氫氧混合發生爆炸。更多見的比較複雜的情（qíng）況是電解槽中陰、陽極室的電解液組成不同。這時隔膜還需要阻止陰、陽極室（shì）電解液中電解產物的相互擴散和作用，如氯堿生產（chǎn）中隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫氧離子（zǐ）向（xiàng）陽極室擴散和遷移的阻力。

隔膜由（yóu）惰性材料製作，如氯（lǜ）堿工業（yè）中長期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜（mó）性能不穩定，當鹽水中含（hán）有鈣、鎂雜質時，容易在隔膜中生成氫氧（yǎng）化物沉澱，降低透（tòu）過率；在比較高的溫度和在電解液（yè）作用下，還會發生膨脹、鬆脫。為此可以在（zài）石棉中加入樹脂（zhī）作為增強材料，或以樹脂為主體做成微孔隔膜，在穩定性和機械強度方麵都有很（hěn）大改（gǎi）進。近年來氯堿生產開發的陽離子交換膜是新型的隔膜材料。它具有對離子透過的選擇性，可（kě）使氯離子基本上不進入陰極室，從而可以製（zhì）得氯化鈉含量極低的堿液。

按（àn）電解液的不同（tóng）分類

水溶液電解槽

水溶液電解槽的形式，可分為隔膜電解槽和無隔膜電解槽兩類。隔膜（mó）電解槽又可分為均向膜(石棉絨）、離（lí）子膜（mó）及固體電解質膜（如β-Al2O3）等形式；無隔膜電（diàn）解（jiě）槽又分為水銀電解槽和氧化電解槽等。

采用不同的電解液時，電解槽的結構（gòu）也有所不同。

水溶液（yè）電解槽分有隔膜和（hé）無隔膜兩類。一般多用（yòng）隔膜電解槽。在氯酸鹽生產和水銀法生產氯氣和燒堿時，采用無隔膜電解槽（cáo）。盡量增大單位體積（jī）內的電極表麵積（jī），可以提高電解槽的生產強度。因此，現代隔膜電解（jiě）槽中的電極多為直立式。電解槽因內部部件（jiàn）材質、結構、安裝等不同（tóng）表現出不（bú）同的性能（néng）與（yǔ）特點。

熔融鹽電解槽

多用於製取低（dī）熔點金屬，其特點是（shì）在高溫下運轉，並應盡量防（fáng）止水分進入，避免氫離子在陰極上還原。例如製取金（jīn）屬鈉時，由於（yú）鈉離子的陰極還原電位很負，還原（yuán）很困難，必要用不含氫離子的無水熔融鹽或熔融的氫氧化物，以免陰極析出氫。為（wéi）此電解過程需在高溫下進行，例如電解熔融氫氧化（huà）鈉時為 310℃，如其中含有氯化鈉成為混合電解質時,電解溫度為650℃左右。

電解槽的（de）高溫可以通過（guò）改變電極間（jiān）距，將歐姆電壓（yā）降所消（xiāo）耗的電能（néng）轉變為熱量來達到。電解熔融氫氧（yǎng）化鈉時（shí），槽體可用鐵或鎳，電解含有氯（lǜ）化物的熔融電解質時常由於原（yuán）料中不可避免地帶入少量水分（fèn），會使（shǐ）陽極生成潮濕的氯氣，對電解槽的腐蝕作用很強，因此電（diàn）解熔融氯（lǜ）化物（wù）的電解槽，一般用陶瓷或磷酸鹽材料（liào），而不（bú）受氯氣作用（yòng）的部位可用鐵。熔（róng）融鹽電解槽中的陰、陽極產物，同樣（yàng）要求妥善隔開，而且應盡快由槽中引出，以免陰極產物金屬鈉長（zhǎng）時間飄浮在電解液表麵，會進一步與陽極產物或空氣中的氧起作用。

非水溶液電解槽

由於非水溶液電解槽在（zài）製（zhì）取有（yǒu）機產品或電解有機物時,常伴隨有各種複雜的化學反應,使（shǐ）其應用受到限製，工業化的不多。一般采用的有機電解液，電導率（lǜ）低，反（fǎn）應速度也小。因此，必要采用較低的電流密度，極（jí）間距盡量縮小。采用固定（dìng）床或流化床（chuáng）的電極結構有較大的電極表麵積，可提（tí）高電解槽生產能力。

按電極的（de）連接方式分（fèn）類

電解槽按電極的連接（jiē）方式，可分為單極式和複極式兩類電解槽（cáo）。單（dān）極式電解槽中同（tóng）極性的電極與直流電源並聯連接，電極兩麵的極性相（xiàng）同（tóng），即同時為陽極或同時為陰極。複極式電解槽兩端的電極分別與直流電源的正負極相連，成為陽極或陰極。電（diàn）流（liú）通過（guò）串聯的電極流過電解槽時，中間各電極的一麵為陽極，另一麵為（wéi）陰極,因此具有雙極性。當電極總麵積相同時,複極式電解（jiě）槽的電流較（jiào）小，電（diàn）壓較高，所需直流電源的投資比單極式者省。複極式一般采用壓濾機結構（gòu）形式（shì），比較緊湊。但易漏電和短（duǎn）路，槽結構和操作管理比（bǐ）單極式複雜。單極式（shì）電解槽截麵一般為（wéi）長（zhǎng）方形或方形，圓筒形占地大，空間利用率低，采用較少。