電解槽的主體結構和分類

陽（yáng）極

陽極和（hé）陰極的作用不同，對材質要求也各異。

分可（kě）溶性和不可溶性兩類。在精煉銅用的電（diàn）解槽中，陽極材料為可溶性的待精煉的粗銅（tóng）。它在電解過程中溶入（rù）溶液，以補充在陰極上從溶液中析出的銅。在電解水溶液（如食鹽水溶液）用的（de）電解槽中（zhōng），陽極為不（bú）溶性的，它們在電解過程基本不發生變化，但對在電（diàn）極表麵上（shàng）所進行的陽極反應常具有催化作用（yòng）。在化學工業中，大多采用不溶性陽極。

陽極材料除需滿足一般電極材料的基本需求（如導（dǎo）電性（xìng）、催化活性強度、加工、來源、價格）外，還需能在強陽（yáng）極極化和較高溫度的陽極液中不溶解、不鈍化，具有很高的穩定性。長期以來，石墨是使用廣泛的陽極材料（liào）。但石墨多孔，機械強度差，且容易氧（yǎng）化成二氧化碳，在電解過程中不斷地被腐蝕剝落（luò），使電極間距逐漸增大，槽（cáo）電壓升高。用於電解食鹽水溶液時，石墨電（diàn）極上的析氯過電位也較高。

60年代（dài）H.比爾（ěr）提出的在鈦基上塗覆（fù）氧化釕、氧化鈦而形成的金屬氧（yǎng）化物電（diàn）極是陽極材料的一個重大革新。二氧（yǎng）化釕（liǎo）對（duì）某些陽極反應如析氯、析氧具有很（hěn）好的催化活性，能在高電流密（mì）度下工作而槽電壓比較（jiào）低。比較突出的特點是具有很好的化學（xué）穩定性，工作壽命比石墨陽極長得多。例如在氯堿生產（chǎn）用的隔膜電解槽（cáo）中，其壽命可達10年以上。由於它不易腐（fǔ）蝕，尺寸穩定，被稱為形穩（wěn）性陽極。為適應不同要求和用途，可在塗層中（zhōng）添加其他組分，如加入錫、銥可提高氧的過電位，完善陽極的選擇性，又（yòu）如加入鉑可提高電極（jí）的穩定性等。目前，貴金屬塗層的金屬陽極在（zài）化學工業中已做到（dào）普遍推（tuī）廣。

在熔融鹽電解槽中（zhōng），因（yīn）電解溫度比水溶（róng）液電解槽中高得多，對（duì）陽極材料（liào）要求更嚴，電解熔融氫氧化（huà）鈉，一般可用鋼鐵、鎳及其合金。電解熔融氯化物，隻（zhī）能用石墨。

陰極

以金屬（shǔ）或合金作為陰極（jí）時，由於（yú）在比較負的電位下工作,往往可以起到陰極（jí）保護作用，腐蝕性小,所以陰極材料比較容易選擇。在水溶液電解槽中，陰極一般產（chǎn）生（shēng）析氫反應，過電位較高。因此陰（yīn）極材料（liào）的主要改進方向是降低析氫過電位。除用硫酸作為電解（jiě）液時必要采用鉛或石墨作陰極外，低碳鋼是常用的陰極材料。為降低電耗，目前采用各（gè）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。

為了提高產品質量，也可采用特殊的陰極材料，如在水銀法電解食鹽水（shuǐ）溶（róng）液製取燒堿（jiǎn）的汞陰極中，利用汞析氫過（guò）電位（wèi）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，用（yòng）水瓦解鈉汞齊製取純度高、高濃度堿液。另外，為了（le）節約電能也可采用耗氧（yǎng）陰極，使氧在陰極還原，以代替析氫反應，按理論計算可降低槽電壓（yā）1.23V。

隔膜

為（wéi）防止陰、陽兩極（jí）產物（wù）混合，避免可能發生的有害反應，在電解槽中，基（jī）本上都用隔（gé）膜（mó）將陰（yīn）、陽極室隔開。隔膜需有一定的孔隙率，能使離子通過，而不使分子或氣（qì）泡通過，當有電流流過時，隔膜的歐姆電壓降要低。這些性能要求在使用過程中基（jī）本不變，並（bìng）且要求在陰、陽極室（shì）電解液的作用下，有良好的（de）化學穩定性和機械（xiè）強度。電解水時，陰（yīn）、陽極室的電解液相同，電解（jiě）槽的隔膜隻需將陰、陽（yáng）極室隔（gé）開，以保證氫、氧純度，並防止氫氧混合（hé）發生爆炸。更多見的比較複雜的情況是電（diàn）解槽中陰、陽極室的電解（jiě）液組成不同。這時隔（gé）膜還需要阻止陰、陽極室電解液中電解產物的相互（hù）擴（kuò）散和作用，如氯堿生產中（zhōng）隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫氧離（lí）子向陽極室擴散和遷移的阻力。

隔膜由惰性材料製作，如（rú）氯堿工業中（zhōng）長期（qī）使用的石棉（mián）隔膜。但石棉隔膜性能不穩定，當鹽水中含有鈣、鎂（měi）雜質時，容易在隔膜（mó）中生成氫氧（yǎng）化物沉澱，降低透過率；在比較（jiào）高的溫度和在電解液作用下，還會發（fā）生膨脹、鬆脫（tuō）。為此可以在石棉中加入樹脂（zhī）作為增強材料，或以樹脂為主體（tǐ）做成微孔隔膜，在穩定性和機械強度方麵都有很大改進。近（jìn）年來氯堿生產開發的（de）陽離子交換膜是（shì）新型的隔膜材料。它具有對離子透過的選擇性，可使氯離子基本上不進入陰極室，從（cóng）而可以製得氯化鈉含量極低的堿液。

按電解液的不同分類

水溶液電解槽

水溶液電解槽的形（xíng）式，可分（fèn）為隔膜電解槽和無隔膜電解槽兩類。隔膜電解槽又可分為均向膜（mó）(石棉絨）、離子（zǐ）膜及固體電解質膜（如β-Al2O3）等形式；無（wú）隔膜電解槽又分為水銀電解槽和氧（yǎng）化電解槽等。

采用不同的電（diàn）解液時，電解槽的（de）結構也有所不（bú）同。

水溶液電解（jiě）槽分有隔膜和無隔膜兩類。一般多用隔膜電解槽。在氯（lǜ）酸（suān）鹽生產和水銀法（fǎ）生產氯氣和（hé）燒堿時，采用無（wú）隔膜電解槽。盡量增（zēng）大單位體積內的電極表麵積，可以提高（gāo）電解槽的生（shēng）產強度。因此，現代隔膜（mó）電解槽中的電極多為直（zhí）立式。電解（jiě）槽因內部部件材質、結構、安裝等不（bú）同表現出不同的性（xìng）能（néng）與（yǔ）特點（diǎn）。

熔融（róng）鹽電解槽

多用於製取低熔點金屬，其（qí）特點是在高溫下運轉，並應盡量防止水分進入，避免氫離子在陰極上還原（yuán）。例如製取金屬鈉（nà）時，由於鈉離子（zǐ）的陰極還原電位很負，還原很（hěn）困難，必要用不含氫離子的無水熔融鹽（yán）或熔融的氫（qīng）氧化物，以免陰（yīn）極析出氫。為此電解過（guò）程需在高溫下進行，例如電解熔融氫（qīng）氧化鈉時為 310℃，如其中含有氯（lǜ）化鈉成為混合電解質時,電解溫度為650℃左右。

電解槽的（de）高溫可以通過改變電極間距（jù），將歐姆電壓降所（suǒ）消耗的電能轉變為熱量來達到。電解熔融氫（qīng）氧化（huà）鈉時，槽體可用鐵或鎳，電解含有氯化物的熔融電解（jiě）質時（shí）常由於原料中不可避免地帶入少量水分，會使陽極生成潮濕的氯氣，對電解槽的腐（fǔ）蝕（shí）作用（yòng）很強，因此電（diàn）解熔（róng）融氯化物的電解（jiě）槽（cáo），一般用陶瓷或磷酸鹽材料，而不受氯氣（qì）作用的部位可用鐵。熔融鹽電解槽中的陰、陽極產物，同樣要（yào）求妥善隔開，而且應盡快（kuài）由槽（cáo）中引出，以免陰極產物金屬鈉長時（shí）間飄浮在電解液表麵，會進一步與陽極產物或空氣中（zhōng）的氧起作用。

非水溶液電解槽

由於非水溶液電解槽（cáo）在製取有（yǒu）機（jī）產品或電解有機物時,常伴隨有（yǒu）各種複雜的化（huà）學反應,使其應用（yòng）受到限製，工業化的不多。一般采用的有機電（diàn）解液，電導率低，反應速度也小。因此，必（bì）要采（cǎi）用較低的電流密度，極間距盡量縮小。采（cǎi）用固定床（chuáng）或流化床的電極（jí）結構有較大（dà）的電極表麵積，可提高電（diàn）解槽生產能力。

按電極的連接方式分類（lèi）

電解槽按電極的連接方式，可分為單極式和複極式兩類電解槽。單極式電解（jiě）槽中同極性的電極與直流電源並聯連接，電極兩（liǎng）麵的極性相同，即同時為陽極或（huò）同時為陰極。複極式電解槽兩端的電極分別與直（zhí）流電源的正負極相連，成為（wéi）陽極或陰極。電流通過串聯的電極流過（guò）電解槽（cáo）時（shí），中間各電極的一麵為陽極，另一麵為陰極（jí）,因（yīn）此具有雙極性。當電極總麵積相同時,複極式電（diàn）解槽的電流較小，電壓較高，所需直流電源的（de）投資比（bǐ）單極式者省。複（fù）極式一般采用壓（yā）濾機結構形式，比（bǐ）較緊湊。但易漏電和短路，槽結構和（hé）操作管（guǎn）理比（bǐ）單極式複雜。單極式電解槽截麵一（yī）般（bān）為長方形或方形，圓筒形占（zhàn）地大，空間利用率低，采（cǎi）用較少。