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（yì）。

分可溶性和不可溶性（xìng）兩類。在精煉銅用的電解槽中，陽極材（cái）料為可溶性（xìng）的待精（jīng）煉的粗銅。它在電解過程（chéng）中（zhōng）溶入溶液，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）用的電解槽中，陽極為（wéi）不（bú）溶（róng）性的，它們在電解（jiě）過程基本不發生變化，但對在（zài）電極表麵上所進行的陽極反應常具有催化作用。在化學工業中，大多采用不溶性陽極。

陽極材料除需滿（mǎn）足一般電極材料的基本需求（qiú）（如導電性、催化活性強度、加工（gōng）、來源、價格）外，還需能（néng）在強陽極極（jí）化和較高（gāo）溫度的陽極液中不溶解、不鈍化（huà），具有很高的穩定性。長期以來，石墨是使用廣泛的陽極（jí）材料。但石墨多孔，機械強度差，且（qiě）容（róng）易氧化成二（èr）氧化碳，在電解過程中不斷地被腐蝕剝（bāo）落，使電極間距逐漸增大，槽電壓升高。用（yòng）於電（diàn）解食鹽水溶液時，石墨電極上的析氯過電位也較高。

60年代H.比爾提出的在鈦基上塗覆氧化釕、氧化鈦而形成的（de）金屬氧（yǎng）化物（wù）電極是陽極材料的一個重大革新（xīn）。二氧化釕對某些（xiē）陽極反應如析氯、析氧具有很好的（de）催化活性，能在高電流密度下工作而（ér）槽電壓比較低。比較突出的特點是具有很好的化學穩定性，工（gōng）作壽命（mìng）比石墨陽極長得多（duō）。例如在氯堿生產用的隔膜電解槽中，其壽命可達10年以上（shàng）。由（yóu）於它不易腐蝕，尺寸穩定，被稱為形穩性陽極。為（wéi）適應不同要求和用途，可在塗層中添加其他組分，如加入錫、銥可提高氧的過電位，完善陽極的選擇性（xìng），又如加（jiā）入鉑（bó）可提（tí）高電極的（de）穩定性等。目前，貴金屬（shǔ）塗層（céng）的金屬陽極在化學工業中已做到普遍推廣。

在熔融鹽電（diàn）解槽（cáo）中，因電解溫度比水溶（róng）液（yè）電解槽中高（gāo）得多，對陽極材料要求（qiú）更嚴，電解熔融氫氧化鈉，一般可用（yòng）鋼鐵、鎳及其合金。電解熔融氯（lǜ）化物，隻能用石墨。

陰極

以金屬或合金作（zuò）為陰極時，由於在比較負的電位下工作,往往可以起到陰極保護作用（yòng），腐蝕性小,所以（yǐ）陰極材（cái）料比較容易選擇。在水溶液電解槽中，陰極一般產生（shēng）析氫反應，過電位較高。因此陰極材料的主（zhǔ）要改進方向是降低析氫過（guò）電位。除用硫酸作為電（diàn）解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（yòng）各種（zhǒng）方法製（zhì）備高比（bǐ）表（biǎo）麵積，並具有（yǒu）催化活性的陰極，如多（duō）孔鎳鍍層陰極。

為了提高產品質量（liàng），也可采用特殊的陰（yīn）極材料，如在水銀法電解食鹽水溶液製取燒堿的汞陰極中，利用汞析氫過電位高的特（tè）點，使鈉離子放電，生成鈉汞齊，然後在專用的（de）設備中，用水瓦解（jiě）鈉汞齊製（zhì）取（qǔ）純度高、高濃度堿（jiǎn）液。另外，為了節約電能也可采用（yòng）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1.23V。

隔膜

為防止陰、陽兩極產物混合，避免可能發生的（de）有害反應，在電解槽中，基本上都用隔膜將陰（yīn）、陽極室隔開。隔膜需（xū）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，隔膜的歐姆電壓降要低。這些性能要求在使用過程中基本不變，並且要求在陰、陽（yáng）極室電解液的（de）作用下，有良好的化學穩定性（xìng）和機械強度。電解水時，陰、陽極室的電解液相同，電解槽的隔膜隻需將陰、陽極室隔開（kāi），以保證氫、氧純度，並防止氫氧（yǎng）混合發生（shēng）爆炸。更多見（jiàn）的比較複雜的情（qíng）況是電解槽中陰、陽極室（shì）的電（diàn）解（jiě）液組成不同。這時隔膜還需要阻止陰、陽極室電解液（yè）中電解產物的相互擴散和作用（yòng），如氯堿生（shēng）產（chǎn）中隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫（qīng）氧離子向（xiàng）陽極室擴散和遷移的阻力（lì）。

隔膜（mó）由惰性材（cái）料製作，如氯堿工業中長期使用的石棉隔（gé）膜。但石棉隔膜性能不（bú）穩定，當鹽水中含有鈣、鎂雜質時，容易在隔膜（mó）中（zhōng）生成氫氧化物沉澱，降低透過率；在比較高的溫度和在電解液作用下（xià），還會發生膨脹、鬆脫。為此可以在石棉中加入樹脂作為增強材料，或以樹脂為（wéi）主體做成微孔隔膜，在穩定性和（hé）機械強度方麵都有很大改進。近年來氯堿生產開發的陽離子交換（huàn）膜是新型的隔膜材料。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（dé）氯化（huà）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（yè）電解（jiě）槽的形（xíng）式，可分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(石棉絨）、離子膜及固體電解質膜（如β-Al2O3）等形式；無隔膜電解槽又（yòu）分（fèn）為水銀電解槽和氧化電解槽等。

采（cǎi）用不同的電（diàn）解液時，電（diàn）解槽的結構也有所（suǒ）不同。

水溶液電（diàn）解槽分有隔膜和無隔膜兩類。一般多用隔膜電解（jiě）槽。在氯酸鹽生產和水銀（yín）法生產氯氣和（hé）燒堿時，采用無隔膜電（diàn）解槽。盡量增大單位體積內的電極表麵積，可以提（tí）高電解槽的生產強度。因此，現代隔（gé）膜電解槽中的電極多為直立（lì）式。電解槽因內部部件材質、結構、安裝等不同表現出不同的性能與特點。

熔融鹽電解槽

多用於製取低熔點金屬，其（qí）特點是在（zài）高溫下運轉，並應（yīng）盡量防止水分進入（rù），避免氫離子在陰極上還（hái）原。例如製取（qǔ）金屬鈉時（shí），由於鈉離子的（de）陰極還原（yuán）電位很（hěn）負，還原很困難，必要用（yòng）不含氫離子的（de）無水熔融（róng）鹽或熔融的（de）氫氧化物，以免陰極析出氫。為（wéi）此電解過程需在高溫（wēn）下進行，例如電解（jiě）熔融氫氧化鈉時為 310℃，如其（qí）中含有氯化鈉成為混合電解質（zhì）時,電（diàn）解溫（wēn）度為650℃左右。

電（diàn）解槽的高溫可以通過改變電極間距（jù），將歐姆電壓降所消耗的電能轉變為熱量來達到。電解熔融氫氧化鈉時，槽體可用（yòng）鐵或鎳，電解含有氯化物的熔融電解質時常由（yóu）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（diàn）解槽的（de）腐蝕（shí）作（zuò）用很強，因此電解熔融（róng）氯化物的電解槽，一般用陶瓷或磷酸鹽材料（liào），而不受氯氣作用的部位可用鐵。熔（róng）融鹽電解（jiě）槽中的陰、陽（yáng）極產物，同樣要（yào）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（diàn）解（jiě）液表麵，會進一步與陽極產（chǎn）物或空氣中的氧起作（zuò）用。

非水溶液電解槽

由於非水溶液（yè）電解槽（cáo）在製取有機產品（pǐn）或電解（jiě）有（yǒu）機物時,常伴隨有各種（zhǒng）複雜的化學反應,使其應用受到限製，工業化的不多（duō）。一般采用的有機電解液（yè），電導率低，反（fǎn）應速度也小（xiǎo）。因此，必要采（cǎi）用（yòng）較低的（de）電流密度，極間距盡量縮小。采用固定床或流化床的電極結構有較大的電極表麵（miàn）積，可提高電解槽生產（chǎn）能力。

按（àn）電（diàn）極的連接方式分類

電解槽按電極的連（lián）接方式，可分（fèn）為單（dān）極（jí）式和複極式兩類電解槽。單極式電解槽中同極性的電極與直流（liú）電源並聯連接，電極兩（liǎng）麵的極性相同（tóng），即同時為陽極（jí）或同（tóng）時為陰極。複極式電解槽兩端的電極（jí）分別與直（zhí）流電源的正負極相連，成（chéng）為陽（yáng）極或（huò）陰極。電流通過串聯的（de）電極流過電解槽時，中間各電極的一麵為陽極，另一（yī）麵為陰極,因此具有雙極性。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，所需直流電源的投資比單極式者（zhě）省。複極式一般采用壓濾（lǜ）機結構形式（shì），比較緊湊。但易漏電（diàn）和短路，槽結構和操（cāo）作管理比單極式複雜。單極式電解槽截麵一般為長（zhǎng）方形（xíng）或方形，圓筒形占地大，空間利用率低，采用較少。