Анализ на основната структура на хлор-алкални електролизатори: анод, катод и мембранен монтаж

Същността на едно хлор-алкален електролизатор е прецизно контролиран електрохимичен реактор. Постоянният ток протича през анода и излиза през катода. В изключително тясна междина, саламурата се разлага на хлорен газ, водороден газ и сода каустик. Всичко това се задвижва от три прецизно проектирани основни компонента, работещи в синхрон: анодът, катодът и йонообменната мембрана.

1. Структура на анода и каталитични свойства

Анодът е мястото, където хлоридните йони отдават своите електрони. Анодът на съвременен хлор-алкален електролизатор е разширена метална мрежа от титан, с повърхностно покритие от смесени метални оксиди с дебелина само няколко микрометра. Титанът е избран за материал за субстрат, защото при условия на анодна поляризация на електролизата, върху повърхността на титана спонтанно се образува плътен пасивационен филм от титанов диоксид (TiO₂). Този филм е изключително стабилен във влажен хлорен газ и концентриран саламура. Въпреки че пасивационният филм предпазва титана от корозия, той също така лишава титановата повърхност от електрическата му проводимост. Поради това върху повърхността на титана се напръсква каталитично покритие с микрометров мащаб. Основният компонент на покритието е рутениев диоксид (RuO₂), оксид с проводимост на метално ниво. Работната функция на RuO₂ попада точно в забранената зона на TiO₂, образувайки „проводящ мост“ в пасивационния филм TiO₂, който позволява на електроните да преминават от електролита през пасивационния филм към титановия субстрат. Междувременно, RuO₂ проявява изключително висока каталитична активност за реакцията на отделяне на хлор (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻). При същото напрежение, скоростта на генериране на хлор е много по-голяма от скоростта на генериране на кислород, което подобрява ефективността на тока. Чистото RuO₂ покритие обаче се разтваря бавно по време на продължителна работа в киселинен анолит (pH 2–4). Следователно, към покритието на търговските DSA (размерно стабилни аноди) се добавя иридиев диоксид (IrO₂). Иридиевият диоксид е много по-стабилен от бинарния рутениев оксид в киселинна среда, което удължава живота на покритието. Някои формулировки съдържат и SnO₂ като стабилизатор и диспергатор. Анодните покрития на диафрагмените клетки обикновено съдържат повече SnO₂, защото анолитът на диафрагмените клетки има по-високо pH, което създава по-голяма нужда от потискане на страничната реакция на отделяне на кислород.

2. Структура на мембранния слой и йонна селективност

Модерният хлор-алкална мембрана е перфлуориран полимерен композитен материал, състоящ се от четири функционални слоя: най-дебелият слой е слоят на сулфоновата киселина, обърнат към анода. Перфлуоросулфоновата киселина (-SO₃H) е суперкиселина. Този слой има високо съдържание на вода и натриевите йони преминават през него безпрепятствено; той е основният проводим слой на мембраната, осигуряващ път с ниско съпротивление. Зад слоя на сулфоновата киселина е вградена PTFE тъкан, която осигурява механичния скелет. Химическата инертност на перфлуоровъглеродната верига придава на мембраната издръжливост в двойната екстремна среда на силни окислителни и силни алкални условия. PTFE скелетът също така гарантира, че мембраната не претърпява термично пълзене по време на работа при висока температура. Локализираното свиване или разширяване на мембраната би довело до промени в междината с електродите, което би довело до неконтролирана локална плътност на тока. Срещу катода е слоят на карбоксилната киселина; перфлуорокарбоксилната киселина (-COOH) е слаба киселина. От киселинната, богата на вода страна на анода, -COOH частично остава като неутрални молекули, с полуотворени йонни канали; От алкалната, бедна на вода страна на катода, -COOH напълно дисоциира до -COO⁻, а плътният отрицателен заряд образува бариера на Донан, която предотвратява обратната миграция на OH⁻. Най-външният слой е неорганично покритие с дебелина няколко микрометра (обикновено порести оксиди като ZrO₂). Чрез образуване на пореста, грапава повърхностна структура, той намалява адхезията на повърхността на мембраната към мехурчетата, позволявайки на хлорните и водородните газове, получени чрез електролиза, бързо да се отделят от повърхността на мембраната. Единична мембрана от сулфонова киселина няма достатъчна плътност на отрицателния заряд, за да блокира ефективно обратната миграция на OH⁻. Концентрацията на OH⁻ в католита е много по-висока от тази в анолита и прекомерният градиент на концентрация кара OH⁻ да мигрира обратно през мембраната към анода, което значително намалява ефективността на тока. По-късно това беше решено чрез ламиниране на слой от карбоксилна киселина върху слоя от сулфонова киселина. Плътността на отрицателния заряд на -COO⁻ в слоя на карбоксилната киселина е много по-висока от тази на -SO₃⁻, което засилва отблъскването на OH⁻. Въпреки че общото мембранно съпротивление се увеличава леко, ефективността на тока скача от 80% на 96–97%.

3. Основни насоки за научноизследователска и развойна дейност на ключови компоненти

Тези три основни компонента на хлор-алкалния електролизатор представляват три измерения на научноизследователската и развойна дейност: издръжливостта на електрокаталитично покрити аноди в силно окислителни среди; стабилността на каталитични катоди с висока специфична повърхност в силни алкали; и ефективната йонна селективност на перфлуорираните мембрани при екстремни pH градиенти.

ЧЗВ：

1. Защо титановият анод се нуждае от покритие от смесен метален оксид?

Естествен пасивационен филм от TiO₂ върху титан предотвратява корозията, но губи проводимост. Композитното покритие RuO₂-IrO₂ изгражда проводим мост, осигурява висока каталитична активност за отделяне на хлор и подобрява стабилността в киселинна среда.

2. Каква е функцията на анодните покрития IrO₂ и SnO₂?

IrO₂ подобрява дългосрочната киселинна устойчивост на покритието, за да се избегне разтваряне. SnO₂ действа като стабилизатор и дисперсант, което помага за потискане на страничните реакции, свързани с отделянето на кислород, за клетките на диафрагмата.

3. Защо хлор-алкалната мембрана приема двуслойна структура от сулфонова киселина + карбоксилна киселина?

Слоят от сулфонова киселина осигурява висока йонна проводимост и ниско съпротивление. Слоят от карбоксилна киселина образува силна бариера на Донан, която блокира обратната миграция на OH⁻, като по този начин значително подобрява ефективността на тока от 80% до 96%–97%.