Analisis Struktur Teras Elektrolisis Klor-Alkali: Anod, Katod dan Perhimpunan Membran

Intipati sebuah elektrolisis klor-alkali merupakan reaktor elektrokimia yang dikawal dengan tepat. Arus terus mengalir masuk melalui anod dan keluar melalui katod. Dalam jurang yang sangat sempit, air garam diuraikan kepada gas klorin, gas hidrogen dan soda kaustik. Tiga komponen teras kejuruteraan jitu yang berfungsi secara serentak memacu semua ini: anod, katod dan membran pertukaran ion.

1. Struktur Anod dan Sifat Pemangkin

Anod ialah tempat ion klorida melepaskan elektron mereka. Anod elektrolisis klor-alkali moden ialah jaringan pengembangan logam titanium, dengan lapisan permukaan oksida logam campuran yang hanya beberapa mikrometer tebalnya. Titanium dipilih sebagai bahan substrat kerana, di bawah keadaan pengkutuban anodik elektrolisis, filem pasifasi titanium dioksida (TiO₂) yang padat terbentuk secara spontan pada permukaan titanium. Filem ini sangat stabil dalam gas klorin basah dan air garam pekat. Walau bagaimanapun, walaupun filem pasifasi melindungi titanium daripada kakisan, ia juga menanggalkan kekonduksian elektrik permukaan titanium. Oleh itu, lapisan pemangkin skala mikrometer disembur ke permukaan titanium. Komponen teras lapisan ialah rutenium dioksida (RuO₂), oksida dengan kekonduksian tahap logam. Fungsi kerja RuO₂ berada tepat di dalam jurang jalur TiO₂, membentuk "jambatan konduktif" dalam filem pasifasi TiO₂ yang membolehkan elektron melalui elektrolit melalui filem pasifasi ke substrat titanium. Sementara itu, RuO₂ mempamerkan aktiviti pemangkin yang sangat tinggi untuk tindak balas evolusi klorin (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻). Pada voltan yang sama, kadar penjanaan klorin jauh lebih besar daripada kadar penjanaan oksigen, meningkatkan kecekapan arus. Walau bagaimanapun, salutan RuO₂ tulen perlahan-lahan larut semasa operasi jangka panjang dalam anolit berasid (pH 2–4). Oleh itu, iridium dioksida (IrO₂) ditambah pada salutan DSA komersial (Anod Stabil Dimensi). Iridium dioksida jauh lebih stabil daripada rutenium oksida binari dalam persekitaran berasid, memanjangkan hayat salutan. Sesetengah formulasi juga mengandungi SnO₂ sebagai penstabil dan penyebar. Salutan anod sel diafragma biasanya mengandungi lebih banyak SnO₂ kerana anolit sel diafragma mempunyai pH yang lebih tinggi, mewujudkan keperluan yang lebih besar untuk menyekat tindak balas sampingan evolusi oksigen.

2. Struktur Lapisan Membran dan Selektiviti Ion

Moden membran klor-alkali ialah bahan komposit polimer perfluorinasi yang terdiri daripada empat lapisan berfungsi: lapisan paling tebal ialah lapisan asid sulfonik, menghadap anod. Asid perfluorosulfonik (-SO₃H) ialah superasid. Lapisan ini mempunyai kandungan air yang tinggi, dan ion natrium melaluinya tanpa halangan; ia merupakan lapisan konduktif utama membran, yang menyediakan laluan rintangan rendah. Terbenam di belakang lapisan asid sulfonik ialah fabrik PTFE yang menyediakan rangka mekanikal. Ketidakaktifan kimia rantai perfluorokarbon memberikan membran ketahanan dalam persekitaran ekstrem berganda iaitu pengoksidaan kuat dan keadaan alkali kuat. Rangka PTFE juga memastikan bahawa membran tidak mengalami rayapan haba semasa operasi suhu tinggi. Pengecutan atau pengembangan membran setempat akan menyebabkan perubahan dalam jurang dengan elektrod, yang membawa kepada ketumpatan arus tempatan yang tidak terkawal. Menghadap katod ialah lapisan asid karboksilik; asid perfluorokarboksilik (-COOH) ialah asid lemah. Pada bahagian anod berasid yang kaya dengan air, -COOH sebahagiannya kekal sebagai molekul neutral, dengan saluran ion separuh terbuka; pada bahagian katod beralkali yang miskin air, -COOH bercerai sepenuhnya menjadi -COO⁻, dan cas negatif yang padat membentuk penghalang pengecualian Donnan yang menghalang penghijrahan balik OH⁻. Lapisan paling luar ialah salutan bukan organik setebal beberapa mikrometer (biasanya oksida berliang seperti ZrO₂). Dengan membentuk struktur permukaan kasar yang berliang, ia mengurangkan lekatan permukaan membran kepada buih, membolehkan gas klorin dan hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis tertanggal dengan cepat daripada permukaan membran. Membran asid sulfonik tunggal tidak mempunyai ketumpatan cas negatif yang mencukupi untuk menyekat penghijrahan balik OH⁻ dengan berkesan. Kepekatan OH⁻ dalam katolit adalah jauh lebih tinggi daripada yang terdapat dalam anolit, dan kecerunan kepekatan yang berlebihan mendorong OH⁻ untuk berhijrah ke belakang melalui membran ke anod, sekali gus mengurangkan kecekapan arus dengan ketara. Ini kemudiannya ditangani dengan melapiskan lapisan asid karboksilik pada lapisan asid sulfonik. Ketumpatan cas negatif -COO⁻ dalam lapisan asid karboksilik adalah jauh lebih tinggi daripada -SO₃⁻, sekali gus meningkatkan tolakan OH⁻. Walaupun jumlah rintangan membran meningkat sedikit, kecekapan arus melonjak daripada 80% kepada 96–97%.

3. Arah Teras R&D Komponen Utama

Tiga komponen teras elektrolisis klor-alkali ini mewakili tiga dimensi penyelidikan dan pembangunan: ketahanan anod bersalut elektropemangkin dalam persekitaran pengoksidaan kuat; kestabilan katod pemangkin luas permukaan spesifik yang tinggi dalam alkali kuat; dan selektiviti ion membran perfluorinasi yang cekap di bawah kecerunan pH yang melampau.

Soalan Lazim：

1. Mengapakah anod titanium memerlukan salutan oksida logam campuran?

Filem pasivasi TiO₂ semula jadi pada titanium menghalang kakisan tetapi kehilangan kekonduksian. Salutan komposit RuO₂-IrO₂ membina jambatan konduktif, menyediakan aktiviti pemangkin evolusi klorin yang tinggi dan meningkatkan kestabilan persekitaran berasid.

2. Apakah fungsi IrO₂dan SnO₂dalam salutan anod?

IrO₂ meningkatkan rintangan asid jangka panjang pada salutan untuk mengelakkan pembubaran. SnO₂ bertindak sebagai penstabil dan penyebar, yang membantu menyekat tindak balas sampingan evolusi oksigen untuk sel diafragma.

3. Mengapakah membran klor-alkali menggunakan struktur asid sulfonik + asid karboksilik dwi-lapisan?

Lapisan asid sulfonik memastikan kekonduksian ion yang tinggi dan rintangan yang rendah. Lapisan asid karboksilik membentuk penghalang pengecualian Donnan yang kuat untuk menyekat penghijrahan balik OH⁻, sekali gus meningkatkan kecekapan arus dengan ketara daripada 80% kepada 96%–97%.