لماذا يستخدم الجرافيت كقطب كهربائي في التحليل الكهربائي؟

الجرافيت، وهو شكل طبيعي غير متبلور من الكربون، موهوب بالعديد من الخصائص الفريدة التي تجعله مناسبًا للاستخدام في مختلف العمليات الكهروكيميائية. وبفضل الموصلية الكهربائية العالية، والاستقرار الحراري، والخمول الكيميائي، وطول العمر والنقاء، يجد الجرافيت العديد من الاستخدامات كقطب كهربائي على المستوى التجاري.

والتحليل الكهربي، وهو عملية استخلاص العناصر النقية باستخدام التيار الكهربائي المباشر، هو عملية كهروكيميائية أخرى يمكن إجراؤها بكفاءة باستخدام الجرافيت.

التحليل الكهربائي من الناحية العلمية

أثناء التحليل الكهربائي، يتم وضع قطبين كهربائيين في محلول إلكتروليتي (محلول يساعد على مرور التيار). وفي وجود مصدر تيار خارجي، يتم إجراء التحليل الكهربائي. يعمل هذا الإعداد مثل البطارية.

الجرافيت - مادة أقطاب كهربائية شائعة

وبوجه عام، تُستخدم المواد الموصلة مثل المعادن وهي الذهب والفضة والبلاتين والنحاس والنحاس الأصفر والنحاس الأصفر لصنع الأقطاب الكهربائية. ومع ذلك، نظرًا لأن هذه المعادن باهظة الثمن، فإن استخدامها على المستوى التجاري غير قابل للتطبيق.

من ناحية أخرى، يمتلك الجرافيت جميع الصفات المفضلة للإلكترود الجيد وهو متاح بسهولة مما يجعله مناسبًا للتحليل الكهربائي.

التركيب الكيميائي وتواجد الجرافيت

الجرافيت هو شكل من أشكال الكربون الذي يحدث بشكل طبيعي وله بنية بلورية. وفي ظل الظروف القياسية، يظل الجرافيت مستقرًا وغير تفاعلي. في صناعات مثل المسابكصناعات بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم أيون وغيرها، يستخدم الجرافيت على نطاق واسع. إن انخفاض تكلفته وتوافره وخموله الحراري والكيميائي يجعله مفيدًا في العديد من التطبيقات الصناعية.

الخصائص الفيزيائية

يتميز الجرافيت بمظهر غير شفاف ولامع. وهو ناعم للغاية وزلق الملمس. بالإضافة إلى ذلك، فهو غير قابل للذوبان في الماء أو المذيبات العضوية. وهو غير قابل للالتهاب ويتكسر بشكل مثالي على شكل صفائح مرنة.

لماذا الجرافيت مناسب للتحليل الكهربائي

فيما يلي الخصائص الكيميائية والفيزيائية للجرافيت التي تجعله مناسبًا للتحليل الكهربائي:

• التوصيل الكهربائي - البنية الداخلية الفريدة للجرافيت تجعله موصلًا كهربائيًا جيدًا. وبالتالي، يمكن إجراء التحليل الكهربائي بكفاءة.
• الخمول الكيميائي - يشير الخمول الكيميائي إلى أن الجرافيت لا يتفاعل مع معظم الوسائط العضوية وغير العضوية، لذا فإن احتمالات التلوث لا تُذكر.
• نقطة انصهار عالية - نقطة الانصهار التي تبلغ 3600 درجة مئوية تجعل الجرافيت قابلاً للتطبيق في مختلف التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
• انخفاض التكلفة والتوافر - يوجد الجرافيت عادةً في رواسب في مواقع مختلفة في شكل صخور متحولة مثل الرخام والشست والنيس. وتوافره بكثرة يجعله رخيصاً ومطلوباً بكثرة.

الجرافيت كقطب كهربائي في التحليل الكهربائي

الدور في توصيل الكهرباء

ونظراً للبنية السداسية للجرافيت، فإنه يسمح بالتدفق الحر للكهرباء. علاوة على ذلك، تتحرك الإلكترونات الحرة في الهيكل من خلال حمل الشحنة.

التفاعل مع الشوارد والأيونات

يختلف أداء الجرافيت كقطب كهربائي اعتمادًا على نوع الإلكتروليت المستخدم والأيونات المستخدمة. بشكل عام، تعمل أيونات الليثيوم وأيونات الصوديوم وأيونات الصوديوم وأيونات البوتاسيوم بشكل جيد مع الجرافيت كقطب كهربائي. وبالتالي، فإن استخدامه مع الإلكتروليت المناسب يمكن أن يعطي نتائج أفضل.

مزايا الجرافيت المستخدم كقطب كهربائي

المتانة وطول العمر

يسمح هيكل الجرافيت القوي للجرافيت بالحفاظ على الأداء على مدى فترات طويلة وبالتالي تقليل تكرار الاستبدال وتقليل وقت التعطل وخفض التكاليف التشغيلية الإجمالية.

تعدد الاستخدامات

تُستخدم أقطاب الجرافيت على نطاق واسع في العديد من الصناعات بدءًا من تصنيع الفوسفور وكربيد الكالسيوم ومعادن السيليكون إلى صناعات إنتاج الصلب.

مقاومة التآكل

إن مقاومة الجرافيت الطبيعية للتآكل تجعله مناسبًا للاستخدام في البيئات التي تتعرض فيها الأقطاب الكهربائية للمواد الكيميائية أو الشوارد العدوانية. وبالتالي، يمكن أن يتفوق في الأداء في البيئات شديدة التفاعل مثل الصناعات الكيميائية.

القدرة على تحمل درجات الحرارة العالية

يمكن أن يتحمل الجرافيت درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية (5432 درجة فهرنهايت) دون أن ينصهر ويتمتع بمقاومة جيدة للصدمات الحرارية. وبالتالي، يمكن لأقطاب الجرافيت التعامل مع درجات الحرارة العالية والمتغيرة بسرعة دون تشقق أو فقدان السلامة الهيكلية في التطبيقات الصناعية.

الفعالية من حيث التكلفة

وعلى الرغم من أن التكلفة الأولية قد تكون أعلى، إلا أن فعالية التكلفة الإجمالية لأقطاب الجرافيت من حيث التكلفة بالإضافة إلى كفاءتها تجعلها خيارًا مجديًا اقتصاديًا للاستخدام التجاري.

تطبيقات محددة لأقطاب الجرافيت الكهربائية في التحليل الكهربائي

أقطاب الجرافيت الكهربائية دورًا حاسمًا في عمليات التحليل الكهربائي المختلفة نظرًا لخصائصها الفريدة. وفيما يلي بعض تطبيقاتها المحددة:

1. إنتاج الكلور القلوي

في صناعة الكلور والقلويات، تُستخدم أقطاب الجرافيت كأنود للتحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم لإنتاج الكلور وهيدروكسيد الصوديوم والهيدروجين.

2. إنتاج الألومنيوم

يشكل الجرافيت كلاً من القطب السالب والأنود في عملية Hall-Héroult المستخدمة لإنتاج الألومنيوم.

3. الاستخلاص الكهربائي للزنك

في صناعة الزنك، تُستخدم أقطاب الجرافيت في عملية الاستخلاص الكهربائي لاستخلاص الزنك من محاليل كبريتات الزنك.

4. تكرير النحاس

تُستخدم أقطاب الجرافيت لإنتاج نحاس عالي النقاء من أنودات النحاس الأقل نقاءً في عملية التكرير الإلكتروليتي.

5. معالجة المياه

في عمليات معالجة المياه الكهروكيميائية تستخدم أقطاب الجرافيت في عمليات معالجة المياه الكهروكيميائية لتوليد المؤكسدات للتطهير.

القيود والاعتبارات الخاصة باستخدام الجرافيت كقطب كهربائي

مع وجود العديد من المزايا، هناك بعض القيود والاعتبارات أثناء استخدام الجرافيت كقطب كهربائي. على سبيل المثال، يمكن أن يتأكسد الجرافيت في درجات حرارة عالية، عادةً ما تكون أعلى من 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) في الهواء. وهذا يمكن أن يغير العملية الكيميائية. وبالتالي، هناك حاجة إلى التحكم في درجة الحرارة. علاوة على ذلك، في ظل الإجهاد الميكانيكي العالي أو التآكل، قد تتآكل أقطاب الجرافيت بشكل أسرع من البدائل المعدنية.

كما يمكن أن يؤدي التركيب المسامي للجرافيت إلى نفاذية الغازات مما يؤدي إلى تغلغل الإلكتروليت. ويمكن أن يؤثر ذلك على العمر الافتراضي الكلي. في التطبيقات التي تتطلب نقاءً فائقًا، يمكن للجرافيت إدخال جزيئات الكربون. يحتوي الجرافيت على معامل تمدد حراري مرتفع نسبيًا، مما يعني أنه يمكن أن يتمدد مع ارتفاع درجة الحرارة. وهذا يمكن أن يسبب مشاكل في التطبيقات ذات التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة. يجب تصميم هذه الأنظمة من خلال أخذ التمدد الحراري في الاعتبار.

من خلال النظر في هذه القيود، يمكن تصميم نظام التحليل الكهربائي الأمثل إما باستخدام الجرافيت أو بدائل أكثر ملاءمة.

بدائل أقطاب الجرافيت الكهربائية

في حين أن أقطاب الجرافيت تستخدم على نطاق واسع، يمكن النظر في استخدام بعض المواد البديلة اعتمادًا على متطلباتها المحددة. وتتمتع الأقطاب المعدنية مثل البلاتين بثبات كيميائي ممتاز بينما يتميز الذهب بتوصيل عالي التوصيل. وتُعد أقطاب أكسيد المعادن بسبب ثباتها العالي وعمرها الطويل وخصائصها التحفيزية خيارًا آخر لتطبيقات مثل إنتاج الكلور ومعالجة المياه.

الخاتمة

يُعد الجرافيت قطبًا كهربائيًا ممتازًا في التحليل الكهربائي نظرًا لخصائصه الكيميائية والفيزيائية. ونظرًا لكونه متوفر بسهولة ورخيص الثمن، فإنه يعتبر خيارًا رائعًا للتطبيقات التجارية التي تنطوي على التحليل الكهربائي. ومع ذلك، وبسبب بعض القيود، من المهم النظر في بدائله للاستخدام في تطبيقات معينة.