Perché la grafite viene utilizzata come elettrodo nell'elettrolisi?

La grafite, una forma amorfa di carbonio presente in natura, è dotata di molte proprietà uniche che la rendono adatta all'uso in vari processi elettrochimici. Grazie all'elevata conducibilità elettrica, alla stabilità termica, all'inerzia chimica, alla longevità e alla purezza, la grafite trova molti impieghi come elettrodo a livello commerciale.

L'elettrolisi, un processo di estrazione di elementi puri mediante corrente elettrica continua, è un altro processo elettrochimico che può essere condotto in modo efficiente utilizzando la grafite.

L'elettrolisi in termini scientifici

Durante l'elettrolisi, due elettrodi sono posti in una soluzione elettrolitica (una soluzione che favorisce il passaggio della corrente). In presenza di una fonte di corrente esterna, viene eseguita l'elettrolisi. Questo sistema funziona come una batteria.

Grafite - un comune materiale per elettrodi

In genere, per realizzare gli elettrodi si utilizza un materiale conduttivo come i metalli: oro, argento, platino, rame e ottone. Tuttavia, poiché questi metalli sono costosi, non è possibile utilizzarli a livello commerciale.

La grafite, d'altra parte, possiede tutte le qualità preferite di un buon elettrodo ed è facilmente reperibile, il che la rende adatta all'elettrolisi.

Composizione chimica e presenza della grafite

La grafite è una forma di carbonio presente in natura con una struttura cristallina. In condizioni standard, la grafite rimane stabile e non reattiva. In settori come fonderie, le batterie agli ioni di litio, ecc. la grafite viene utilizzata su larga scala. Il suo basso costo, la disponibilità e l'inerzia termica e chimica la rendono utile in molte applicazioni industriali.

Proprietà fisiche

La grafite ha un aspetto opaco e lucido. È molto morbida e scivolosa al tatto. Inoltre, non è solubile in acqua o in solventi organici. Non è infiammabile e si rompe perfettamente sotto forma di fogli flessibili.

Perché la grafite è adatta all'elettrolisi

Ecco le proprietà chimiche e fisiche della grafite che la rendono adatta all'elettrolisi:

• Conducibilità elettrica: la struttura interna unica della grafite la rende un buon conduttore elettrico. In questo modo, l'elettrolisi può essere condotta in modo efficiente.
• Inerzia chimica: l'inerzia chimica indica che la grafite non reagisce con la maggior parte dei mezzi organici e inorganici, per cui le probabilità di contaminazione sono trascurabili.
• Elevato punto di fusione: il punto di fusione di 3600 gradi Celsius rende la grafite applicabile in varie applicazioni ad alta temperatura.
• Basso costo e disponibilità - La grafite si trova comunemente in depositi in vari siti sotto forma di rocce metamorfiche come marmo, scisto e gneiss. La sua abbondante disponibilità la rende economica e molto richiesta.

La grafite come elettrodo nell'elettrolisi

Ruolo nella conduzione dell'elettricità

Grazie alla sua struttura esagonale, la grafite consente il libero flusso di elettricità. Inoltre, gli elettroni liberi nella struttura si muovono trasportando carica.

Interazione con elettroliti e ioni

Le prestazioni della grafite come elettrodo variano a seconda del tipo di elettrolita utilizzato e degli ioni coinvolti. In genere, gli ioni litio, sodio e potassio si comportano bene con la grafite come elettrodo. Pertanto, l'utilizzo con l'elettrolita giusto può dare risultati migliori.

Vantaggi della grafite come elettrodo

Durata e longevità

La struttura robusta della grafite le consente di mantenere le prestazioni per periodi prolungati, riducendo la frequenza di sostituzione, i tempi di inattività e i costi operativi complessivi.

Versatilità

Gli elettrodi di grafite sono ampiamente utilizzati in diversi settori industriali, dalla produzione di fosforo, carburo di calcio e metalli silicei all'industria siderurgica.

Resistenza alla corrosione

La naturale resistenza della grafite alla corrosione la rende adatta all'uso in ambienti in cui gli elettrodi sono esposti a sostanze chimiche o elettroliti aggressivi. Pertanto, è in grado di offrire prestazioni migliori in ambienti altamente reattivi come le industrie chimiche.

Capacità di resistere alle alte temperature

La grafite può sopportare temperature fino a 3000°C (5432°F) senza fondersi e ha una buona resistenza agli shock termici. Pertanto, gli elettrodi di grafite possono sopportare temperature elevate e in rapido cambiamento senza incrinarsi o perdere l'integrità strutturale nelle applicazioni industriali.

Costo-efficacia

Sebbene il costo iniziale possa essere più elevato, l'economicità complessiva degli elettrodi di grafite, unita alla loro efficienza, li rende una scelta economicamente valida per l'uso commerciale.

Applicazioni specifiche degli elettrodi di grafite nell'elettrolisi

Elettrodi di grafite svolgono un ruolo cruciale in vari processi di elettrolisi grazie alle loro proprietà uniche. Alcune delle sue applicazioni specifiche sono:

1. Produzione di cloro-alcali

Nell'industria dei cloro-alcali, gli elettrodi di grafite sono utilizzati come anodo per l'elettrolisi della soluzione di cloruro di sodio per produrre cloro, idrossido di sodio e idrogeno.

2. Produzione di alluminio

La grafite costituisce sia il catodo che l'anodo nel processo di Hall-Héroult, utilizzato per la produzione di alluminio.

3. Elettrofiltrazione dello zinco

Nell'industria dello zinco, gli elettrodi di grafite sono utilizzati nel processo di elettrolavaggio per estrarre lo zinco dalle soluzioni di solfato di zinco.

4. Raffinazione del rame

Gli elettrodi di grafite sono utilizzati per produrre rame di elevata purezza da anodi di rame meno puro nel processo di raffinazione elettrolitica.

5. Trattamento dell'acqua

Nei processi di trattamento elettrochimico delle acque, gli elettrodi di grafite sono utilizzati per la generazione di ossidanti per la disinfezione.

Limitazioni e considerazioni sull'uso della grafite come elettrodo

A fronte di numerosi vantaggi, l'uso della grafite come elettrodo presenta alcune limitazioni e considerazioni. Ad esempio, la grafite può ossidarsi a temperature elevate, in genere superiori a 400°C (752°F) in aria. Questo può alterare il processo chimico. È quindi necessario controllare la temperatura. Inoltre, in presenza di forti sollecitazioni meccaniche o di abrasione, gli elettrodi di grafite possono usurarsi più rapidamente rispetto alle alternative metalliche.

Inoltre, la struttura porosa della grafite può portare alla permeabilità ai gas, causando la penetrazione dell'elettrolito. Ciò può influire sulla durata complessiva. Nelle applicazioni che richiedono una purezza elevatissima, la grafite può introdurre particelle di carbonio. La grafite ha un coefficiente di espansione termica relativamente elevato, il che significa che può espandersi con l'aumento della temperatura. Questo può causare problemi nelle applicazioni con grandi fluttuazioni di temperatura. Tali sistemi devono essere progettati tenendo conto dell'espansione termica.

Tenendo conto di queste limitazioni, è possibile progettare un sistema di elettrolisi ottimale con la grafite o con alternative più adatte.

Alternative agli elettrodi di grafite

Sebbene gli elettrodi di grafite siano ampiamente utilizzati, si possono prendere in considerazione alcuni materiali alternativi a seconda dei requisiti specifici. Elettrodi metallici come il platino hanno un'eccellente stabilità chimica, mentre l'oro è altamente conduttivo. Gli elettrodi di ossidi metallici, grazie alla loro elevata stabilità, alla lunga durata e alle proprietà catalitiche, sono un'altra opzione per applicazioni come la produzione di cloro e il trattamento delle acque.

Conclusione

La grafite è un eccellente elettrodo per l'elettrolisi grazie alle sue proprietà chimiche e fisiche. Essendo facilmente disponibile ed economica, è considerata un'ottima opzione per le applicazioni commerciali che prevedono l'elettrolisi. Tuttavia, a causa di alcune limitazioni, è importante considerare le sue alternative per l'utilizzo in determinate applicazioni.