なぜ黒鉛は電解の電極として使われるのか？

天然に存在する非晶質炭素であるグラファイトは、様々な電気化学プロセスでの使用に適した多くのユニークな特性を備えている。高い電気伝導性、熱安定性、化学的不活性、長寿命、純度により、黒鉛は商業レベルで電極として多くの用途を見出している。

直流電流を用いて純粋な元素を抽出するプロセスである電解もまた、グラファイトを用いて効率的に実施できる電気化学プロセスのひとつである。

電解の科学的用語

電気分解の際、2つの電極が電解液（電流の通過を助ける溶液）中に置かれる。外部電流源の存在下で電気分解が行われる。このセットアップは電池のように機能する。

グラファイト - 一般的な電極材料

一般に、電極を作るには、金、銀、白金、銅、真鍮といった導電性材料が使われる。しかし、これらの金属は高価であるため、商業レベルでの使用は不可能である。

一方、グラファイトは、優れた電極として好ましい性質をすべて備えており、容易に入手できるため電解に適している。

黒鉛の化学組成と発生

黒鉛は天然に存在する炭素の一種で、結晶構造を持つ。標準的な条件下では、黒鉛は安定したまま反応しない。以下のような産業では ファウンダリーズリチウムイオン電池産業など、黒鉛は大規模に使用されている。安価で入手しやすく、熱的・化学的に不活性であるため、多くの産業用途で重宝されている。

物理的性質

グラファイトは不透明で光沢がある。触ると非常に柔らかく、滑りやすい。 さらに、水にも有機溶剤にも溶けない。不燃性で、柔軟なシート状に完全に破断する。

黒鉛が電気分解に適している理由

黒鉛が電気分解に適している化学的・物理的特性は以下の通りである：

• 電気伝導性-グラファイトのユニークな内部構造により、電気伝導性が良い。そのため、電気分解を効率的に行うことができる。
• 化学的不活性-化学的に不活性であることは、グラファイトがほとんどの有機・無機媒体と反応しないことを示しており、汚染の可能性はごくわずかである。
• 融点が高い - 融点は摂氏3600度で、グラファイトはさまざまな高温用途に使用できる。
• 低コストと入手可能性-黒鉛は、大理石、片岩、片麻岩のような変成岩の形で、さまざまな場所で鉱床として一般的に発見されている。その豊富な入手可能性により、安価で高い需要がある。

電解における電極としてのグラファイト

電気を通す役割

グラファイトは六角形の構造をしているため、電気を自由に流すことができる。さらに、構造中の自由電子は電荷を運んで移動する。

電解質やイオンとの相互作用

グラファイトの電極としての性能は、使用する電解液の種類や関与するイオンによって異なる。一般的に、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンは、グラファイトを電極として使用すると良好な性能を発揮します。したがって、適切な電解液と併用することで、より好ましい結果を得ることができる。

電極としてのグラファイトの利点

耐久性と寿命

グラファイトの堅牢な構造により、長期間にわたって性能を維持できるため、交換頻度を減らし、ダウンタイムを最小限に抑え、全体的な運用コストを削減することができる。

汎用性

黒鉛電極は、リン、炭化カルシウム、シリコン金属の製造から鉄鋼業まで、さまざまな産業で幅広く使用されている。

耐腐食性

グラファイトの自然な耐腐食性は、電極が攻撃的な化学薬品や電解液にさらされる環境での使用に適しています。そのため、化学工業のような反応性の高い環境でも優れた性能を発揮します。

高温に耐える能力

グラファイトは、溶融することなく3000℃までの温度に耐えることができ、熱衝撃に対して優れた耐性を持っています。従って、黒鉛電極は、産業用途において、割れたり、構造的完全性を失うことなく、高温で急速に変化する温度に対応することができます。

費用対効果

初期費用は高くつくかもしれないが、黒鉛電極の総合的な費用対効果とその効率の高さを組み合わせれば、商業的使用において経済的に実行可能な選択肢となる。

電解におけるグラファイト電極の具体的用途

グラファイト電極 は、そのユニークな特性により、様々な電解プロセスにおいて重要な役割を果たしている。具体的な用途としては、以下のようなものがある：

1.クロール・アルカリ製造

クロルアルカリ工業では、塩化ナトリウム溶液を電気分解して塩素、水酸化ナトリウム、水素を生成するための陽極として黒鉛電極が使用される。

2.アルミニウム製造

黒鉛は、アルミニウム製造に使用されるホール・エリュール法の陰極と陽極の両方を形成する。

3.亜鉛電解採取

亜鉛産業では、硫酸亜鉛溶液から亜鉛を抽出する電解採取工程で黒鉛電極が使用される。

4.銅の精錬

グラファイト電極は、電解精製プロセスにおいて、純度の低い銅陽極から高純度の銅を製造するために使用される。

5.水処理

電気化学的な水処理プロセスにおいて、グラファイト電極は殺菌のための酸化剤の生成に使用される。

グラファイトを電極として使用する際の限界と考慮点

多くの利点がある一方で、電極としてグラファイトを使用する際には、一定の制限や考慮事項がある。例えば、グラファイトは高温で酸化する可能性があり、通常空気中では400℃を超える。これは化学的プロセスを変化させる可能性がある。従って、温度管理が必要である。さらに、高い機械的応力や摩耗の下では、グラファイト電極は金属電極よりも早く摩耗する可能性があります。

また、グラファイトの多孔質構造は、電解液の浸透を引き起こすガス透過性につながる可能性がある。これは全体の寿命に影響する可能性がある。超高純度が要求される用途では、黒鉛に炭素粒子が混入する可能性がある。黒鉛は熱膨張係数が比較的高く、温度上昇に伴って膨張する。このため、温度変動の大きい用途では問題が生じる可能性がある。このようなシステムは、熱膨張を考慮して設計する必要がある。

これらの制限を考慮することにより、グラファイトまたはより適切な代替品で最適な電解システムを設計することができる。

グラファイト電極の代替品

グラファイト電極は広く使用されているが、特定の要件に応じて、特定の代替材料の使用を検討することができる。白金のような金属電極は化学的安定性に優れ、金は導電性が高い。金属酸化物電極は、その高い安定性、長寿命、触媒特性から、塩素製造や水処理などの用途のためのもう一つの選択肢です。

結論

黒鉛は、その化学的および物理的特性により、電気分解において優れた電極となる。容易に入手でき、安価であるため、電気分解を伴う商業用途には最適な選択肢と考えられている。しかし、ある種の制約があるため、特定の用途で使用するためには、その代替品を検討することが重要である。