Waarom wordt grafiet gebruikt als elektrode in elektrolyse?

Grafiet, een natuurlijk voorkomende amorfe vorm van koolstof, heeft vele unieke eigenschappen die het geschikt maken voor gebruik in verschillende elektrochemische processen. Door zijn hoge elektrische geleidbaarheid, thermische stabiliteit, chemische inertheid, lange levensduur en zuiverheid wordt grafiet op commercieel niveau veel gebruikt als elektrode.

Elektrolyse, een proces om zuivere elementen te extraheren met behulp van directe elektrische stroom, is nog een elektrochemisch proces dat efficiënt kan worden uitgevoerd met grafiet.

Elektrolyse in wetenschappelijke termen

Tijdens elektrolyse worden twee elektroden in een elektrolytische oplossing geplaatst (een oplossing die de doorgang van stroom bevordert). In aanwezigheid van een externe stroombron wordt elektrolyse uitgevoerd. Deze opstelling werkt als een batterij.

Grafiet - een veelgebruikt elektrodemateriaal

Over het algemeen worden geleidende materialen zoals metalen zoals goud, zilver, platina, koper en messing gebruikt om elektroden te maken. Omdat deze metalen echter duur zijn, is het gebruik ervan op commercieel niveau niet haalbaar.

Grafiet daarentegen bezit alle gewenste eigenschappen van een goede elektrode en is gemakkelijk verkrijgbaar, waardoor het geschikt is voor elektrolyse.

Chemische samenstelling en voorkomen van grafiet

Grafiet is een vorm van koolstof die van nature voorkomt en een kristallijne structuur heeft. Onder standaardomstandigheden blijft grafiet stabiel en niet reactief. In industrieën zoals gieterijenDe industrie van lithium-ionbatterijen enz. gebruikt grafiet op grote schaal. De lage kosten, beschikbaarheid en thermische en chemische inertheid maken het nuttig in veel industriële toepassingen.

Fysische eigenschappen

Grafiet ziet er ondoorzichtig en glanzend uit. Het voelt zeer zacht en glad aan. Bovendien is het niet oplosbaar in water of organische oplosmiddelen. Het is niet ontvlambaar en breekt perfect in de vorm van flexibele vellen.

Waarom grafiet geschikt is voor elektrolyse

Dit zijn de chemische en fysische eigenschappen van grafiet die het geschikt maken voor elektrolyse:

• Elektrische geleiding: de unieke interne structuur van grafiet maakt het een goede elektrische geleider. Zo kan elektrolyse efficiënt worden uitgevoerd.
• Chemische inertie- Omdat grafiet chemisch inert is, reageert het niet met de meeste organische en anorganische media, zodat de kans op besmetting te verwaarlozen is.
• Hoog smeltpunt- Het smeltpunt van 3600 graden Celsius maakt grafiet toepasbaar in verschillende toepassingen bij hoge temperaturen.
• Lage kosten en beschikbaarheid- Grafiet wordt vaak gevonden in afzettingen op verschillende locaties in de vorm van metamorf gesteente zoals marmer, schist en gneis. Door de overvloedige beschikbaarheid is het goedkoop en zeer gewild.

Grafiet als elektrode in elektrolyse

Rol in het geleiden van elektriciteit

Door de zeshoekige structuur van grafiet kan elektriciteit vrij stromen. Bovendien bewegen vrije elektronen in de structuur door het dragen van lading.

Interactie met elektrolyten en ionen

De prestaties van grafiet als elektrode variëren afhankelijk van het type elektrolyt dat wordt gebruikt en de ionen die erbij betrokken zijn. Over het algemeen presteren lithiumionen, natriumionen en kaliumionen goed met grafiet als elektrode. Gebruik van grafiet met de juiste elektrolyt kan dus tot betere resultaten leiden.

Voordelen van grafiet als elektrode

Duurzaamheid en levensduur

De robuuste structuur van grafiet zorgt ervoor dat het gedurende langere perioden goed blijft presteren, waardoor het minder vaak vervangen hoeft te worden, de uitvaltijd tot een minimum wordt beperkt en de algehele operationele kosten dalen.

Veelzijdigheid

Grafietelektroden worden veel gebruikt in verschillende industrieën, van de productie van fosfor, calciumcarbide en siliciummetalen tot de staalproductie.

Corrosiebestendigheid

De natuurlijke corrosiebestendigheid van grafiet maakt het geschikt voor gebruik in omgevingen waar elektroden worden blootgesteld aan agressieve chemicaliën of elektrolyten. Het kan dus beter presteren in zeer reactieve omgevingen zoals de chemische industrie.

Bestand tegen hoge temperaturen

Grafiet is bestand tegen temperaturen tot 3000°C (5432°F) zonder te smelten en is goed bestand tegen thermische schokken. Grafietelektroden kunnen dus hoge en snel veranderende temperaturen aan zonder te barsten of hun structurele integriteit te verliezen in industriële toepassingen.

Kosteneffectiviteit

Hoewel de initiële kosten hoger kunnen liggen, maakt de algemene kosteneffectiviteit van grafietelektroden in combinatie met hun efficiëntie ze een economisch haalbare keuze voor commercieel gebruik.

Specifieke toepassingen van grafietelektroden in elektrolyse

Grafietelektroden spelen een cruciale rol in verschillende elektrolyseprocessen vanwege hun unieke eigenschappen. Enkele van de specifieke toepassingen zijn:

1. Productie van chlooralkali

In de chlooralkali-industrie worden grafietelektroden gebruikt als anode voor de elektrolyse van een natriumchlorideoplossing om chloor, natriumhydroxide en waterstof te produceren.

2. Productie van aluminium

Grafiet vormt zowel de kathode als de anode in het Hall-Héroult proces dat wordt gebruikt voor de productie van aluminium.

3. Elektrowinning van zink

In de zinkindustrie worden grafietelektroden gebruikt in het elektrolytische winningsproces om zink te winnen uit zinksulfaatoplossingen.

4. Koperraffinage

Grafietelektroden worden gebruikt om hoogzuiver koper te produceren uit minder zuivere koperanoden in het elektrolytische raffinageproces.

5. Waterbehandeling

In elektrochemische waterbehandelingsprocessen worden grafietelektroden gebruikt voor het genereren van oxidanten voor desinfectie.

Beperkingen en overwegingen bij het gebruik van grafiet als elektrode

Ondanks de vele voordelen zijn er bepaalde beperkingen en overwegingen bij het gebruik van grafiet als een elektrode. Grafiet kan bijvoorbeeld oxideren bij hoge temperaturen, meestal boven 400°C (752°F) in lucht. Dit kan het chemische proces veranderen. Daarom is temperatuurregeling nodig. Bovendien kunnen grafietelektroden onder hoge mechanische spanning of slijtage sneller slijten dan metalen alternatieven.

Ook kan de poreuze structuur van grafiet leiden tot gasdoorlaatbaarheid waardoor elektrolyt binnendringt. Dit kan de algehele levensduur beïnvloeden. In toepassingen die een ultrahoge zuiverheid vereisen, kan grafiet koolstofdeeltjes introduceren. Grafiet heeft een relatief hoge thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat het kan uitzetten bij temperatuurstijging. Dit kan problemen veroorzaken in toepassingen met grote temperatuurschommelingen. Bij het ontwerp van dergelijke systemen moet rekening worden gehouden met thermische uitzetting.

Door rekening te houden met deze beperkingen kan een optimaal elektrolysesysteem worden ontworpen met grafiet of geschiktere alternatieven.

Alternatieven voor grafietelektroden

Hoewel grafietelektroden veel gebruikt worden, kunnen bepaalde alternatieve materialen overwogen worden, afhankelijk van de specifieke vereisten. Metaalelektroden zoals platina hebben een uitstekende chemische stabiliteit, terwijl goud zeer geleidend is. Metaaloxide elektroden vanwege hun hoge stabiliteit, lange levensduur en katalytische eigenschappen zijn nog een andere optie voor toepassingen zoals chloorproductie en waterbehandeling.

Conclusie

Grafiet is door zijn chemische en fysische eigenschappen een uitstekende elektrode voor elektrolyse. Omdat het gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop is, wordt het beschouwd als een geweldige optie voor commerciële toepassingen waarbij elektrolyse betrokken is. Vanwege bepaalde beperkingen is het echter belangrijk om alternatieven te overwegen voor gebruik in bepaalde toepassingen.