Grafit Elektrolizde Neden Elektrot Olarak Kullanılır?

Doğal olarak oluşan amorf bir karbon formu olan grafit, çeşitli elektrokimyasal süreçlerde kullanıma uygun hale getiren birçok benzersiz özelliğe sahiptir. Yüksek elektrik iletkenliği, termal kararlılığı, kimyasal inertliği, uzun ömürlülüğü ve saflığı nedeniyle grafit, ticari düzeyde bir elektrot olarak birçok kullanım alanı bulmaktadır.

Doğrudan elektrik akımı kullanarak saf elementleri çıkarma işlemi olan elektroliz, grafit kullanılarak verimli bir şekilde gerçekleştirilebilen bir başka elektrokimyasal işlemdir.

Bilimsel terimlerle elektroliz

Elektroliz sırasında, iki elektrot bir elektrolitik çözelti (akımın geçişine yardımcı olan bir çözelti) içine yerleştirilir. Harici bir akım kaynağının varlığında elektroliz gerçekleştirilir. Bu düzenek bir pil gibi çalışır.

Grafit - yaygın bir elektrot malzemesi

Genellikle, elektrot yapmak için altın, gümüş, platin, bakır ve pirinç gibi metaller gibi iletken bir malzeme kullanılır. Ancak, bu metaller pahalı olduğundan, ticari düzeyde kullanılmaları uygun değildir.

Öte yandan grafit, iyi bir elektrotun tercih edilen tüm niteliklerine sahiptir ve elektroliz için uygun hale getirilerek kolayca temin edilebilir.

Grafitin kimyasal bileşimi ve oluşumu

Grafit, doğal olarak oluşan ve kristal bir yapıya sahip olan bir karbon formudur. Standart koşullar altında grafit stabil kalır ve reaktif değildir. Aşağıdaki gibi endüstrilerde dökümhaneler, lityum-iyon pil endüstrileri vb. alanlarda grafit büyük ölçekte kullanılmaktadır. Düşük maliyeti, bulunabilirliği, termal ve kimyasal inertliği onu birçok endüstriyel uygulamada kullanışlı kılmaktadır.

Fiziksel özellikler

Grafit opak ve parlak bir görünüme sahiptir. Dokunulduğunda çok yumuşak ve kaygandır. Ayrıca suda veya organik çözücülerde çözünmez. Alev almaz ve esnek tabakalar şeklinde mükemmel bir şekilde kırılır.

Grafit neden elektroliz için uygundur?

İşte grafiti elektroliz için uygun kılan kimyasal ve fiziksel özellikleri:

• Elektrik iletkenliği - Grafitin benzersiz iç yapısı onu iyi bir elektrik iletkeni yapar. Böylece elektroliz verimli bir şekilde gerçekleştirilebilir.
• Kimyasal inertlik - Kimyasal olarak inert olması, grafitin çoğu organik ve inorganik ortamla reaksiyona girmediğini gösterir, bu nedenle kirlenme olasılığı ihmal edilebilir düzeydedir.
• Yüksek erime noktası - 3600 santigrat derecelik erime noktası, Grafiti çeşitli yüksek sıcaklık uygulamalarında uygulanabilir hale getirir.
• Düşük maliyet ve bulunabilirlik - Grafit yaygın olarak mermer, şist ve gnays gibi metamorfik kayaçlar şeklinde çeşitli sahalardaki yataklarda bulunur. Bol miktarda bulunması onu ucuz ve yüksek talep gören bir ürün haline getirmektedir.

Elektrolizde Elektrot Olarak Grafit

Elektrik iletimindeki rolü

Grafitin altıgen yapısı nedeniyle elektriğin serbest akışına izin verir. Dahası, yapıdaki serbest elektronlar yük taşıyarak hareket eder.

Elektrolitler ve iyonlarla etkileşim

Grafitin bir elektrot olarak performansı, kullanılan elektrolitin türüne ve içerdiği iyonlara bağlı olarak değişir. Genellikle, lityum iyonları, sodyum iyonları ve potasyum iyonları grafit ile bir elektrot olarak iyi performans gösterir. Bu nedenle, doğru elektrolit ile kullanılması tercih edilebilir sonuçlar verebilir.

Elektrot Olarak Kullanılan Grafitin Avantajları

Dayanıklılık ve uzun ömürlülük

Grafitin sağlam yapısı, uzun süreler boyunca performansını korumasını sağlar, böylece değiştirme sıklığını azaltır, arıza süresini en aza indirir ve genel işletme maliyetlerini düşürür.

Çok Yönlülük

Grafit elektrotlar fosfor, kalsiyum karbür ve silikon metallerin üretiminden çelik üretim endüstrilerine kadar birçok sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Korozyona karşı direnç

Grafitin korozyona karşı doğal direnci, onu elektrotların agresif kimyasallara veya elektrolitlere maruz kaldığı ortamlarda kullanıma uygun hale getirir. Böylece, kimya endüstrileri gibi yüksek reaktif ortamlarda daha iyi performans gösterebilir.

Yüksek sıcaklıklara dayanma kabiliyeti

Grafit erimeden 3000°C'ye (5432°F) kadar sıcaklıklara dayanabilir ve termal şoka karşı iyi bir dirence sahiptir. Böylece grafit elektrotlar, endüstriyel uygulamalarda çatlamadan veya yapısal bütünlüğünü kaybetmeden yüksek ve hızla değişen sıcaklıklarla başa çıkabilir.

Maliyet etkinliği

Başlangıç maliyeti daha yüksek olsa da, grafit elektrotların genel maliyet etkinliği, verimlilikleriyle birleştiğinde ticari kullanım için ekonomik olarak uygun bir seçim haline gelir.

Elektrolizde Grafit Elektrotların Spesifik Uygulamaları

Grafit elektrotlar benzersiz özellikleri nedeniyle çeşitli elektroliz işlemlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Bazı özel uygulamaları şunlardır:

1. Klor-alkali Üretimi

Klor-alkali endüstrisinde grafit elektrotlar, klor, sodyum hidroksit ve hidrojen üretmek için sodyum klorür çözeltisinin elektrolizinde anot olarak kullanılır.

2. Alüminyum Üretimi

Grafit, alüminyum üretimi için kullanılan Hall-Héroult prosesinde hem katot hem de anotu oluşturur.

3. Çinko Elektrowinning

Çinko endüstrisinde grafit elektrotlar, çinko sülfat çözeltilerinden çinko elde etmek için elektro-eğirme işleminde kullanılır.

4. Bakır Rafinasyonu

Grafit elektrotlar, elektrolitik arıtma işleminde daha az saf bakır anotlardan yüksek saflıkta bakır üretmek için kullanılır.

5. Su Arıtma

Elektrokimyasal su arıtma proseslerinde, grafit elektrotlar dezenfeksiyon için oksidanların üretilmesinde kullanılır.

Elektrot Olarak Grafit Kullanımının Sınırlamaları ve Dikkat Edilmesi Gerekenler

Çok sayıda avantajla birlikte grafiti elektrot olarak kullanırken bazı sınırlamalar ve hususlar vardır. Örneğin, grafit yüksek sıcaklıklarda, tipik olarak havada 400°C'nin (752°F) üzerinde oksitlenebilir. Bu kimyasal süreci değiştirebilir. Bu nedenle sıcaklık kontrolü gereklidir. Ayrıca, yüksek mekanik stres veya aşınma altında grafit elektrotlar metal alternatiflerine göre daha hızlı aşınabilir.

Ayrıca grafitin gözenekli yapısı gaz geçirgenliğine yol açarak elektrolit nüfuzuna neden olabilir. Bu da genel kullanım ömrünü etkileyebilir. Ultra yüksek saflık gerektiren uygulamalarda grafit karbon partiküllerine neden olabilir. Grafit nispeten yüksek bir termal genleşme katsayısına sahiptir, bu da sıcaklık artışıyla genişleyebileceği anlamına gelir. Bu, büyük sıcaklık dalgalanmalarının olduğu uygulamalarda sorunlara neden olabilir. Bu tür sistemler termal genleşme dikkate alınarak tasarlanmalıdır.

Bu sınırlamalar göz önünde bulundurularak grafit veya daha uygun alternatiflerle optimum bir elektroliz sistemi tasarlanabilir.

Grafit Elektrotlara Alternatifler

Grafit elektrotlar yaygın olarak kullanılmakla birlikte, özel gereksinimlerine bağlı olarak bazı alternatif malzemeler kullanım için düşünülebilir. Platin gibi metal elektrotlar mükemmel kimyasal stabiliteye sahipken altın yüksek iletkenliğe sahiptir. Yüksek kararlılıkları, uzun ömürleri ve katalitik özellikleri nedeniyle metal oksit elektrotlar, klor üretimi ve su arıtma gibi uygulamalar için bir başka seçenektir.

Sonuç

Grafit, kimyasal ve fiziksel özellikleri nedeniyle elektrolizde mükemmel bir elektrot oluşturur. Kolayca bulunabilmesi ve ucuz olması nedeniyle elektroliz içeren ticari uygulamalar için mükemmel bir seçenek olarak kabul edilir. Bununla birlikte, bazı sınırlamalar nedeniyle, belirli uygulamalarda kullanım için alternatiflerini dikkate almak önemlidir.