Чому графіт використовується як електрод в електролізі?

Графіт, природна аморфна форма вуглецю, має багато унікальних властивостей, які роблять його придатним для використання в різних електрохімічних процесах. Завдяки високій електропровідності, термічній стабільності, хімічній інертності, довговічності та чистоті, графіт знаходить багато застосувань як електрод на комерційному рівні.

Електроліз, процес вилучення чистих елементів за допомогою постійного електричного струму, є ще одним електрохімічним процесом, який можна ефективно проводити за допомогою графіту.

Електроліз науковими термінами

Під час електролізу два електроди поміщають в електролітичний розчин (розчин, який сприяє проходженню струму). За наявності зовнішнього джерела струму відбувається електроліз. Ця установка працює як акумулятор.

Графіт - поширений електродний матеріал

Зазвичай для виготовлення електродів використовують провідні матеріали, такі як золото, срібло, платина, мідь і латунь. Однак, оскільки ці метали дорогі, їх використання на комерційному рівні не є життєздатним.

Графіт, з іншого боку, володіє всіма переважними якостями хорошого електрода і є легкодоступним, що робить його придатним для електролізу.

Хімічний склад і поширення графіту

Графіт - це форма вуглецю, що зустрічається в природі і має кристалічну структуру. За стандартних умов графіт залишається стабільним і не реагує на навколишнє середовище. У таких галузях, як ливарні цехиГрафіт широко використовується в таких галузях, як металургія, виробництво літій-іонних акумуляторів тощо. Його низька вартість, доступність, термічна та хімічна інертність роблять його корисним для багатьох промислових застосувань.

Фізичні властивості

Графіт має непрозорий і блискучий вигляд. Він дуже м'який і слизький на дотик. Крім того, він не розчиняється у воді або органічних розчинниках. Він незаймистий і чудово ламається у вигляді гнучких листів.

Чому графіт підходить для електролізу

Ось хімічні та фізичні властивості графіту, які роблять його придатним для електролізу:

• Електропровідність - унікальна внутрішня структура графіту робить його хорошим електропровідником. Таким чином, електроліз можна проводити ефективно.
• Хімічна інертність - хімічна інертність означає, що графіт не вступає в реакцію з більшістю органічних і неорганічних середовищ, тому ймовірність забруднення незначна.
• Висока температура плавлення - Температура плавлення 3600 градусів за Цельсієм робить графіт придатним для різних високотемпературних застосувань.
• Низька вартість і доступність - графіт зазвичай зустрічається в родовищах на різних ділянках у вигляді метаморфічних порід, таких як мармур, сланець і гнейс. Широка доступність робить його дешевим і дуже затребуваним.

Графіт як електрод в електролізі

Роль у проведенні електрики

Завдяки гексагональній структурі графіту, він дозволяє вільний потік електрики. Більше того, вільні електрони в структурі рухаються за рахунок переносного заряду.

Взаємодія з електролітами та іонами

Ефективність графіту як електрода залежить від типу використовуваного електроліту та іонів. Зазвичай іони літію, натрію та калію добре реагують з графітом як електродом. Таким чином, використання його з правильним електролітом може дати кращі результати.

Переваги використання графіту в якості електрода

Міцність і довговічність

Міцна структура графіту дозволяє йому зберігати продуктивність протягом тривалих періодів часу, що зменшує частоту заміни, мінімізує час простою і знижує загальні експлуатаційні витрати.

Універсальність

Графітові електроди широко використовуються в різних галузях промисловості - від виробництва фосфору, карбіду кальцію і кремнію до виробництва сталі.

Стійкість до корозії

Природна стійкість графіту до корозії робить його придатним для використання в середовищах, де електроди піддаються впливу агресивних хімічних речовин або електролітів. Таким чином, він може перевершити інші електроди у високореактивних середовищах, таких як хімічна промисловість.

Здатність витримувати високі температури

Графіт витримує температуру до 3000°C (5432°F), не плавлячись, і має хорошу стійкість до термічних ударів. Таким чином, графітові електроди можуть витримувати високі та швидкозмінні температури без розтріскування або втрати структурної цілісності в промисловому застосуванні.

Економічна ефективність

Хоча початкова вартість може бути вищою, загальна економічна ефективність графітових електродів у поєднанні з їхньою ефективністю робить їх економічно вигідним вибором для комерційного використання.

Специфічні застосування графітових електродів в електролізі

Графітові електроди відіграють вирішальну роль у різних процесах електролізу завдяки своїм унікальним властивостям. Деякі з його конкретних застосувань такі:

1. Хлорно-лужне виробництво

У хлорно-лужній промисловості графітові електроди використовуються як анод для електролізу розчину хлориду натрію з отриманням хлору, гідроксиду натрію і водню.

2. Виробництво алюмінію

Графіт утворює як катод, так і анод у процесі Холла-Геру, що використовується для виробництва алюмінію.

3. Цинкове гальванічне покриття

У цинковій промисловості графітові електроди використовуються в процесі електроосадження для вилучення цинку з розчинів сульфату цинку.

4. Рафінування міді

Графітові електроди використовуються для отримання високочистої міді з менш чистих мідних анодів в процесі електролітичного рафінування.

5. Очищення води

У процесах електрохімічного очищення води графітові електроди використовуються для генерації окислювачів для дезінфекції.

Обмеження та міркування щодо використання графіту як електрода

Незважаючи на численні переваги, використання графіту в якості електрода має певні обмеження та міркування. Наприклад, графіт може окислюватися при високих температурах, зазвичай вище 400°C (752°F) на повітрі. Це може змінити хімічний процес. Тому необхідний контроль температури. Крім того, під впливом високих механічних навантажень або стирання графітові електроди можуть зношуватися швидше, ніж металеві альтернативи.

Крім того, пориста структура графіту може призвести до газопроникності, що спричиняє проникнення електроліту. Це може вплинути на загальний термін служби. У додатках, що вимагають надвисокої чистоти, графіт може вводити частинки вуглецю. Графіт має відносно високий коефіцієнт теплового розширення, що означає, що він може розширюватися при підвищенні температури. Це може викликати проблеми в системах з великими температурними коливаннями. Такі системи повинні бути спроектовані з урахуванням теплового розширення.

Враховуючи ці обмеження, можна спроектувати оптимальну систему електролізу, використовуючи графіт або більш підходящі альтернативні матеріали.

Альтернативи графітовим електродам

Хоча графітові електроди широко використовуються, деякі альтернативні матеріали можуть розглядатися для використання в залежності від конкретних вимог. Металеві електроди, такі як платина, мають чудову хімічну стійкість, тоді як золото має високу провідність. Електроди з оксидів металів завдяки своїй високій стабільності, тривалому терміну служби і каталітичним властивостям є ще одним варіантом для таких застосувань, як виробництво хлору і водопідготовка.

Висновок

Завдяки своїм хімічним і фізичним властивостям графіт є чудовим електродом в електролізі. Будучи легкодоступним і дешевим, він вважається чудовим варіантом для комерційних застосувань, пов'язаних з електролізом. Однак, через певні обмеження, важливо розглянути його альтернативи для використання в певних сферах застосування.