Elektrolisa industri dan teknik elektrokimia

Reaktor elektrokimia disebut sel elektrolisa. Sel ini terdiri atas: (i) sebuah bejana, badan sel, (ii) dua elektroda, anoda dan katoda, dimana reaksi elektrokimia berlangsung, dan (iii) elektrolit. Beberapa sel memiliki diafragma atau membran antara kompartemen anoda dan katoda untuk memisahkan produk anodik dan katodik. Produk awal yang menggunakan proses elektrolisa meliputi: (i) logam aluminium, kalium dan natrium, (ii) bahan kimia kuat seperti pemutih, khlorin, bromin dan natrium hidroksida. Selama bertahun-tahun, berbagai macam bahan, terutama logam dan agen perngoksidasi kuat, telah diproduksi secara elektrolisa. Diantara produk-produk tersebut yang masih diproduksi sampai sekarang adalah khlorin, natrium hidroksida, natrium khlorat, hidrogen, oksigen, alumunium, tembaga, magnesium, seng dan adiponitril, bahan baku untuk membuat nylon.

Proses elektrolisa menkonsumsi listrik dalam jumlah yang besar. Insinyur elektrokimia di industri bertanggung jawab untuk secara simultan mengatur konsumsi listrik dan produksi kimia. Ia harus menggunakan prinsip sains dan teknik yang relevan untuk merancang, mengkonstruksi dan mengoperasikan proses dalam cara yang hemat, aman dan sadar lingkungan. Pemahaman yang baik prinsip sains dan aplikasi bahan baru dapat mengarah kepada perancangan sel dan proses yang lebih efisien. Dibawah ini akan diuraikan beberapa contoh proses elektrolisa industri.

Khlorin dan natrium hidroksida

Dua bahan kimia yang umumnya dihasilkan dengan elektrolisa larutan garam adalah khlorin (Cl2) dan natrium hidroksida (NaOH). Pabrik pada awalnya dibangun ditempat dimana daya listrik dari pembangkit listrik tenaga air (PLTA) atau uap dan deposit garam padat atau brine tersedia. Selama bertahun-tahun, dua proses muncul. Pertama adalah sel diafragma dimana lembaran asbes berpori memisahkan kompartemen anoda dan katoda. Kedua adalah sel merkuri dimana katoda berupa genangan merkuri cair. Reaksi katoda melibatkan pembentukan natrium amalgam yang dipisahkan dalam sel kedua (sel pemisah). Sel merkuri menggunakan lebih banyak energi listrik tetapi menghasilkan produk dengan kemurnian lebih tinggi daripada sel diafragma.

Beberapa faktor, termasuk keprihatinan lingkungan terhadap merkuri dan asbes, kemurnian produk sel difragma dan ketersediaan elektroda dan bahan baru, mendorong ditemukannya sistem ketiga saat ini, yakni: sel membran. Membran adalah pemisah semipermeabel yang hanya mengijinkan ion natrium lewat antara kompartemen anoda dan katoda. Ini mengakibatkan kemurnian produk yang lebih besar daripada sel diafragma dan konsumsi energi yang lebih rendah daripada sel merkuri. Membran adalah serangkaian pengembangan paling mutakhir, yang meliputi anoda terlapisi titanium katalitik, katoda tegangan rendah dan polimer tahan korosi yang digunakan untuk badan sel, yang telah dimasukkan dalam sel khlor-alkali dalam 30 tahun terakhir. Pengalaman telah menunjukkan bahwa rancangan sel berkembang terus dan diharapkan bahwa teknologi baru akan dimasukkan kedalam sel membran pada tahun-tahun mendatang.

Alumunium

Sebelum pembuatannya dengan elektrolisa, logam aluminium sangat jarang dan harganya semahal perak. Sekarang aluminium merupakan bahan yang murah dan mudah didapat yang berharga karena sifat ketahanannya terhadap korosi. Dalam proses produksinya, salah satu elektroda dalam sel dibuat dari karbon dan dikonsumsi dalam proses yang bersuhu tinggi. Beberapa reaksi samping yang tak diinginkan juga terjadi sehingga efisiensi produksi yang didasarkan pada konsumsi listrik lebih kecil daripada 100%. Diantara pertimbangan yang memengaruhi efisiensi sel dan konsumsi yang lebih rendah adalah suhu, jarak antar elektroda, bahan elektroda, konsumsi elektrolit, ukuran sel, sumber bahan baku dan kapasitas produksi. Jelas dibutuhkan ketrampilan teknik untuk memahami pengaruh ini dan untuk mencapai kondisi produksi yang optimum.

Pengambilan dan pemurnian logam

Banyak logam lain diperoleh dari biji mineralnya atau dimurnikan dari persediaan yang tidak murni dengan proses elektrokimia. Diantara contoh yang sangat banyak adalah tembaga, nikel, seng, magnesium dan titanium. Dalam industri tembaga, misalnya, elektrorefining dilakukan dengan menempatkan lembaran tembaga tak murni dalam sel, melarutkannya dengan elektrolisa dalam asam sulfat, dan elektroplating tembaga murni pada elektroda yang lain. Dengan pengendalian kondisi sel, pengotor tertinggal, sebagai padatan tak larut atau sebagai spesies tak larut yang tidak menempel. Dasar ilmiah yang mendasari elektrorefining tenbaga meliputi thermodinamika, kinetika, perpindahan massa dan fenomena distribusi arus dan potensial. Akan tetapi, konsep dasar harus ditransformasi kedalam perancangan teknik untuk mencapai operasi yang hemat dan produk berkualitas tinggi.

Sintesis elektro-organik

Proses komersial untuk memproduksi bahan kimia organik yang saat ini dipraktekkan pada skala yang dapat dibandingkan dengan bahan kimia anorganik dan logam yang diuraikan diatas adalah elektrohidrodimerisasi acrylonitrile menjadi adiponitrile. Bahan kimia organik spesialty yang diproduksi secara elektrokimia meliputi perfluorooctanoic acid [CF3(CF2)6COOH] dan perfluorooctanesulfonic acid [CF3(CF2)7SO3H]. Beberapa proses elektro-organik telah dipraktekkan pada skala semikomersial. Contohnya adalah oksidasi benzena menjadi benzoquinone dan epoksidasi propylene menjadi propylene oksida. Banyak reaksi elektro-organik adalah mudah dan murah dan pemahaman ilmiah terus semakin baik. Alasan untuk keterlambatan proses elektro-organik skala besar terutama adalah ekonomi. Ketika bahan baku dan kondisi energi berubah, proses elektro-organik mungkin mencapai kelayakan ekonomi.

Masa depan teknologi elektrokimia

Pengembangan, perancangan dan operasi proses elektrokimia telah sangat maju dalam beberapa dekade terakhir. Pengenalan bahan baru dalam sel elektrolisa telah mengarah kepada evolusi sel dan sistem baru. Kecenderungan ini, yang telah diikuti dengan pematangan dan pendalaman prinsip dasar teknik dan sains elektrokimia, telah menghasilkan banyak sekali pilihan proses baru dan teknologi. Sebagai contoh, pengenalan elektroda berpori dengan luas permukaan besar dalam sel elektrolisa secara signifikan meningkatkan rekoveri logam dari larutan yang sangat encer seperti terjadi dalam aliran pembilasan operasi elektroplating. Peluang untuk masa depan sangat menantang.