Reaktor elektrokimia

Dalam kurikulum teknik kimia, reaktor elektrokimia jarang sekali, atau bahkan sama sekali tidak dibahas sebagai materi dalam kuliah teknik reaksi kimia. Seperti diuraikan sebelumnya (disini), berdasarkan mode operasinya, reaktor dalam industri proses kimia dibagi secara luas menjadi reaktor batch atau kontinyu. Begitu juga dengan reaktor elektrokimia, meskipun proses kontinyu, dimana reaktan dan produk dialirkan secara terus menerus, lebih sering digunakan. 

Seperti halnya reaktor kimia, kecepatan reaksi, dan khususnya kecepatan reaksi per satuan volume, adalah kritis, dan umumnya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan laju perpindahan reaktan dan produk. Pada reaksi berkatalis padat, yang perlu ditingkatkan adalah laju perpindahan reaktan dan produk ke dan dari permukaan katalis, sedangkan untuk reaksi elektrokimia adalah ke dan dari elektroda. Agak berbeda dengan reaktor kimia, parameter kunci dalam merancang reaktor elektrokimia adalah rapat arus, yang menentukan luas yang dibutuhkan dan, dari sini, jumlah dan ukuran sel yang dibutuhkan untuk mencapai kapasitas produksi yang diinginkan. Kerugian tegangan dalam sel juga penting dan menentukan jumlah energi yang diperlukan untuk produksi, maupun efisiensi energi dari proses.

Salah satu contoh industri proses kimia yang menggunakan reaktor elektrokimia adalah proses elektrolisa untuk memproduksi khlor, yang dikenal dengan proses khlor-alkali. Aliran reaktan untuk proses ini adalah garam NaCl jenuh yang dimurnikan yang mengalir secara terus menerus ke dalam reaktor. Selain khlor, sodium hidroksida dan gas hidrogen dihasilkan secara serempak di dalam reaktor. Dua reaksi elektrokimia tersebut adalah

2Cl^– —> Cl₂ + 2e^–  (E^o = 1,3595 V)

2H₂O + 2e^– —> H₂ + 2OH^–  (E^o = -0,828 V)

Potensial standar untuk sel utuh adalah 2,188 V. Gambar 1 mengilustrasikan sel diafragma, yang telah menjadi jenis sel khlor-alkali yang dominan di industri selama bertahun-tahun. Sel membran yang lebih baru mulai menggantikan sel diafragma. Sel diafragma awalnya terdiri atas anoda grafit vertikal, katoda jala (mesh) baja, dan pemisah asbes (diafragma). Khlor dilepaskan pada katoda positif (anoda) dan larutan garam jenuh (brine) yang mengalir dalam kompartemen disebut anolit (anolyte). Pada katoda, hidrogen dilepaskan dan ion hidroksida dihasilkan. Elektrolit disebut katolit (catholyte). Diafragma menjaga produk gas tidak bercampur dan merupakan penghalang efektif untuk memisahkan khlor dan hidrogen. Yang penting adalah difragma harus permeabel terhadap larutan cair yang mengizinkan perpindahan ion antar elektroda. Dalam rancangan ini, larutan mengalir dari anoda melalui diafragma ke katoda. Aliran ini membantu mencegah NaOH berdifusi balik ke sisi anoda dari diafragma. Dalam diafragma, aliran badan fluida, migrasi dan difusi molekuler semuanya ada. Pada sisi katoda, katolit diambil sebagai salah satu produk, yang mengandung NaOH dengan kontaminasi ion khlorida. NaOH diambil kembali dalam proses selanjutnya.

Dengan menganggap bahwa semua arus listrik digunakan untuk mendukung reaksi di atas, neraca bahan sederhana dapat menetapkan komposisi keluar jika laju alir masuk dan arus sel diketahui. Keduanya Cl₂ dan H₂ diambil dari sel sebagai produk gas. Komposisi NaOH pada keluaran jenis sel ini adalah ~12% berat dan kemurnian gas khlor yang dihasilkan adalah 98%. Karena ion khlorida dikonsumsi pada elektroda positif (anoda) dan ion hidroksil dihasilkan pada elektroda negatif (katoda), ion harus dipindahkan untuk menyeimbangkan muatan listrik, yakni: ada aliran arus listrik dalam larutan. Idealnya, hanya Na⁺ akan bergerak dari anoda ke katoda. Kasus terbaik tidak tercapai dengan rancangan ini, namun, yang penting adalah meminimalkan jumlah ion hidroksida yang mencapai anoda dan ion Cl^– yang masuk ruang katoda.

Sel diafragma yang diuraikan di atas mengilustrasikan banyak aspek penting elektrolisa industri. Kira-kira 44 juta ton khlor diproduksi per tahun. Dengan menganggap semua produksi ini berlangsung dalam sel diafragma, diperkirakan daya total yang dibutuhkan untuk produksi ini adalah sekitar 13,1 GW.

Contoh reaktor elektrokimia lain adalah elektroliser untuk memproduksi hidrogen dari air. Uraian detail mengenai elektroliser ini dapat dibaca disini dan disini.

(hs)