Ukuran kinerja reaktor elektrolisa industri

Dalam artikel sebelumnya (disini), jenis reaktor elektrokimia dan contoh aplikasinya di industri telah dibahas. Artikel ini akan membahas secara singkat tiga ukuran kinerja kunci yang berguna untuk sistem elektrolisa industri: efisiensi faraday, yield ruang-waktu dan efisiensi energi.

Efisiensi faraday

Ukuran kinerja pertama adalah efisiensi faraday, yang didefinisikan sebagai rasio massa produk terhadap jumlah yang dapat diperoleh berdasarkan pada arus dan hukum Faraday. Efisiensi faraday dapat ditulis sebagai

dimana m_i adalah massa produk, Q adalah muatan listrik total yang dialirkan selama elektrolisa, m_i<titik atas> adalah laju alir massa (massa/waktu) produk yang diinginkan, n adalah jumlah elektron yang terlibat dalam reaksi, F adalah tetapan Faraday dan I adalah arus total (dianggap konstan). Dalam hal terbentuk produk lebih dari satu, efisiensi Faraday setiap produk bisa berbeda. Ingat bahwa efisiensi Faraday tidak bersatuan dan mempunyai nilai yang sama jika didasarkan pada massa, mol atau ampere karena ini dihitung untuk spesies kimia tunggal.

Nilai efisiensi Faraday pada umumnya jauh lebih kecil daripada satu. Salah satu alasan penting adalah adanya reaksi samping, yakni reaksi yang digerakkan oleh aliran arus yang tidak menghasilkan produk yang diinginkan. Dalam sel khlor-alkali, pelepasan oksigen pada elektroda positif adalah contoh reaksi samping parasit (memakan arus)

2H₂O —> O₂ + 4H⁺ + 4e^– (E^o = 1,229 V)

Efisiensi faraday umumnya berbeda untuk anoda dan katoda. Sebagai contoh, pelepasan oksigen, reaksi anodik, mengurangi jumlah khlor yang dilepaskan, dan jadi, menurunkan efisiensi faraday anoda. Akan tetapi, pelepasan oksigen tidak memengaruhi efisiensi katoda, karena reaksi tersebut tidak memengaruhi jumlah kaustik atau hidrogen yang diproduksi pada elektroda.

Kontaminan yang bereaksi dengan produk yang diinginkan mewakili sumber penurunan efisiensi faraday lain yang mungkin. Sebagai contoh, sodium karbonat dalam umpan garam bereaksi dengan khlor mengurangi jumlah khlor yang diproduksi dalam proses per Coulomb yang dialirkan dalam sel,

Na₂CO₃ + 2Cl₂ + H₂O —> 2HOCl + 2NaCl + CO₂

Terakhir, pemulihan produk dapat memengaruhi efisiensi faraday. Sebagai contoh, karena kelarutannya, sebagian kecil khlor yang dilepaskan dalam sel diafragma akan terikut aliran anolit. Khlor ini hilang dan tidak terambil sebagai produk.

Meskipun bukan satu-satunya faktor penyumbang, efisiensi arus tetap merupakan komponen kritis efisiensi faraday. Efisiensi arus untuk reaksi elektrokimia jamak yang berlangsung pada satu elektroda dapat dihitung sebagai fungsi potensial dan konsentrasi jika kinetika reaksi diketahui sebagai fungsi variabel tersebut.

Yield ruang-waktu

Ukuran kinerja berikutnya yang perlu diperhatikan adalah yield ruang-waktu, yang mana merupakan laju produksi per volume reaktor. Kinerja ini intinya adalah sebuah ukuran efisiensi reaktor dan didefinisikan sebagai

dimana, a_r, luas spesifik untuk reaktor, adalah luas elektroda dimana produksi berlangsung dibagi dengan volume reaktor. M_i adalah berat molekul dan V adalah volume reaktor. Y mempunyai satuan kg s^-1 m^-3. Arus I dan rapat arus i hanya berkaitan dengan bagian arus yang terkait dengan produk yang menjadi perhatian. Dalam keadaan dimana terdapat banyak produk, misal satu produk pada anoda dan yang lain pada katoda, yield ruang-waktu dapat ditetapkan untuk setiap produk dengan memakai luas elektroda terkait. Besaran ia_r mewakili arus per satuan volume reaktor. Analisa ekonomi adalah pada jantung proses industri – keduanya biaya modal dan biaya operasi harus diperhitungkan.

Yield ruang-waktu adalah parameter yang memasukkan volume reaktor, yang akan secara langsung berdampak pada biaya modal. Alat utama untuk meminimalkan volume reaktor elektrokimia adalah meningkatkan rapat arus operasi. Keteririsan arus dan volume tampak nyata dari yield ruang-waktu. Untuk laju produksi tetap, volume berbanding terbalik dengan arus. Jadi, arus tinggi atau rapat arus tinggi mengarah kepada volume reaktor yang lebih kecil dan biaya modal lebih rendah.

Besarnya rapat arus juga memengaruhi jenis reaktor yang dapat digunakan secara ekonomis. Jika rapat arus cukup tinggi (>100 A m^-2), maka elektroda dua-dimensi dapat digunakan. Akan tetapi, rapat arus tinggi tidak mungkin untuk beberapa sistem karena, misalnya, batasan perpindahan massa atau reaksi samping. Proses dengan rapat arus sangat rendah (<10 A m^-2) mungkin memerlukan elektroda tiga-dimensi, misal: elektroda berpori, agar secara ekonomi layak; elektroda seperti itu dapat memiliki luas spesifik tinggi ~5000 m² m^-3. Dalam praktik, banyak sekali konfigurasi reaktor dengan berbagai kekompleksan digunakan.

Efisiensi energi

Ukuran kinerja ketiga adalah efisiensi energi, yang didefinisikan sebagai

Parameter ini adalah hasil kali efisiensi faraday dan rasio potensial kesetimbangan terhadap potensial sel. Suku terakhir pada ruas kanan adalah efisiensi tegangan yang didefinisikan untuk sel elektrolisa. Fisiknya, efisiensi energi adalah daya teoritis yang dibutuhkan untuk menyempurnakan konversi reaksi (I_RxE) dibagi dengan daya sesungguhnya yang digunakan (IV_sel). Unsur kunci efisiensi ini adalah perhitungan potensial sel, V_sel.

(hs)