electrochemical synthesis

Electrochemical synthesis (sintesis elektrokimia) adalah penggunaan energi listrik untuk mendorong perubahan kimia dengan menggunakan listrik untuk menggantikan reagen kimia beracun dan mahal. Hal ini memungkinkan sintesis yang lebih bersih dan lebih murah dengan efisiensi produksi yang lebih besar dan biaya yang lebih rendah.

Elektrolisis berperan dalam pembuatan beberapa bahan kimia anorganik kunci pada skala industri dan skala pembuatan bahan kimia organik yang lebih kecil. Klorin, alkali, logam, hidrogen, oksigen, dan oksidator kuat seperti KMnO₄, F₂, dan Cu₂O dibuat dengan cara ini. Proses elektroorganik skala komersial atau berpotensi komersial tercantum dalam Tabel di bawah yang menyiratkan bahwa banyak penelitian sedang dilakukan di pabrik percontohan dan mungkin akan berjalan dalam waktu dekat.

Tabel daftar produk electroorganik synthesis yang ada di industri. Sumber: Buku Chemical Process Equipment: Selection and Design (1990)

Skema Elektrolisis

Elektrolisis adalah proses perubahan kimia akibat elektron mentransfer reaksi melintasi permukaan elektroda/larutan. Tegangan listrik diterapkan antara dua elektroda di sel elektrolit untuk memicu reaksi ini.

Mengacu pada gambar di atas, bahan baku proses elektrolisis diatas adalah air garam NaCl yang diumpankan ke ruang anolit antara anoda dan membran kation permeabel (garis putus-putus pada gambar). Ion klorida (CL^–) dioksidasi menjadi gas klorin (CL²) pada permukaan anoda dan air (H₂O) direduksi menjadi gas hidrogen dan ion hidroksida (OH^–) di katoda. Untuk menjaga keseimbangan beban, migrasi ion harus terjadi, dan membrannya dirancang untuk memfilter Na⁺ supaya masuk dari anolit ke katolit. Sebagai hasilnya, natrium hidroksida (NaOH) terbentuk di ruang katolit. Untuk menjaga keseimbangan muatan, laju transfer elektron pada kedua elektroda harus sama. Oleh karena itu setiap mol klorin yang terbentuk, dua mol NaOH juga harus diproduksi. Selain itu, dapat dilihat bahwa laju perubahan kimia adalah sebanding dengan arus sel dan jumlah total produk dihitung dari beban yang diatur dalam Hukum Faraday.

Contoh Aplikasi Elektrolisis Pada Industri

Pembuatan Aluminium

2AL₂O₃+ 3C → 4Al + 3CO₂ (Arus DC)

Satu elektroda di dalam sel terbuat dari karbon dan bekerja pada proses suhu tinggi. Pertimbangan yang mempengaruhi efisiensi sel elektrolisis dan penghematan konsumsi adalah suhu, jarak antara elektroda, bahan elektroda, konsumsi elektrolit, ukuran sel, sumber bahan baku, dan tingkat produksi. Jelas, keterampilan teknik diperlukan untuk memahami elektrolisis dan mencapai produksi yang optimal.

Penghilangan Nitrat dalam Air untuk Air Minum

Perkembangan besar dalam dua puluh tahun terakhir telah diperkenalkannya pabrik elektrodialisis skala besar untuk produksi air minum. Ini bisa menjadi industri besar yang menghasilkan beberapa ribu meter kubik air berkualitas per hari dari bahan baku payau dan puluhan ribu meter persegi membran dengan hingga 500 membran berpasangan pada setiap unit sel.

Perkembangan lebih lanjut yang menarik adalah membran dengan beberapa selektivitas transportasi ion. Salah satu membran tersebut adalah Neosepta ACS (Tokuyama Corp.) yang memberikan selektivitas untuk NO₃^– sehubungan dengan SO₄^2-. Eurodia Industrie S.A. telah mempekerjakan membran ini dalam unitnya untuk menghilangkan nitrat dari air minum (nitrat dalam air minum adalah masalah yang semakin meningkat, terutama dalam Eropa). Eurodia Industrie juga berusaha meningkatkan desain komponen sel dan telah mengoptimalkan desain ke dalam tumpukan elektrodialisis untuk 5 pabrik komersial di seluruh Eropa. Hal ini menghasilkan 250 – 4000 m³ olahan air per hari dan mengandung 200 – 4000 m² membran, biasanya dalam 2 – 4 tumpukan. Biasanya, mereka mengurangi tingkat nitrat dari 100 – 150 ppm hingga 10 – 30 ppm. Berdasarkan tumpukan elektrodialisis EUR 20, biaya investasi bervariasi antara $150 – 300 m-3 per hari tergantung tanaman ukuran (500 – 4000 m3 air olahan per hari) dan fraksi nitrat dihilangkan (0,65 – 0,85). Total biaya operasi, termasuk penggantian membran dan konsumsi daya listrik, terletak pada kisaran $0,05 – 0,10 m^-3.

Pembuatan Antibiotik Cephalosporin

Skema elektrolisis Cephalosporin. Sumber: https://electrosynthesis.com/wp-content/uploads/2015/11/guide-to-electrochemical-technology.pdf

Proses ini memiliki katoda dibuat dengan mengelas mesh Sn yang diperluas ke kedua sisi pelat Sn, luas katoda sebesar 0,42 m². Unit ini memiliki membran pertukaran kation perfluorinated stabil DuPont dan anoda titanium berlapis katalis cocok untuk evolusi O₂ ditempatkan di kedua sisi katoda. Sirkuit aliran didasarkan pada satu anolit fiberglass 100 galon (0,5 Tangki M H₂SO₄), polietilen 30 galon tangki katolit, heat exchanger, dan pendingin sirkulasi. Sistem yang digunakan 1000 A power supply dan sejumlah perangkat dan sensor keamanan untuk shutdown otomatis jika terjadi malfungsi proses. Pabrik percontohan dioperasikan secara batch tetapi tanpa pengawasan selama elektrolisis; setiap batch dikonversi ~ 3 kg bahan awal. Dengan kerapatan arus 1,2 – 2,0 kA m-2, waktu batch adalah 10 – 12 jam; konversi adalah 99% dan bahan kimia hasil ~ 95%. Perkembangan proses dari awal skala laboratorium sampai selesai uji coba pabrik percontohan memakan waktu 20 bulan.

Penyepuhan Logam

Agar produk logam terhindar dari korosi biasanya dilapisi dengan lapisan tipis logam lain yang lebih tahan korosi dan mengkilat. Salah satu cara melapisinya adalah dengan elektrolisis. Benda yang akan dilapisi dipasang sebagai katoda dan potongan logam penyepuh dipasang sebagai anoda yang dibenamkan dalam larutan elektrolit dari logam penyepuh dan dihubungkan dengan sumber arus listrik DC.

Pelapisan garpu dengan logam perak. Sumber: https://www.nafiun.com/2013/07/aplikasi-kegunaan-sel-elektrolisis-dalam-kehidupan-sehari-hari.html

Proses elektrolis di atas sangat berkaitan dengan aliran fluida. Analisis tentang fluida perlu dirancang pada proses ini. Metode analisis yang sering digunakan adalah metode Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD adalah metode menyelesaikan persamaan-persamaan mekanika fluida bahkan reaksi kimia pada elektrolisis yang ada menggunakan komputer, sehingga diperoleh hasil yang komprehensif dan detail. >> Klik di sini untuk menggunakan jasa simulasi CFD kami!