elektrolyse

Elektrolyse skjer ved å bruke to elektroder, en katode og en anode, hvor henholdsvis reduksjons- og oksidasjonsreaksjoner foregår. I industriell sammenheng benyttes mange elektrolyseceller som kobles sammen slik at den samme strømmen passerer gjennom alle elektrodene. Elektrolysecellene kobles i serie, og elektrodene i hver elektrolysecelle kobles i parallell.

Elektrolytten kan være basert på vann eller saltsmelte, og i noen tilfeller kan organisk elektrolytt brukes. Rent vann er ingen god elektrolytt da innholdet av ioner er svært lavt slik at elektrisk ledningsevne er dårlig. Vann har imidlertid høy løselighet av salter og andre forbindelser. I praksis benyttes enten vandig elektrolytt eller saltsmelteelektrolytt. Sistnevnte har høyere ledningsevne siden ionekonsentrasjonen er mye større.

Graden av omsetning av stoffer som reagerer og utskilles ved elektrodene er avhengig av flere faktorer. Den teoretiske mengden som produseres og reagerer ved elektrodene kan beregnes ved hjelp av Faradays lov. Imidlertid vil den faktiske omsetningen være lavere. Årsaker til lavere omsetning er bireaksjoner som hydrogenutvikling i vandig elektrolytt eller oppløsning av metaller og reaksjon med anodeprodukt i salsmelteelektrolytt.

Mengden som omsettes ved elektrodene er proporsjonal med ladningen (produktet av strøm og elektrolysetid) som sendes gjennom elektrodene. Forholdet mellom oppnådd mengde omsatt ved en elektrode og teoretisk mengde omsatt er et mål på effektiviteten og betegnes strømutbyttet. Strømutbyttet bør være godt over 90 prosent for at prosessen skal være konkurransedyktig.

Energiforbruket er den viktigste parameteren for en elektrolyseprosess. For produksjon av metaller ved elektrolyse varierer energiforbruket fra ca. 3,5 kWh/kg for sink til ca. 12 kWh/kg for aluminium. En stor del av energiforbruket er knyttet til spenningstap i elektrolytten mellom elektrodene.

Energiutbyttet, som er et mål på hvor effektivt elektrisk energi blir brukt i prosessen, er imidlertid ca. 50–60 prosent for metallproduksjon ved elektrolyse. Dette betyr at nesten halvparten av tilført energi blir omsatt til varme. Det jobbes med muligheter for å utnytte denne «spillvarmen» til for eksempel oppvarming av vann og bolighus.

Elektrolyse er spesielt viktig i forbindelse med primærproduksjon av metaller. For mange metaller er det ulike produksjonsmetoder som kan være aktuelle for industrielle prosesser. Elektrolyse som bruker elektrisitet som største innsatsfaktor konkurrerer med metallurgiske prosesser som baseres på bruk av et reduksjonsmiddel hvor karbon er det mest vanlige.

Elektrolyse har noen fordeler, som for eksempel høy renhet av produkter og lave utslipp av forurensinger. Ulemper er blant annet svært stor bruk av areal og store utslipp av CO₂ dersom kull brukes som kilde til generering av elektrisitet. Karbotermisk reduksjon gir i utgangspunktet svært høye direkte utslipp av CO₂, men med lavere forbruk av elektrisk energi.

Klor/alkali-elektrolyse er verdens største elektrolyseprosess hvor produktene klorgass og natriumhydroksid (NaOH) eller natronlut blir produsert i en elektrolytt med natriumklorid oppløst i vann. Årsproduksjonen er 62 millioner tonn klorgass og 58 millioner tonn natriumhydroksid.

Klorgass er svært reaktiv og giftig. Den brukes til desinfisering av vann og produksjon av PVC. I tillegg brukes klor til syntese av organiske forbindelser som benyttes til framstilling av blant annet medisiner.

Natriumhydroksid løses lett i vann og danner natronlut som er svært basisk og sterkt etsende. Den brukes til rensing av tilstoppede rør og i framstilling av aluminiumoksid fra bauxitt som er råstoff for produksjon av aluminium.

I Norge er det fabrikker for klor/alkali-elektrolyse ved INEOS Rafnes AS og AS Borregård Sarpsborg.

Katoden er av stål og forbrukes ikke under hydrogenutvikling. Anoden var tidligere karbon i form av grafitt. Men en bedre anode er utviklet og brukes i denne industrien i dag. Den er basert på titan med et belegg av titanoksid og rutenoksid, og denne anoden kalles DSA (dimensjonsstabil anode), det vil si at den ikke forbrukes under klorutvikling slik at den ikke endrer geometri og den har veldig lang brukstid. DSA-anoden virker også katalytisk for klorutviklingsreaksjonen slik at oksygenutvikling skjer i svært liten grad.

På grunn av hydrogenutvikling på katoden, vil elektrolytten bli mer basisk under elektrolyse. Derfor er det nødvendig å bruke en skillevegg eller en membran for å unngå at elektrolytten ved anoden blir mer basisk slik at klorgass blir hovedproduktet på anoden. I en mer basisk løsning vil klorgass reagere med elektrolytten og danne oppløselige klorforbindelser. I katoderommet vil konsentrasjonen av natriumhydroksid øke under elektrolyse, og natriumhydroksid i fast form blir produsert ved å ta ut elektrolytt som varmes opp slik at vannet fordamper. Elektrodereaksjonene og totalreaksjonen er som følger:

Katode: \(\ce{H2O + e^{-} -> \frac 12 H2 + OH^{-}}\)

Anode: \(\ce{Cl^{-} -> \frac 12 Cl2 + e^{-}}\)

Totalreaksjon: \(\ce{NaCl + H2O -> NaOH + \frac 12 H2 + \frac 12 Cl2}\)

• elektrisk strøm
• elektrolytter
• elektron
• kjemisk reaksjon