Özel elektroliz hücreleri (I. BÖLÜM ) Büyük veya Büyültülmüş Elektrot Yüzeyli Elektroliz Hücreleri Gökhan orhan ve Mesut emre



Yüklə 44,72 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix22.05.2018
ölçüsü44,72 Kb.
#45557


 

1

ÖZEL ELEKTROLİZ HÜCRELERİ (I. BÖLÜM ) 



Büyük veya Büyültülmüş Elektrot Yüzeyli Elektroliz Hücreleri 

Gökhan ORHAN ve Mesut EMRE 

İTÜ Kimya-Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 

34469 Maslak 

ÖZET 

Düşük miktarlarda ağır metal iyonu içeren atıksular, başta metalurji olmak üzere bir çok sanayi 

kolunda ortaya çıkmaktadır. Bu çözeltiler ya proses içerisinde çevrilmeli yada metal iyon 

konsantrasyonları çevre standartlarca belirlenmiş belli sınır değerlere düşürüldükten sonra alıcı 

ortama verilmelidir. Bu çözeltileri işleme yöntemlerinden biride elektrolizdir. Ancak bu tip 

(düşük konsantrasyonlu) çözeltiler, klasik elektroliz hücrelerinde değil hacim – zaman verimleri 

klasik hücrelere göre çok yüksek olan özel elektroliz hücrelerinde işlenirler. Bu hücrelerin 

dizaynı, düşük konsantrasyonlu çözeltilerin elektrolizini mümkün kılacak elektrokimyasal, 

kinetik ve hidrodinamik şartlar göz önüne alınarak yapılmıştır. 

Bu çalışmada özel hücreler içinde önemli uygulama alanı bulmuş büyük veya büyültülmüş 

elektrot yüzeyli elektroliz hücreleri geniş bir perspektifte tanıtılmıştır. 

Anahtar Kelimeler : Demetalizasyon elektrolizi, hacim zaman verimi, özel elektroliz hücreleri   

SPECIAL ELECTROLYSIS CELLS (Part I) 

Electrolysis Cells with extended electrode surfaces 

SUMMARY 

Wastewater streams containing heavy metal ions in low concentrations emerge in many branches 

of the industry, principally in metallurgy. These effluents must either be recycled within the 

process or be discarded to the receiving medium after decreasing their metal ion contents to 

acceptable levels set forth by the environmental regulations and/or standards. Electrolysis is one 

of the methods applied for the treatment of these types of industrial effluents. However, effluents 




 

2

with low metal ion concentrations must be treated in special electrolysis cells with very high 



volume-time efficiencies, contrary to the classical electrolysis cells. These special cells are 

designed by considering the electrochemical, kinetics, and hydrodynamic conditions as such that 

they can handle the electrolysis of solutions with low ion concentrations. These special cells with 

extended electrode surfaces are defined in this study from a wide perspective. 



Keywords: De-metallization electrolysis, volume-time efficiency, special electrolysis cells 

1. GİRİŞ 

Bir veya birden fazla türden metal iyonu içeren seyreltik çözeltiler, gerek zorunlu proses atıkları 

(Kaplama Endüstrisi) gerekse düşük tenörlü cevherlerden elde edilen elektrolitler şeklinde ortaya 

çıkarlar. Bu özelliğe sahip çözeltilerin kimyasal ve/veya metalurjik yollarla işlenmesi genelde şu 

amaca yöneliktir: 

Çevre kirliliğine yol açmayacak nitelikte atılabilir artık üretmek ve demetalize edilmiş çözeltiyi 

kullanabilir su durumunda sisteme geri döndürerek işlem maliyetlerini karşılamak, kirliliğe yol 

açan iyonları redükleyerek rafine edilebilir yada doğrudan satılabilir metale dönüştürmek.  

Kaplama endüstrisi, metalurjik alanda ağır metal iyonu ile kirletilmiş atık çözeltinin oluştuğu en 

önemli sektörlerden biridir. Elektroliz, bu tip ağır metal iyonu içeren düşük konsantrasyonlu 

çözeltilerin işlenmesinde kullanılan en etkin yöntemlerden biridir. Ancak arıtım amaçlı 

gerçekleştirilen demetalizasyon elektrolizi klasik elektrolize göre gerek temel prensipler gerekse 

uygulama yönünden farklılıklar gösterir.  

Günümüzde artan kaplama üretim hızına paralel olarak atıksu işleme hızlarıda artmalıdır. Bir 

elektroliz sisteminde yüksek hızda metal toplanması, ancak elektrolitin ve elektroliz hücresininin 

bu amaca uygun modifiye edilmesiyle mümkündür. Düşük konsantrasyonlu çözeltilerin miktarı, 

primer üretim tesislerinin çözelti miktarıyla (plant volume) karşılaştırıldığında çok düşüktür, 

başka bir deyişle klasik bir elektrolizhanede ancak birkaç küvü dolduracak kadardır. Bu tür 



 

3

çözeltilerin alışılagelmiş plaka katotlu hücrelerde demetalize edilme süresi, tekno-ekonomik 



açıdan anlamını yitirecek kadar uzundur. Bu nedenle demetalizasyon elektrolizinin 

gerçekleştirilmesi bu amaçla dizayn edilmiş özel hücrelerde gerçekleştirilir.  



2. ÖZEL ELEKTROLİZ HÜCRELERİ 

Düşük konsantrasyonlu çözeltilerin elektrokimyasal olarak işlenmesinde kullanılacak hücreler 

yüksek hacim-zaman verimine sahip olmalıdır. Yine bu hücrelerden, yüksek akım 

yoğunluklarındaki çalışma  şartlarında ekonomik olarak kabul edilebilir akım verimlerine 

ulaşabilmesi istenir. Klasik elektroliz hücreleri, düşük konsantrasyonlu çözeltilerin 

demetalizasyon elektrolizi için gerekli olan bu talepleri karşılayamaz. Bu nedenlerle düşük 

konsantrasyonlu çözeltilerin elektrokimyasal işlenmesinde teknolojik çözüm; “egzotik hücreler” 

olarak tanımlanan özel elektroliz düzeneklerinde bulunmuştur. Elektroliz süresini kısaltmanın 

yani elektroliz akımını ve hacim-zaman verimini yükseltmenin başlıca iki yolu vardır [1,2,3]: 

1-  Elektrot yüzeyini büyültmek (böylece akım yoğunluğunu yükseltmeksizin akım şiddetini, 

dolayısıyla birim zamanda ayrışan madde miktarını arttırmak) 



2-  Elektrot/elektrolit bağıl hareketini yani konveksiyonu arttırmak (böylece difüzyon 

tabakasını inceltip, difüzyon yolunu kısaltmak). 

Özel elektroliz hücreleri işte bu iki temel kriterden en az birine sahip olmalıdır. 

2.1. Büyük veya Büyültülmüş Elektrot Yüzeyli Elektroliz Hücreleri 

Yüksek elektroliz akımında çalışabilmek amacıyla yukarıda belirtilen birinci seçeneğin ağırlıklı 

olarak uygulandığı en tipik düzenekler Swiss-Roll Cell ve yığma partikül katotlu hücrelerdir. 

2.1.1. Swiss-Roll Cell 

Zorlanmış konveksiyona sahip hareketli elektrolitlerde enerji tüketiminin elektrot mesafesinin 

küçülmesi ile azalacağı prensibine göre N.Ibl ve P.M. Robertson tarafından geliştirilen Swiss 

Rolle hücresi (Şekil 1) prensip olarak plakaları üst üste sarılmış bir sargı kondansatörüne 




 

4

benzemektedir. Katotla anot yapraklarının birbirine değmemesi için anot sargısı naylon elyaftan 



dokunmuş  şeritlerle çift taraflı sarılmıştır. Bu izolatörler aynı zamanda hücre içinde elektrolit 

akımının türbülansını yükseltir. İşlenecek çözelti, pompalarla sarınımın bir ucundan diğer ucuna 

doğru pompalanır. Hücrenin metal üretim kapasitesi, elektroliz akımı düşük olmasına rağmen 

katot yüzeyinin küçük hacim içindeki olağanüstü büyüklüğünden dolayı hayli yüksektir. 

Elektroliz teknolojisinde yaygın olarak bu hücrelerin kullanılmamasının temel nedeni bu 

hücrelerde başlangıç konsantrasyonunun 100 ppm altında olması zorunluluğudur. Aksi takdirde 

anot-katot mesafesinin çok az olmasından dolayı katot yüzeyinde metal toplanacak fazla yer 

olmadığından katot kalınlığı tolere edilebilecek sınırların üstüne çıkar ve hücre şişer. Bu 

hücrelerde ikinci sorun toplanan metalin dışarı alınmasıdır. Bu işlem anot plakasının iki 

yanındaki izolasyon sargılarının türüne göre değişir. Naylon elyaf bez kullanıldığında katotta 

toplanan metal az miktardaki konsantre nitrik asit çözeltisi ile yıkanarak kimyasal çözme ile 

dışarı alınır.  İzolasyon sargıları iyon selektif membrandan yapılırsa katot metal elektrokimyasal 

olarak geri çözülüp, kompresörle dışarı alındıktan sonra klasik elektrolize elverişli konsantre 

bakır sülfat çözeltisi elde edilir [4,5,6,7]. Bu elektroliz hücresinin önemli işletme zorluklarından 

biride, hücre sarımlarından geçen yüksek basınçlı çözeltiye karşı anot reaksiyonu sonucu 

meydana gelmesi gereken oksijenin oluşma güçlüğüdür [3].  

Yapı olarak Swiss-Roll hücresine çok benzeyen ESE (extended surface electrolyses) hücresinde 

plaka elektrot yerine ağ/elek şeklinde elektrotlar kullanılır. Bu hücreden endüstriyel boyutta bakır 

iyonu içeren atıksuların temizlenmesinde yararlanılmaktadır. ücrenin katodu paslanmaz 

çeliktendir ve katot ile elek formundaki anot birbirlerinden mekanik diyaframla ayrılmışlardır. 

Elektrolit  Swiss-Roll hücresindeki gibi düşeyde değil yatayda hareket eder [6].  



 

5

 



Şekil 1.  Swiss Rolle Hücresinin Şematik Yapısı [7,8] 

2.1.2 Yığma partikül katotlu hücreler 

Partikül katotlu hücrelerde elektroliz akımı elektrot yüzeyi ile doğru orantılıdır. Hücrede aktif 

yüzey alanı çok büyük olacağından bu tip elektrotlara sahip hücreler özellikle düşük 

konsantrasyonlu çözeltilerin elektrolizinde büyük önem taşır. Katot yığınını oluşturan partiküller 

elektrik iletkenliği iyi, bipolar etki göstermeyen aksine pratikte potansiyelleri sabit taneciklerdir. 

Eğer katot görevi gören bu partiküller (katot yığını) hareketli değilse sabit yatak olarak 

tanımlanırlar ve bu tip katoda sahip hücrelere de sabit yataklı hücreler denir. Çok farklı tiplere 

sahip olan sabit yataklı hücrelerin en ilkelinde, katot partikül yığını ile anot birbirinden mekanik 

diyafram veya iyon selektif membran ile ayrılmıştır.  Şekil 2’de silindirik kesitli bir sabit yatak 

hücresi görülmektedir. Kurşun bilya yığını ile anodun kısa devre teması delikli bir kapsül ile 

önlenmektedir. Hücrenin altından giren çözelti fakirleşerek üst taraftan dışarı  çıkmaktadır 

[8,9,10]. Partikül katotlu elektroliz hücresinde düzgün ve tanımlı bir katot alanı olmadığından 

akım yoğunluğundan çok akım miktarından söz edilir. Örneğin; Şekil 2 de verilen partikül katotlu 

sabit yatak hücresinde 2.3 mm çapındaki kurşun bilyaler katot olarak kullanılmıştır ve elektroliz 




 

6

akımı 7 amperdir. Bu tip hücrelerde en önemli problem, homojen bir akım yoğunluğunu tüm 



partikül yüzeyinde sağlayabilmektir. Bunun için partikül katod yığını içerisine çeşitli yönlerden 

ve noktalardan çok sayıda katod barası sokulur ve akım tüm katod yüzeyi boyunca homojenize 

edilir.  

 

 

Şekil 2. Partikül Katotlu Sabit Yatak Hücresi [10] 

Partikül katotlu sabit yatak hücrelerinin teknolojik uygulama yolundaki en büyük engeli, bu 

hücrelerdeki yatak yüksekliğinin sınırlı kalmak zorunda olmasıdır. Sabit yataklarda akım 

yoğunluğu dağılımı yüzeyden içlere doğru azalma gösterir. Ancak çözeltideki iyon 

konsantrasyonunun düşmesi ve iletkenliğin artması, etkin yatak yüksekliğinin artmasını 

sağlayabilmektedir. Bu nedenle; 10 cm veya altında olması gereken yatak yüksekliği-çözeltinin 

elektroliz süresince azalan konsantrasyonunu da dikkate alarak – arttırabilmek için Şekil 3 de 

verilen hücre tipi geliştirilmiştir. Karbon partikül yığının katot olarak görev yaptığı bu hücrede, 

katot yüksekliği aşağıdan yukarıya doğru grafit anot boyunca artmaktadır. Hücrenin altından içeri 

pompalanan çözelti sabit kesit alanından sabit ortalama debi ile yukarıya doğru yükselirken 

elektrolit metal konsantrasyonu azalır ve asit konsantrasyonu artar. Bunun sonucu olarak akım 



 

7

yoğunluğu dağılım özelliği iyileşmekte ve daha büyük katot yığın yükseklikleri tolere edilebilir 



hale gelmektedir. Bu hücrede kullanılan karbon partikül alüminyum elektrolizinde kullanılan 

Soderberg tipi elektrodun ufalanmış parçalarıdır. Elektroliz sonrası yüklenen bu karbon 

partiküller hücre dışına alınarak bir potada yakılırlar. Oluşan kül curuflaştırılırken, metal pota 

dibinde birikir [3].   



 

 

Şekil 3. Partikül Katotlu Sabit Yatak Hücresi [10] 

İyon selektif membran kullanılan ilginç bir sabit yatak hücreside (Şekil 4) hem katot hem de anot 

partikül yığınından oluşmaktadır. Bu tür hücrelerde işlenen çözelti (katolit) anolite göre çok daha 

büyük debilerle (100:1 oranında)  pompalanmakta ve katot odasında toplanan metal daha sonra 

kutupların ters bağlanmasıyla küçük miktardaki anolit çözeltisi içinde elektrokimyasal olarak 

çözünerek konsantre elektrolit oluşturmaktadır.  İyon selektif membran, çözeltilerin birbirine 

karışmasını önlediği gibi, ters bağlama sırasında (eski katottan yani yeni anottan) çözünen 

metalin (yeni katotta yani eski anotta) yeniden toplanmasını da engeller [10].  




 

8

 



 

 

Şekil 4. İyon Selektif Membranlı Sabit Yatak Hücresi [10] 

2.1.3 Bipolar katotlu hücreler 

Bipolar hücreler hidrojen elektrolizi, klor-alkali elektrolizinde, hipoklorit ve klorat üretiminde 

kullanılmaktadır. Bu elektrokimyasal proseslerde gaz halindeki reaksiyon ürünlerinden dolayı 

açık değil kapalı elektroliz hücreleri kullanılır. 

Bipolar katotlu hücreler bakırın rafinasyon elektrolizinde de uzun yıllardan beri kullanılagelmiş 

bir hücre tipidir. Şekil 5’de şematik olarak verilen hücrede bipolar elektrotlar dikey olarak sabit 

anot ve katot arasında bir biri peşi sıra dizilmişlerdir. Bu basit sayılabilecek hücre iç dizaynında 

efektif elektrot yüzeyi ve işlenebilecek elektrolit hacmi artmıştır. Şayet bu bipolar elektrotlar iyi 

bir elektron iletimi sağlayamazlarsa hücre kısa devreye uğrar ve elektroliz durur. Bipolar elektrot 

olarak kullanılan partiküller yüksek elektrik iletkenliğine sahip olmalıdır. Aksi durumda beklenen 

bipolar etki görülmez.Ancak sulu çözeltilerin özelliklede bu tip hücrelerde işlenecek düşük metal 

ve düşük asit konsantrasyonuna sahip çözeltilerin elektrik iletkenliği kötü olduğundan grafit hatta 

magnetit gibi nispeten kötü iletken malzemeler bipolar elektrot olarak kullanılabilmektedir. 



 

9

 



Şekil 5. Bipolar Elektrotlu Açık Hücre [8, 9, 10] 

Bir hücre içerisinde; metalik iletken ve yalıtkan partiküller karıştırılıp anot ve katot arasında 

yerleştirilirse çok sayıda bipolar elektrot ve bunun sonucu olarakta büyük elektrot yüzeyi elde 

elde edilir. Şekil 6’da şematik olarak verilen bu hücrede yıkama sularından metal geri 

kazanımında kullanılmaktadır. İleten ve yalıtkan partiküller küre şeklindedir [10, 11].  

 

 



Şekil 6. Bipolar Elektrotlu Sabit Yatak Hücresi [7,10] 


 10

SONUÇ 

Bu bölümde; düşük konsantrasyonlu ağır metal iyonu içeren proses sularının demetalizasyon 

elektrolizinde kullanılan elektroliz hücre tiplerinden olan “Büyük veya Büyültülmüş Elektrot 

Yüzeyli Elektroliz Hücreleri” tanıtılmıştır. Akım yoğunluğunu yükseltmeksizin akım  şiddetinin 

arttığı bu hücrelerde bu sayede birim zamanda ayrışan madde miktarı artmaktadır. Bu temele 

dayanarak dizayn edilen ve endüstride kullanılan hücreler; Swiss Rolle, yığma partikül katotlu, 

bipolar katotlu hücreler ve bunların çeşitli modelleridir. Swiss Rolle hücresi işletilmesinde 

başlangıç metal konsantrasyonu 100 ppm üstünde olması durumunda problem yaşanır. Bu yüzden 

çok seyreltik çözeltilerin işlenmesinde kullanılır. Hücrenin spesifik enerji tüketimi 1.23 kWh/kg 

metal, enerji verimi ise 0.22’dir. Yığma partikül katotlu hücrelerin sabit ve hareketli olmak üzere 

iki temel modeli vardır. Bu hücre tipinin endüstride kullanılması daha çok hareketli partikül 

katotlu hücreler ile olmaktadır. Bipolar elektrotlu elektroliz hücrelerinin bipolar etki gösteren 

elektrotlara sahip farklı modelleri vardır.  

Bir sonraki çalışmada özel elektroliz hücrelerinden “Yüksek Konveksiyonlu Elektroliz Hücreleri” 

ile “Yüksek Konveksiyonlu ve  Büyük veya Büyültülmüş Elektrot Yüzeyli Elektroliz Hücreleri”  

tanıtılacaktır.  



 11

KAYNAKLAR 

[1]   Orhan  G.,  Galvanoteknik Endüstrisi Atık Çözeltilerinin Yüksek Konveksiyonlu Elektroliz 

Hücrelerinde Demetalizasyonu, Doktora Tezi, İTÜ Fen bilimleri Enstitüsü, Şubat 2001 

[2]  Friedrich, F. und Raub J., 1983. Die galvanische Metallabscheidung bei hohen 

Elektrolysegeschwindigkeiten (Teil 1), Metalloberfläche, 37, 153-156. 

[3] Duman, 

İ. Elektrod Prosesleri Yüksek Lisans Ders Notları, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü  

[4]  Kammel, R. und Lieber, H.W., 1978. Möglichkeiten zur Behandlung galvanischer 

Abwässer unter Vermeidung von Sonderabfällen, Teil 7: Metallrückgewinnung statt 

Schlammdeponie, Galvanotechnik, 69, 317-324. 

[5]  Graf, Hartinger, Lohmayer, Schwering, 1994. Abwassertechnik in der Produktion, WEKA 

Fachverlag, Augsburg 

[6]  Pletcher, D. and Walsh, F. C., 1993. Industrial Electrochemistry, Blackie Academic & 

Professional, Londra, Glasgow  

[7]  Scott, K., 1995. Electrochemical Processes for Clean Technology, The Royal Society of 

Chemistry, Cambridge. 

[8] Kreysa, G., 1981. Moderne Konzepte und Prozesse zur elektrochemischen 

Abwasserreinigung, Metalloberfläche, 35, 211-217. 

[9]  Jüttner, K., Galla, U. and Schmieder, H., 2000. Electrochemical approaches to enviromental 

problems in the process industry, Electrochimica Acta, 45, 2575-2594. 

[10] Kammel, R. und Lieber, H.W., 1978. Möglichkeiten zur Behandlung galvanischer 

Abwässer unter Vermeidung von Sonderabfällen, Teil 8: Metallrückgewinnung statt 

Schlammdeponie, Galvanotechnik, 69, 624-630. 

[11] Kammel, R. und Lieber, H.W., 1978. Möglichkeiten zur Behandlung galvanischer 

Abwässer unter Vermeidung von Sonderabfällen, Teil 9: Metallrückgewinnung statt 

Schlammdeponie, Galvanotechnik, 69, 687-696. 



 


Yüklə 44,72 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©www.genderi.org 2023
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə