Prozessintensivierung elektrochemischer Reaktionssysteme mittels einer magnetisch stabilisierten Wirbelbettelektrode
Creators: name: Tschöpe, André
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Wirbelbettelektrode
Partikelelektrode
Elektrochemisches Reaktionssystem
Magnetisch stabilisierte Wirbelbettelektrode
Fluidized-bed electrode

description: Die Maximierung des Verhältnisses zwischen Elektrodenoberfläche und Lösungsvolumen ermöglicht hohe Umsatzraten in elektrochemischen Prozessen. Der Einsatz von Festbettelektroden und Wirbelbettelektroden aus feinen leitfähigen Partikeln bietet hohe spezifische Oberflächen und vergrößert die verfügbare Elektrodenoberfläche des Reaktionssystems. Für den Fall, dass in elektrochemischen Prozessen Feststoffsuspensionen verwendet werden, neigen Festbettelektroden jedoch zur Verblockung. Wirbelbettelektroden können dagegen in Anwesenheit von Feststoffsuspensionen eine Verblockung des Systems vermeiden, da die Feststoffpartikel das Wirbelbett frei passieren können. Des Weiteren zeigen Wirbelbettelektroden Vorteile in elektrochemischen Prozessen durch niedrige Druckverluste, eine verbesserte Wärmetransporteffizienz und die dadurch resultierende gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Reaktionssystems. Allerdings haben Wirbelbettelektroden Schwierigkeiten mit der Kontaktierung der Elektrodenpartikel untereinander sowie zwischen der Stromquelle und der Partikelelektrode. Ziel der vorliegenden Dissertation war es, erstmals ein Reaktorsystem zu entwickeln, welches ein magnetisch stabilisiertes Wirbelbett mit einer elektrochemischen Wirbelbettelektrode kombiniert, um die Bewegungen der Elektrodenpartikel zu kontrollieren und die Kontaktierung der Partikel zu verbessern. Das Reaktorsystem wurde für den Labormaßstab konzipiert und konnte an ein Pump- und online Detektionssystem angeschlossen werden, dass eine unabhängige Kontrolle der Volumenströme in zwei getrennten Elektrodenräumen ermöglichte. Das Magnetfeld zur Überlagerung der Wirbelbettelektrode sollte mit einer externen Elektrospule generiert werden. Die Charakterisierung des Reaktorsystems sollte eine umfassende Grundlagenuntersuchung sowie die Untersuchung der Toleranz gegenüber Feststoffsuspensionen innerhalb von Reaktionslösungen beinhalten. Die Konzeptionierung des elektrochemischen Reaktorsystems wurde anhand der hydrodynamischen, elektrochemischen und magnetischen Eigenschaften der Elektrodenpartikel durchgeführt und fortlaufend optimiert. Dies führte schließlich zu einem elektrochemischen Reaktoraufbau, welcher aus zwei Elektrodenkammern bestand und die Elektrodenoberflächenvergrößerung für den elektrochemischen Reaktionsprozess in der Arbeitselektrodenkammer zuließ. Zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit der Wirbelbettelektrode wurde ein zweites Reaktorsystem auf Grundlage des ersten Systems konzipiert. Die elektrochemischen Reaktorsysteme wurden umfassend charakterisiert. Die Stärke der erzeugten Magnetfelder wurden mittels Simulation und Feldstärkemessungen bestimmt. Je nach Betriebsmodus konnte mit der Elektrospule eine magnetische Flussdichte von bis zu 30 mT innerhalb der Arbeitselektrodenkammer erzeugt werden, um die magnetischen Elektrodenpartikel zu beeinflussen. Die Elektrodenpartikel bestanden aus Magnetit, Aktivkohle sowie Carbon Black und hatten eine mittlere volumetrische Partikelgröße von 175 µm. Die umfangreiche Charakterisierung ergab, dass die magnetische Stabilisierung der Wirbelbettelektrode die Kontaktierung der Elektrodenpartikel stark verbessert und die Raum-Zeit Ausbeute des elektrochemischen Reaktionsprozesses optimiert. Der Grad der Verbesserung ist dabei von verschiedenen Parametern abhängig, wie der Stärke des Magnetfeldes, der Expansion des Wirbelbettes und den Elektrodenpartikeleigenschaften. In den experimentellen Versuchsreihen konnte gezeigt werden, dass durch die Anwendung eines Magnetfeldes mit einer moderaten Stärke von 20 mT die wirksame Elektrodenoberfläche des Reaktors um bis zu 400% vergrößert wurde. Hierdurch konnte bei einer Flussrate von 1 mL/min und einer Konzentration der Reaktionslösung von 3 mM eine nahezu vollständige Umsetzung des kontinuierlich zugeführte Reaktanten erreicht werden. Im Flussratenbereich von 2 bis 4 mL/min konnte durch die Erhöhung des Magnetfeldes von 20 auf 30 mT eine zusätzliche Erhöhung der elektrochemischen Umsetzung ermöglicht werden. Jedoch verdeutlichten die Ergebnisse auch, dass nur maximal 10% der geometrischen Gesamtelektrodenoberfläche an der elektrochemischen Umsetzung teilnimmt. Der aktive Bereich der Elektrodenoberfläche befand sich bei allen Versuchsdurchführungen in der Nähe der Kontaktierung durch die Stromquelle. Einen weiteren Einblick in das Verhalten des Ladungstransportes bzw. des elektrischen Widerstandes der Wirbelbettelektrode ergaben die Leitfähigkeitsuntersuchungen. Hier zeigte sich, dass der magnetische Einfluss auf den elektrischen Gesamtwiderstand der Wirbelbettelektrode einen geringen Effekt hat und den Widerstand um nur einen Wert von bis zu 15% reduzieren kann. In der Nähe der Stromquelle konnte dagegen die magnetische Überlagerung der Wirbelbettelektrode den leitfähigen Partikel-Partikel Kontakt, welcher auf die Kettung der Elektrodenpartikel entlang der Magnetfeldlinien zurückzuführen ist, um 49% verbessern. Eine noch ausgeprägtere Wirkung zeigte der magnetische Einfluss auf die scheinbare elektrische Kapazität der Elektrodenpartikel in der Nähe der Stromquelle. Die elektrische Kapazität korreliert mit der Anzahl der Partikel, welche effektiv mit der Stromquelle kontaktiert sind und zeigt unter dem Einfluss eines Magnetfeldes eine Erhöhung von bis zu 400%. Des Weiteren wurde in dieser Dissertation erstmals die Toleranz einer Wirbelbettelektrode gegenüber suspendierten, nichtleitenden Feststoffpartikeln untersucht. Ein möglicher Anwendungsfall kann sich in elektrobiotechnologischen Prozessen finden, da hier elektrochemische Reaktionen im Beisein hoher Zellkonzentrationen durchgeführt werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die suspendierten Feststoffpartikel mit einer mittleren volumetrischen Partikelgröße von 8,5 µm frei durch das Wirbelbett passieren konnten, ohne eine Verblockung des Systems zu verursachen. Auf die elektrochemische Umsetzung zeigten die nichtleitenden Feststoffpartikel jedoch einen negativen Effekt. Auch die magnetische Überlagerung konnte den Grad der ursprünglichen elektrochemischen Umsetzung nicht wiederherstellen. So wurde bei einer Magnetfeldstärke von 20 mT, einer Flussrate von 1 mL/min und einer Konzentration der Reaktionslösung von 3 mM die elektrochemische Umsetzung in Anwesenheit einer Feststoffkonzentration von 1 g/L von 92% auf 56% reduziert. Bei höheren Feststoffkonzentrationen nahm der negative Effekt jedoch nur mäßig zu. Trotz des reduzierten Wirkungsgrades der Wirbelbettelektrode in Anwesenheit von nichtleitenden, suspendierten Feststoffen, konnte somit die elektrochemische Modellreaktion erfolgreich durchgeführt werden. Das in dieser Arbeit entwickelte und charakterisierte Reaktorsystem besitzt gegenüber dem Stand der Technik einer konventionellen Wirbelbettelektrode verschiedene Vorteile. Durch die Kombination der Technik eines magnetisch stabilisierten Wirbelbettes mit einer elektrochemischen Wirbelbettelektrode kann die Fluidisierung der Wirbelbettelektrode kontrolliert und eine Verbesserung der Elektrodenpartikelkontaktierung ermöglicht werden. Letztendlich kann die magnetische Überlagerung der Wirbelbettelektrode zu einer Verbesserung der Raum-Zeit Ausbeute eines elektrochemischen Prozesses führen. Ferner konnte anhand der Ergebnisse gezeigt werden, dass magnetisch stabilisierte Wirbelbettelektroden eine vielversprechende Prozesstechnik für elektrochemische Reaktionen in Anwesenheit höherer Konzentrationen nichtleitender Feststoffe darstellen.