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Die elektrochemische Zelle von RedElec Technology SA
Das Herz und somit die wahre Innovation der elektrochemischen Zelle, die von RedElec Technology SA entwickelt wurde, ist eine dreidimensionale Elektrode, die aus Kohlenstoffpartikeln besteht. Die Verwendung eines Teilchenbettes begünstig die Transformation, da die Kontaktoberfläche zwischen der dreidimensionalen Elektrode und dem Substrat signifikant höher ist als die, die mit einer herkömmlichen planaren Elektrode erreicht werden könnte.
Im besonderen Fall einer Reduktion eines unlöslichen Substrats wird dieser Kontakt durch Filtration der Suspension durch das Kohlenstoffbett gefördert.
Das verwendete kohlenstoffhaltige Material unterscheidet sich von den herkömmlichen Materialien, die sonst für die Elektroden einer elektrochemischen Zellen benutzt werden. Der Kohlenstoff wird so aktiviert, dass auf seiner Oberfläche ein Maximum an sauerstoffhaltigen Funktionen entstehen, welche eine Struktur wie bei Chinonen aufweisen. Durch die Zufuhr von Elektronen, die von der Stromquelle herstammen, können sie in Strukturen umgewandelt werden, die den Hydrochinonen ähneln. Letztere haben einen reduzierenden Charakter, der durch die Gabe neuer Elektronen ständig regeneriert wird. Sie können daher als vermittelnde Gruppen betrachtet werden, die immobil auf der Kohlenstoffoberfläche sind. Die folgende Abbildung stellt schematisch die Strukturen dar, die auf der Oberfläche des Kohlenstoffs entstehen sowie ihre Transformation durch Reduktion (Verbrauch von Elektronen) oder Oxidation (Freisetzung von Elektronen).
Durch Variation der an die Elektrode angelegten Spannung ist es möglich, das Redoxpotential von sauerstoffhaltigen Oberflächenfunktionen zu variieren und so den elektrochemischen Umwandlungsprozess sehr genau zu steuern. Die Möglichkeit dieser sauerstoffhaltigen Funktionen, direkt mit dem umzuwandelnden Substrat zu interagieren, erhöht zusätzlich die Selektivität bei der Transformation.
Das verwendete kohlensäurehaltige Material verfügt über eine große Stabilität, welche ermöglicht, die gleiche Verwendung über mehrere Betriebsmonate hinweg aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus sind die Kosten sehr gering, im Vergleich zu den herkömmlichen Elektrodenmaterialien, die üblicherweise für elektrochemische Prozesse verwendet werden. Diese Eigenschaften und das Verfahren, welches von RedElec Technology SA entwickelt wurde, ermöglichen es, sich abzuheben von anderen in der Industrie verfügbaren elektrochemischen Verfahren.
Die Struktur der elektrochemischen Zelle von RedElec Technologie SA ist unten schematisch dargestellt, wobei als Anwendungsbeispiel die Reduktion von Indigo genommen wird. Die Zelle ist in zwei Teile unterteilt: der Kathodenraum, in dem die Reduktionsreaktion stattfindet, und der Anodenraum, in dem eine Oxidationsreaktion durchgeführt wird. Die Unterteilungen bestehen beide aus einem Kunststoffrahmen und sind durch eine Membrane voneinander getrennt. Um die Neutralität der Ladungen zwischen den beiden Kompartimenten zu gewährleisten, ermöglicht diese Membrane den Durchgang von Ionen und verhindert gleichzeitig den Durchgang und die Vermischung der anderen Bestandteile des Katholyten und des Anolyten. Die Kathode besteht aus einem Bett aus Kohlenstoffpartikeln, die in Kontakt zu einer Stromquelle steht. Die Partikel werden im Inneren des Reaktors durch Gitter am Ein- und Ausgang der Kompartimente gehalten.
Die folgende Abbildung zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der von RedElec entwickelten elektrochemischen Zelle. Letztere besteht hauptsächlich aus zwei Edelstahlelektroden, zwischen denen zwei Polypropylenrahmen und eine Ionenaustauschmembrane gepresst sind.
Ein komplexes hydraulisches Verteilungssystem, das in die Rahmen integriert ist, sorgt für die Homogenität des Durchflusses in den Anoden- und Kathodenkompartimenten. Eine bedeutsame mechanische Entwicklung wurde instand gestellt, um diese Zelle unter dem Gesichtspunkt der Dichtigkeit völlig unabhängig zu machen.
Ein elektrochemischer Reaktor besteht in der Regel aus mehreren Zellen. Die Produktivität eines solchen Reaktors hängt von der Anzahl der elektrochemischen Zellen ab, aus denen er besteht. Die folgende Abbildung zeigt einen Reaktor, der aus fünf Zellen besteht, ein Fünf-Zellen-Reaktor. Eine Edelstahlschale beherbergt diese Zellen sowie das hydraulische Verteilungssystem. Je nach Bedarf des elektrochemischen Prozesses, kann der Durchfluss in Serie oder parallel auf jede Zelle verteilt werden.
Die Wartung dieses Systems wird durch die Tatsache, dass jede dieser Zellen mechanisch, elektrisch und hydraulisch unabhängig ist, erheblich erleichtert. Die Prüfung des möglichen Störelements erfordert daher keine vollständige Abschaltung des Systems und damit der gesamten Produktion.