Aenert. Research Laboratory news
وفي ضوء الطلب المتزايد على الطاقة وتغير المناخ، سيصبح تسخير الطاقة من مصادر الطاقة المختلفة ذا أهمية متزايدة. ومن بين هذه الطرق البديلة لإنتاج الطاقة، تبرز العمليات الكهروكيميائية مثل التحليل الكهربائي للماء، لأنها تعتمد على الكهرباء، وليس على المواد الكيميائية، من ناحية، ويمكنها، من ناحية أخرى، الاستجابة للتقلبات في إمدادات الطاقة عن طريق ربط العمليات الكهروكيميائية في في حالة زيادة الكهرباء أو إيقافها في حالة انقطاع الكهرباء. يعمل التحليل الكهربائي للماء على توليد الهيدروجين الذي يعد مصدرًا مرنًا للطاقة ويلعب دورًا مهمًا في أي سيناريو طاقة يدور حول تحول الطاقة.
الآن (2023), تقوم شركة Fraunhofer IMM ببناء مفاعلات كهروكيميائية دقيقة، تُعرف أيضًا باسم "خلايا التدفق"، والتي يمكن استخدامها في عمليات التخليق الأخضر مثل التخليق الكهربائي. تلعب المفاعلات دورًا مهمًا في تطوير وفحص عمليات التوليف المختلفة على نطاق المختبر بحيث يمكن بعد ذلك نقل التوليف إلى النطاق التجريبي. بالتعاون مع شركة hte GmbH ومقرها هايدلبرغ، قامت شركة Fraunhofer IMM بتطوير مفهوم معياري ومرن لخلية التدفق الكهروكيميائية التي تم استخدامها في مهام الفحص عالية الإنتاجية في التحفيز الكهربائي.
يطبق مفهوم المفاعل الأساسي تصميم كومة الألواح. تتكون الخلية الكهروكيميائية الواحدة من مجموعة من ألواح الأقطاب الكهربائية ومكونات أخرى. تتكون المكدس إما من خلية واحدة للتشغيل الفردي، أو من مجموعة من الخلايا التي يمكن تشغيلها بالتوازي أو بالتسلسل أو كليهما. يعتبر وضع التشغيل المتوازي مناسبًا بشكل خاص لمهام الفحص. وبالتالي، فإن دراسة تأثير مادة الغشاء على العملية الكهروكيميائية أمر سهل حيث يمكن تركيب أغشية مختلفة في كل خلية من الخلايا الكهروكيميائية الموجودة في المكدس، والتي تكون متماثلة بخلاف ذلك. ونتيجة لذلك، يمكن تحديد أفضل غشاء للعملية واستخدامه لهذه العملية. يسمح المفاعل بعدد كبير من الاختلافات في الخلايا، مما يعني أنه يمكن تعديل واختبار المواد الغشائية المختلفة والمحفزات الكهربائية، على سبيل المثال.
تم إنشاء نموذج أولي لوحدة الفحص الأولي مع أربع خلايا كهروكيميائية مرتبة بالتوازي ويخضع حاليًا للتحقق من الصحة. وفي حال نجاحه، يمكن توسيع هذا النموذج إلى 16 خلية متوازية. تتيح تكوينات المفاعل العديدة إمكانية تكييف منصة الفحص مع مجالات التطبيق المختلفة. على هذا النحو، يمكن أيضًا النظر في مهام أخرى بالإضافة إلى التحليل الكهربائي للمياه، مثل إنتاج المكونات الصيدلانية الفعالة أو تحلل النفايات في معالجة مياه الصرف الصحي.
لقد ظل العلماء يستكشفون وسائل مختلفة لإنتاج الهيدروجين الصديق للبيئة لعدة سنوات. في عام 2011، تم تطوير مفاعل كهروكيميائي صغير يمكن من خلاله إجراء التفاعلات الكهروكيميائية بالتدفق. كان له جسمان من الألومنيوم (قطر 50 ملم وارتفاع 25 ملم). تم تصنيع الأقطاب الكهربائية باستخدام لوحين من PTFE (قطر 35 مم وارتفاع 4 مم) مع أقطاب كهربائية من رقائق البلاتين مقاس 0.1 مم. تم تطبيق الأسلاك الخاصة بالاتصال بالجهد داخل لوحة PFTE تحت البلاتين. تم استخدام فجوة صغيرة بين الأقطاب الكهربائية لتجنب ضرورة الإلكتروليتات وإعداد بسيط في التصميم. تم فصل الأقطاب الكهربائية بواسطة رقائق FEP (بروبيلين الإيثيلين المفلور) ذات سماكة متغيرة، حيث تم قطع قناة تفاعل مستطيلة (3 × 30 مم)، مما يعطي حجم قناة إجمالي يبلغ 23 ميكرولتر (رقائق FEP بسمك 254 ميكرومتر)، ويتم تثبيت الجهاز بأكمله معًا بواسطة براغي فولاذية وصواميل جناح. أثناء التفاعل، تم تصنيع مركبات الدياريليودونيوم بعد إجراء بعض تفاعلات الاختبار الأولية.
تم استخدام التفاعلات الكهروكيميائية المعروفة كتفاعلات اختبارية للمفاعل الكهروكيميائي الدقيق. أظهر الميثوكسيل المؤكسد للفوران 4 في الميثانول مع منتج تم الحصول عليه بنسبة 1: 1 تقريبية: نسبة مضادة أن نظامنا يعمل بشكل مرضٍ للتفاعلات الكهروكيميائية. تم تحقيق التحويل الكامل كما هو محدد بواسطة GC/MS.
Image: Electrochemical microreactor
Source: Kevin Watts, William Gattrell, Thomas Wirth/ A practical microreactor for electrochemistry in flow/ Beilstein Journal of Organic Chemistry 7(1):1108-14, August 2011/ DOI:10.3762/bjoc.7.127/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Attribution 2.0 Generic (CC BY 2.0)
في عام 2023، أبلغ العلماء عن التحليل الكهربي المشترك لمياه البحر وغاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في مفاعل موائع جزيئية متكامل بدون أغشية للخلايا الشمسية من أجل التوليف المستمر للمنتجات العضوية. تم إنشاء المفاعل باستخدام ركيزة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان تتكون من قناة مركزية صغيرة مع زوج من المداخل لحقن غاز ثاني أكسيد الكربون ومياه البحر ومنفذ لإزالة المنتجات العضوية. تم تركيب زوج من الأقطاب الكهربائية النحاسية في القناة الدقيقة لضمان التفاعل الفوري مع غاز ثاني أكسيد الكربون الوارد ومياه البحر التي تمر عبر القناة الدقيقة. أدى اقتران ألواح الخلايا الشمسية بالأقطاب الكهربائية إلى إنتاج مجال كهربائي عالي الكثافة عبر الأقطاب الكهربائية بجهد منخفض، مما أدى إلى التحليل الكهربائي المشترك لثاني أكسيد الكربون ومياه البحر. أدى التحليل الكهربائي المقترن لغاز ثاني أكسيد الكربون ومياه البحر إلى إنتاج مجموعة من المواد العضوية ذات الأهمية الصناعية تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي الذي تتوسطه الخلايا الشمسية. تم جمع المركبات العضوية المصنعة في اتجاه مجرى النهر وتم تحديدها باستخدام تقنيات التوصيف. علاوة على ذلك، تم تحليل آليات التفاعل الكهروكيميائي الكامنة المحتملة بالقرب من الأقطاب الكهربائية لتخليق المنتجات العضوية. تم العثور على إدراج غاز ثاني أكسيد الكربون الدفيئة كمتفاعل، ومياه البحر كمحلول كهربائي، والطاقة الشمسية كمصدر كهربائي غير مكلف لبدء التحليل الكهربائي المشترك، للمساهمة في اقتصاد واستدامة المفاعل الدقيق لعزل ثاني أكسيد الكربون وتخليق المركبات العضوية.
Image: Schematic illustration of the experimental set-up showing microreactor for CO2-sequestration. The microreactor has two inlets perpendicular to each other, one for seawater connected to the syringe pump operating at a constant flow-rate (Qw = 3 mL/min) and another for injection of gaseous CO2 from a pure CO2 gas cylinder with a mass flow meter operating at a constant flow-rate (Qg = 3 mL/min). The integrated Cu electrodes are positioned perpendicular to the gas–liquid flow and connected to a solar panel circuitry. The microreactor operates under sunlight and the organic products are collected at downstream of microchannel
Source: Saptak Rarotra, Saptak Rarotra, Tapas Kumar Mandal & Dipankar Bandyopadhyay/ Co-electrolysis of seawater and carbon dioxide inside a microfluidic reactor to synthesize speciality organics/ Scientific Reports volume 13, Article number: 10298 (2023), 26 June 2023/ doi.org/10.1038/s41598-023-34456-6/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
يتمتع جهاز المفاعل بالعديد من المزايا: قد يؤدي الاختبار الموازي الذي تتيحه خلايا التدفق الكهروكيميائية الجديدة إلى تسريع عملية فحص المحفزات بما يصل إلى أربع مرات مقارنة بالطرق التقليدية. ونظرًا لتصميمها المعياري، يمكن أيضًا استخدام الخلايا في عمليات أخرى. ولذلك، فإن تصميم الخلية الحالي يتيح بناء مجموعة متنوعة من تكوينات المفاعل، على سبيل المثال، بمسافات مختلفة بين الأقطاب الكهربائية، مما يوضح النطاق الواسع من التطبيقات الممكنة. علاوة على ذلك، يمكن أيضًا النظر في مهام أخرى بالإضافة إلى التحليل الكهربائي للمياه، مثل إنتاج المكونات الصيدلانية الفعالة أو تحلل النفايات في معالجة مياه الصرف الصحي. يمكن استخدام المفاعل لتحديد أفضل طريقة لتحسين عملية التحليل الكهربائي للماء. ومن التطبيقات المفيدة الأخرى تحديد المحفزات الكهربائية والأغشية التي تزيد من كفاءة العملية.
بشكل عام، يمكن إجراء تعديلات محددة على المفاعلات الكهروكيميائية الدقيقة القابلة للتطوير بحيث يمكن استخدامها في أنواع مختلفة من المهام. ربما لهذا السبب تشهد الكيمياء الكهربائية حاليًا دفعة كبيرة ناجمة عن البحث عن عمليات التخليق الأخضر والجهود المبذولة نحو الاستخدام المباشر للطاقة (المفرطة) المولدة بشكل مستدام.
من قبل هيئة التحرير
خلايا التدفق المعيارية لعمليات كيميائية فعالة
ترجمت مع ترجمة جوجل
