Celdas de flujo modulares para una química sostenible
Optimización de los procesos de fabricación electroquímica
Los procesos electroquímicos como la electrólisis del agua cobrarán cada vez más importancia en el futuro a la luz del cambio climático y la consiguiente necesidad de una transición energética y de materias primas. El Instituto Fraunhofer de Microingeniería y Microsistemas IMM colabora con hte GmbH en el desarrollo de celdas electroquímicas modulares. Estas celdas de flujo se utilizan en tareas de cribado, ayudando así a optimizar los procesos de producción electroquímica, como la electrólisis del agua.
En el contexto de la transición energética y de materias primas, los procesos electroquímicos suponen una ventaja, ya que funcionan con electricidad y no con reactivos químicos. Además, pueden responder activamente a las fluctuaciones del suministro eléctrico, conectando los procesos electroquímicos cuando hay exceso de electricidad y desconectándolos cuando falta. Un caso de uso importante es la electrólisis del agua. Esta genera hidrógeno, una fuente de energía flexible y fácil de transportar que desempeña un papel fundamental en la transición energética. Por esta razón, Fraunhofer IMM está desarrollando y mejorando microreactores electroquímicos -también conocidos como "células de flujo"- para su uso en procesos de síntesis verdes como la electrosíntesis y como medio para estudiar la electrólisis del agua. Estos microreactores permiten el desarrollo y cribado de las síntesis a escala de laboratorio, al tiempo que permiten trasladar la síntesis a escala piloto. Junto con la empresa hte GmbH, con sede en Heidelberg, Fraunhofer IMM ha desarrollado un concepto modular y flexible para una célula de flujo electroquímica que han puesto en práctica para tareas de cribado de alto rendimiento en electrocatálisis.
"Los procesos químicos pueden controlarse con precisión mediante microrreactores. Esto también se aplica a nuestras celdas electroquímicas, que pueden utilizarse para optimizar los procesos de producción electroquímica, por ejemplo, cuando se trata de la producción química sostenible o la electrólisis del agua. Las plataformas de cribado que utilizan nuestro diseño permiten probar una serie de catalizadores y condiciones de procesamiento en muy poco tiempo. Es necesario introducir modificaciones en las plataformas de cribado para la electrocatálisis. Aparte del propio electrocatalizador, también hay que investigar las condiciones del proceso, como la presión, la temperatura, el voltaje de la célula, los caudales y la composición del electrolito. Aquí es donde entran en juego nuestros reactores de flujo continuo como parte del sistema de cribado", explica el Dr. Patrick Löb, jefe del grupo de Química de Flujo del Fraunhofer IMM de Maguncia.
Un concepto de reactor basado en una pila de placas
El concepto básico de reactor desarrollado por Fraunhofer IMM para aplicaciones electroquímicas utiliza un diseño de pila de placas. Una sola célula electroquímica está formada por un conjunto de placas de electrodos y otros componentes. La pila puede contener una célula para funcionamiento individual o un conjunto de células que pueden funcionar en paralelo, en serie o en una combinación de ambos modos. El modo de funcionamiento en paralelo es especialmente adecuado para tareas de cribado. Así, por ejemplo, es factible estudiar la influencia del material de la membrana en el proceso electroquímico, ya que se pueden instalar membranas diferentes en cada una de las celdas electroquímicas de la pila, que por lo demás son iguales. Los resultados de la investigación pueden utilizarse después para seleccionar la mejor membrana para el proceso. "El reactor permite un gran número de variaciones de celda, lo que significa que se pueden modificar y probar, por ejemplo, diferentes materiales de membrana y electrocatalizadores", afirma el investigador. Las celdas de flujo de hte GmbH son únicas en el sentido de que su estructura celular fundamental -la configuración del reactor- puede variarse aún más.
Se ha suministrado un primer prototipo de módulo de cribado con cuatro celdas electroquímicas dispuestas en paralelo, que está siendo validado. Estamos ampliándolo a 16 celdas paralelas. Estos reactores pueden utilizarse, por ejemplo, en investigaciones para optimizar la electrólisis del agua. Aquí hay que determinar qué electrocatalizadores y membranas aumentan la eficiencia del proceso. Gracias a su diseño modular, también pueden utilizarse para otros procesos. Como resultado, el diseño actual de las celdas permite abarcar una gran variedad de configuraciones de reactores -por ejemplo, con diferentes distancias entre electrodos-, lo que ilustra la amplia gama de aplicaciones. Las numerosas configuraciones de reactores permiten adaptar la plataforma de cribado a distintos ámbitos de aplicación. Así, además de la electrólisis del agua, pueden considerarse otras tareas, como la producción de principios activos farmacéuticos o la descomposición de residuos en el tratamiento de aguas residuales.
Según las primeras estimaciones, los ensayos en paralelo que permiten las nuevas celdas de flujo electroquímicas podrían acelerar el cribado de catalizadores hasta cuatro veces en comparación con los enfoques clásicos adoptados en experimentos a largo plazo. A lo largo de este año está previsto integrar las nuevas celdas de flujo en la planta piloto de hte GmbH.
"En general, podemos hacer adaptaciones específicas a nuestros microrreactores electroquímicos escalables para que puedan utilizarse en distintos tipos de tareas. La electroquímica está experimentando actualmente un renacimiento impulsado por la búsqueda de procesos de síntesis ecológicos y los esfuerzos hacia el uso directo de la energía generada de forma (excesivamente) sostenible", resume Löb.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
