الکتروشیمی، از الکتروآنالیز تا الکترولیز صنعتی
همکار من، ادموند دیکینسون، اخیراً در مورد ولتامتری چرخهای و اینکه چگونه میتوان آن را مدلسازی کرد، وبلاگ نوشت. این یک وبلاگ فوقالعاده بود، همانطور که واقعاً برنامه کاربردی و نحوه پیادهسازی چنین مدلهایی را در COMSOL Multiphysics توضیح میداد. در حالی که ادموند پیشینه ای در الکتروآنالیز دارد، جایی که ولتامتری چرخه ای، پتانسیومتری و امپدانس الکتروشیمیایی ابزارهای مهمی هستند، من قبل از COMSOL زندگی متفاوت اما مشابهی داشتم و در الکترولیز صنعتی کار می کردم. برای هر دوی ما، ماژول الکتروشیمی جدید اگر در آن زمان وجود داشت، ابزار عالی بود، زیرا هر یک از نیازهای ما را برآورده می کرد.
انتقال مواد و جریان همراه با واکنش های الکتروشیمیایی
ماژول الکتروشیمی شما را قادر می سازد تا برنامه های کاربردی در الکتروآنالیز، الکترولیز و الکترودیالیز را مدل کنید. همه این کاربردها تحت تأثیر واکنشهای الکتروشیمیایی، انتقال مواد و جریان انتقال هستند، اما بسته به کاربرد، این فرآیندهای مشارکتکننده ممکن است از نظر اهمیت یا تأثیرات متفاوت باشند. تمام راههای ممکن برای توصیف یک فرآیند الکتروشیمیایی در ماژول الکتروشیمی موجود است، و شما میتوانید انتخاب کنید و انتخاب کنید که میخواهید به کدام یک دسترسی داشته باشید و استفاده کنید، یا همه آنها را بگنجانید.
اصطلاحات زیادی در معادله برای توصیف واکنش های الکتروشیمیایی
برای مثال سینتیک واکنش الکتروشیمیایی را در نظر بگیرید. این خاصیتی است که برای الکتروآنالیزور مانند ادموند از اهمیت بالایی برخوردار است. توانایی استفاده از یک مدل برای توصیف سینتیک برای همه واکنشهای شرکتکننده در سطح الکترود برای طراحان حسگرهای گاز و گلوکز ضروری است. پارامترهای زیادی برای بررسی این سینتیک ها وجود دارد: اثرات پتانسیل الکترود (نیروی محرک برای انتقال الکترون). غلظت واکنش دهنده ها و محصولات در سطح الکترود؛ اثرات محافظ گونه های غیر مشارکت کننده، مانند آب، بر این انتقال الکترون. توانایی الکتروکاتالیست برای دریافت یا آزاد کردن این الکترون ها. سطح فعال الکترود که برای انجام واکنش ها در دسترس است. درجه حرارت؛ و عوامل دیگر
شکل 1: امپدانس AC یکی از ابزارهایی است که الکتروآنالیزورها برای استخراج اطلاعات کمی در مورد واکنش های الکتروشیمیایی استفاده می کنند. این تصویر مربوط به نمودار Nyquist است و ماژول الکتروشیمی نیز امکان ساخت نمودارهای Bode را فراهم می کند.
اینها با عباراتی که به عنوان چگالی جریان مبادله، ضرایب انتقال (یا فاکتورهای تقارن) و مازاد پتانسیل شناخته می شوند، محصور شده اند. همراه با اصطلاحات دیگر، همه اینها به تغییرات معادله باتلر-ولمر تبدیل می شوند. این یکی از ویژگیهای ماژول الکتروشیمی است که ادموند با مقایسه مدلهای خود با آزمایشها و برآورد مقادیر این اصطلاحات، با آن بازی میکرد. او همچنین ممکن است مجبور باشد اثرات انتقال گونههای واکنشدهنده و بیاثر را هنگام حرکت به الکترود و از آن در نظر بگیرد، به طوری که اندازهگیریهای تحلیلی، همانطور که توسط یک حسگر انجام میشود، به دقت غلظتهای موجود در محلول حجیم را منعکس میکند.
اهمیت اثرات کلان در الکتروشیمی
از سوی دیگر، من بیشتر به انتقال جرم و بار در یک سلول الکتروشیمیایی به عنوان یک کل توجه داشتم. در کارخانه کلرات که در آن کار می کردم، کاهش 10 میلی ولتی در ولتاژ عملیاتی مورد نیاز به معنای کاهش دو میلیون دلاری هزینه های عملیاتی سالانه بود. بخشی از کاهش این هزینهها ناشی از بهینهسازی مقدار انرژی مورد نیاز برای وادار کردن واکنشهای الکتروشیمیایی است. معمولاً این شامل یافتن الکتروکاتالیست مناسب برای کمک به انتقال بار و شرایط سطح برای به حداکثر رساندن ناحیه واکنش است. این کار همیشه توسط الکتروآنالیزور در آزمایشگاه انجام می شد و الکترودهای مناسبی برای مهندس الکتروشیمی ساخته شد تا سپس با آن کار کند.
شکل 2: مدل انتقال بار و افت پتانسیل در مدل توزیع جریان ثانویه یک سلول واحد از فرآیند کلر قلیایی. ماژول الکتروشیمیایی همچنین از مدلسازی فرآیندها با فرض توزیع جریان اولیه و سوم پشتیبانی میکند.
فاکتورهای موجود در سلول الکترولیز که من با آنها کار کردم شامل توزیع جریان در طول، عرض و عرض الکترودها تا حد امکان یکنواخت بود، در حالی که از شروع غیرضروری واکنشهای دو جانبه ربوده کننده الکترون جلوگیری میکرد. بهینهسازی انتقال گونهها به و از الکترود نیز بسیار مهم بود، زیرا هرچه انتقال بیشتر باشد، چگالی جریان عملیاتی (و تولید مواد) قبل از رسیدن به چگالی جریان محدود که در آن واکنشهای دیگر و حتی قوسبندی ممکن است رخ دهد، بیشتر میشود. یکپارچگی ساختاری و عمر کارکرد الکترودها، فیدرهای جریان و غشاهای جداکننده نیز مهم بود.
در اینجا، من از ویژگیهای توصیفکننده واکنشهای الکتروشیمیایی استفاده میکردم، اما آنها را با معادلات دیگری که دینامیک سیالات و واکنشهای همگن و مبتنی بر غیرالکتروشیمیایی را که در الکترولیت رخ میدادند، همراه میکردم. یک توصیف قوی از انتقال مواد که از طریق جابجایی ، انتشار و مهاجرت یونی اتفاق میافتد (معادله نرنست-پلانک)، همچنین شامل توصیف کاملی از چگالی جریان ثالثی است که در الکترودها رخ میدهد.
پانزده سال پیش، من و سایر همکارانمان در شرکت کلرات، از بسیاری از مفروضات و برنامهنویسی کامپیوتری برای توصیف همه این اثرات، چه در آزمایشگاه و چه در کارخانه استفاده کردیم. اگر در آن زمان ماژول الکتروشیمی را داشتیم، این فرآیند را تا حد زیادی بهبود میدادیم و زندگی بسیار آسانتر میشد.
دانلود مدل های الکتروشیمی
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید