Ανάπτυξη συστημάτων ανοδικής οξείδωσης προϊόντων της ενζυμικής διάσπασης της βιομάζας για την αποδοτική ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου

Τσιονάς, Λάμπρος; Τσιονάς, Λάμπρος

dc.contributor.author	Τσιονάς, Λάμπρος	el
dc.contributor.author	Τσιονάς, Λάμπρος	el
dc.date.accessioned	2022-12-16T11:09:39Z
dc.date.available	2022-12-16T11:09:39Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56480
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24178
dc.rights	Default License
dc.subject	Ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου	el
dc.subject	Καταλυτικό ηλεκτρόδιο οξειδίου του χαλκού	el
dc.subject	Ανοδική οξείδωση γλυκόζης	el
dc.subject	Πράσινη Ενέργεια	el
dc.subject	Ηλεκτροχημεία	el
dc.title	Ανάπτυξη συστημάτων ανοδικής οξείδωσης προϊόντων της ενζυμικής διάσπασης της βιομάζας για την αποδοτική ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη και Τεχνική των Υλικών	el
heal.classification	Ηλεκτροχημεία	el
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-13
heal.abstract	Μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις της σύγχρονης πραγματικότητας αποτε- λεί η ενεργειακή απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα. Μια πράσινη ενναλακτική πηγή ενέργειας η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί με πολλούς τρόπους αποτελεί το υδρογόνο (Η2). Ως καύσιμο το H2 χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλή περιεκτικότητα ενέργειας κατά μάζα και 3 φορές μεγαλύτερη θερμαντική αξία συγκριτικά με το πετρέλαιο. Επιπρό- σθετα, χρειάζεται να επισημανθεί ότι ως καύσιμο χαρακτηρίζεται από μηδενική παρα- γωγή ρύπων καθιστώντας τοιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου οι οποίες χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από τη βιομηχανία με στόχο την αποδοτική παραγωγή ενέργειας. Ενδεικτικά αναφέρονται μερικές χαρακτηριστικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου όπως η ηλεκτρόλυση νερού, η αεριοποίηση βιομάζας, η αναμόρφωση ατμού μεθανίου (Steam Methane Reforming) και η αεριοποίηση άνθρακα (Coal Gasificaion). Η ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου για ενεργειακές εφαρμογές απαιτεί κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας κατάλληλα σχεδιασμένα ηλεκτρολυτικά κελιά και καταλυ- τικά ηλεκτρόδια. Ένας τρόπος μείωσης της απαιτούμενης τάσης είναι ο ανασχεδιασμός του ανοδικού τμήματος του ηλεκτρολυτικού αντιδραστήρα έτσι ώστε να συμβαίνει μία αντίδραση οξείδωσης ορισμένης οργανικής ένωσης με ηλεκτροδιακό δυναμικό αρνη- τικότερο αυτού της οξείδωσης του νερού προς οξυγόνο και χαμηλή υπέρταση. Η νέα αυτή αντίδραση θα πρέπει να έχει ορισμένα επιπλέον χαρακτηριστικά, όπως το χαμηλό κόστος της οργανικής ένωσης (π.χ. βιομηχανικό παραπροϊόν, απόβλητο κ.λ.π.), το προ- ϊόν της ανοδικής οξείδωσης να μην είναι επικίνδυνο ή τοξικό και να έχει προστιθέμενη αξία κ.λ.π. Στην εργασία αυτή διερευνάται η δυνατότητα χρήσης της ανοδικής οξείδω- σης σακχάρων που προκύπτουν από την ενζυμική διάσπαση της βιομάζας ως εναλλα- κτική για την ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου. Ειδικότερα μελετάται ο σχεδιασμός ενός ηλεκτρολυτικού κελιού 2 διαμερισμάτων, ενός ανοδικού και ενός καθοδικού διαμε- ρίσματος. Τα 2 τμήματα του ηλεκτρολυτικού κελιού θα διαχωρίζονται μέσω κατάλλη- λης μεμβράνης. Στο ανοδικό τμήμα του κελιού θα λαμβάνει χώρα η ανοδική οξείδωση αλκαλικών υδατικών διαλυμάτων γλυκόζης προς γλουκονικό οξύ εφαρμόζοντας στο σύ- στημα ρεύμα σταθερού δυναμικού μικρότερο των 1.3 V. Στόχος αποτελεί η οξείδωση της ομάδας της γλυκόζης που συνδέεται με τον άνθρακα C-1 ώστε να προκύψει σε όσο με- γαλύτερο ποσοστό είναι εφικτό ως προϊόν γλουκονικό οξύ, ενώ παράλληλα διέρχεται ρεύμα ικανοποιητικής πυκνότητας ώστε να παράγεται υδρογόνο στο καθοδικό διαμέρι- σμα με αποδεκτό ρυθμό. Ως άνοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια με βάση διάφορα μέταλλα όπως τη πλατίνα (Pt), το χρυσό (Au) και το χαλκό (Cu). Μέσω ηλεκτροχημικών πειραμάτων κυκλικής βολταμμετρίας γίνεται αντιληπτό ότι σε αλκαλικά διαλύματα έιναι εφικτή η οξείδωση της γλυκόζης προς διάφορα προϊόντα χρησιμοποιώ- ντας οποιοδήποτε από τα προαναφερθέντα είδη ηλεκτροδίων. Μάλιστα, αναφέρεται ότι στη περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρόδιο Cu η οξείδωση γλυκόζης, σε διάλυμα με συγκέντρωση 20 mM γλυκόζης και 0.5 Μ NaOH, είναι εφικτή εφαρμόζομτας ρεύμα δυναμικού προσεγγιστικά 0.6 V. To συγκεκριμένο συμπέρασμα λήφθηκε μέσω των πει- ραματικών δεδομένων που λήφθηκαν από κυκλικλά βολταμμογραφήματα που πραγμα- τοποιήθηκαν με τη βοήθεια παλμογράφου και κατάλληλου ηλεκτροδίου αναφοράς. Ως άνοδοι επιλέγεται να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια οξειδίου του χαλκού που συνθέτο- νται είτε με χημική οξείδωση του χαλκού προς το υδροξείδιο του και περαιτέρω οξείδωση προς το οξείδιο του δισθενούς χαλκού είτε με ηλεκτροχημική σύνθεση του υδροξειδίου και οξειδίου του δισθενούς χαλκού. Η ηλεκτροχημική σύνθεση ηλεκτροδίου υδροξειδίου του χαλκού πραγματοποιείται εφαρμόζοντας ρεύμα με σταθερή ένταση (Ι) σε ηλεκτρόδιο Cu το οποίο είναι τοποθετημένο σε αλκαλικό διάλυμα. Η συγκεκριμένη διεργασία πραγ- ματοποιείται με τη βοήθεια παλμογράφου και ηλεκτροδίου αναφοράς ώστε να ελέγχε- ται το απαιτούμενο δυναμικο του εφαρμοζόμενου ρεύματος. Η συγκεκριμένη διεργασία χρειάζεται χρόνο μερικών λεπτών ανάλογα με την επιφάνεια του ηλεκτροδίου που επε- ξεργάζεται και το τέλος της γίνεται αντιληπτό μέσω της αλλαγής του χρώματος του ηλεκτροδίου από καφέ σε γαλάζιο. Στη συνέχεια, το υδροξείδιο του χαλκού μετρέπε- ται στο επιθυμητό οξείδιο του δισθενούς χαλκού μέσω θέρμανσης για ορισμένο χρονικό διάστημα. Τα ηλεκτρόδια αυτά χαρακτηρίζονται και ελέγχεται η δυνατότητα οξείδω- σης της γλυκόζης σε χαμηλές υπερτάσεις καθώς και τα προϊόντα τους. Ως ηλεκτρόδια ανόδου επιλέχθηκαν ηλεκτρόδια CuO για την υπό μελέτη διεργασία λόγω του συγκρι- τικά χαμηλού κόστους τους και των υποσχόμενων καταλυτικών ιδιοτήτων τους. Μέσω αντίστοιχων πειραμάτων κυκλικής βολταμμετρίας παρατηρείται ότι με τη χρήση ηλε- κτρόδιο CuO στην άνοδο η οξείδωση της γλυκόζης επιτυγχάνεται εφαρμόζοντας ρεύμα με δυναμικό κατά 0.2 V αρνητικότερο συγκριτικά με το αντίστοιχο κατα τη χρήση ηλε- κτροδιόυ Cu. Στο καθοδικό διαμέρισμα του υπό μελέτη συστήματος θα λαμβάνει χώρα η παραγωγή Η2 αξιοποιώντας το διερχόμενο ρεύμα που εφαρμόζεται στο σύστημα καθώς και ηλεκτρόδιο Pt το οποίο είναι βυθισμένο σε όξινο διάλυμα.	el
heal.advisorName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false