Μελέτη και ανάπτυξη υβριδικού ηλεκτρολυτικού
αντιδραστήρα για την ταυτόχρονη καθοδική παραγωγή
υδρογόνου και ανοδική οξείδωση προϊόντων της ενζυμικής
διάσπασης της κυτταρίνης

Πολυχρόνης, Παπαδόπουλος; Polychronis, Papadopoulos

dc.contributor.author	Πολυχρόνης, Παπαδόπουλος	el
dc.contributor.author	Polychronis, Papadopoulos	en
dc.date.accessioned	2025-04-28T08:53:23Z
dc.date.available	2025-04-28T08:53:23Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61786
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29482
dc.rights	Default License
dc.subject	Catalytic Electrolysis	en
dc.subject	Hybrid Reactor	en
dc.title	Μελέτη και ανάπτυξη υβριδικού ηλεκτρολυτικού αντιδραστήρα για την ταυτόχρονη καθοδική παραγωγή υδρογόνου και ανοδική οξείδωση προϊόντων της ενζυμικής διάσπασης της κυτταρίνης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Chemical Engineering	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-02-20
heal.abstract	Η παραγωγή ενέργειας ήταν, είναι και θα είναι ένας από τους κύριους προβληματισμούς του ανθρώπου καθ’ όλη την ανθρώπινη ιστορία. Από το ξύλο, τα ορυκτά καύσιμα, τη βιομάζα μέχρι το υδρογόνο αλλά και πολλά ακόμη, ο άνθρωπος έχει εφεύρει αμέτρητες τεχνολογίες για την αξιοποίηση τους. Η πιο διαδεδομένη πηγή ενέργειας τη σύγχρονη εποχή σε καθημερινή αλλά και βιομηχανική κλίμακα είναι τα ορυκτά καύσιμα και αποτελούν πλέον θεμελιώδη λίθο για την ομαλή λειτουργία της κοινωνίας. Το αντίτιμο της εξάρτησης του ανθρώπου σε αυτά είναι η περιβαλλοντική επιβάρυνση που προκαλείται μέσω των αμέτρητων ρύπων αλλά και αποβλήτων που παράγονται με μόνο στόχο τη διευκόλυνση των ζωών μας. Μέχρι πριν λίγα χρόνια οι συνέπειες περνούσαν απαραιτήρητες και πολλές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν παρέμειναν στο παρασκήνιο. Δυστυχώς, οι συνέπειες αυτές είναι όχι μόνο παρατηρήσιμες αλλά απειλούν να διαταράξουν την καθημερινότητα που θεωρούνταν δεδομένη. Ανερχόμενα προβλήματα όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου συζητούνται όλο και συχνότερα από όλο και περισσότερους ανθρώπους προκαλώντας ανησυχία. Η Ευρωπαϊκή Ένωση καταβάλει προσπάθεια να κατευθυνθεί σε πιο ”πράσινες” πηγές ενέργειας με το πρόγραμμα Horizon 2030 όπου έχουν επενδυθεί πάνω από 95.5 εκατομμύρια ευρώ. Το υδρογόνο είναι αντικείμενο μελέτης πολλών επιστημόνων και μηχανικών ως ένα καύσιμο με υψηλή ενεργειακή απόδοση, μηδενική εκπομπή ρύπων κατά την καύση και λόγω της δυνατότητας παραγωγής του με τη χρήση ποικίλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ηλεκτρόλυση του νερού προς αέριο υδρογόνο είναι μία από τις πιο γνωστές μεθόδους για την παραγωγή ”πράσινης” ενέργειας. Βασικό μειονέκτημά της είναι το υψηλό πάγιο και λειτουργικό κόστος της αλλά και η σχετικά μικρή απόδοση της που την καθιστούν, μέχρι στιγμής, μη βιώσιμη σε μεγάλη κλίμακα. Αν και χρησιμοποιείται από πολλές βιομηχανίες για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών εντός εργοστασιακών και βιομηχανικών μονάδων τους, η ένταξη του υδρογόνου στην ανθρώπινη καθημερινότητα απέχει αρκετά λόγω και πιο απλών προβλημάτων όπως η διανομή και η αποθήκευση του. Στην παρούσα διπλωματική θα εξεταστεί η παραγωγή υδρογόνου σε υβριδικό αντιδραστήρα δύο διαμερισμάτων όπου στην κάθοδο θα πραγματοποιείται η αναγωγή του νερού προς αέριο υδρογόνο ενώ στο ανοδικό διαμέρισμα υπάρχει αλκαλικό διάλυμα γλυκόζης (προϊόν της ενζυμικής διάσπασης της κυτταρίνης) η οποία θα οξειδώνεται καταλυτικά με σκοπό την παραλαβή προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Πιο συγκεκριμένα, στόχος είναι η βελτιστοποίηση των συνθηκών υπό των οποίων θα γίνονται οι αντιδράσεις πάνω στα ηλεκτρόδια ώστε η διεργασία να γίνει αποδοτικότερη. Οι κύριες παράμετροι μελέτης είναι το διαχωριστικό μέσο που θα παρεμβάλει μεταξύ των δύο διαμερισμάτων, η μορφή και το υλικό των ηλεκτροδίων και αν η χρήση ανάδευσης είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του. Παράλληλα, θα γίνει μοντελοποίηση του παραπάνω αντιδραστήρα, κάνοντας χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων, με σκοπό την αναπαραγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων και την μελλοντική χρήση των μοντέλων αυτών για την πρόβλεψη και την διεξαγωγή επερχόμενων πειραμάτων. Ως διαχωριστικά μέσα εξετάστηκαν το απλό διηθητικό χαρτί, εργαστηριακά παραγόμενη μεμβράνη οξικής κυτταρίνης και ιονοανταλλακτική μεμβράνη. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την ικανότητα των παραπάνω διαχωριστικών να εμποδίσουν την μηχανική ανάμιξη μεταξύ των δύο διαλυμάτων χρησιμοποιώντας διαλύματα χαλκού διαφορετικών συγκεντρώσεων (συγκεκριμένα 0.1 Μ και 0.01 Μ). Το διηθητικό χαρτί επέτρεψε την ανάμιξη των διαλυμάτων σε μεγάλο βαθμό εντός διάστημα 12 ωρών και δεν εμφάνισε ικανοποιητική αντοχή σε αλκαλικά διαλύματα. Η μεμβράνη οξικής κυτταρίνης είχε καλύτερη απόδοση όσον αφορά την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων χαλκού αλλά κατά τη δοκιμή της σε αλκαλικά διαλύματα παρατηρήθηκε ταχεία φθορά που την καθιστά μη κατάλληλη. Η ιονοανταλλακτική μεμβράνη απέδωσε καλύτερα αποτρέποντας την ανάμιξη των διαλυμάτων χαλκού και δεν παρατηρήθηκε φθορά κατά την εμβάπτιση σε όξινα ή αλκαλικά διαλύματα. Μονοδιάστατα και δισδιάστατα μοντέλα σχεδιάστηκαν με τη χρήση λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων για τις περιπτώσεις του απλού διαχωριστικού και της ιονοανταλλακτικής μεμβράνης. Τα αποτελέσματα όσον αφορά τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας διαμέσω διαχωριστικού μέσου συμπίπτουν με τα πειραματικά, καθιστώντας την ιονοανταλλακτική μεμβράνη ως το καταλληλότερο διαχωριστικό μέσο από αυτά που μελετήθηκαν. Η περίπτωση της ημιπερατής μεμβράνης προσομοιώθηκε αλλά το μοντέλο δεν διασταυρώθηκε με πειραματικά δεδομένα εφόσον δεν πραγματοποιήθηκε το αντίστοιχο πείραμα. Τα ηλεκτρόδια του αντιδραστήρα τοποθετήθηκαν πολύ κοντά στο διαχωριστικό μέσο για να μειωθούν οι ενεργειακές απώλειες λόγω πτώσης τάσης μέσω του ηλεκτρολύτη αλλά και για την ταχύτερη έναρξη της αντίδρασης Ως γεωμετρία του ηλεκτροδίου επιλέχθηκε το πλέγμα λόγω της συνδυαστικής ικανότητάς του να επιτρέπει τη ροή του διαλύματος, και συνεπώς των ειδών που βρίσκονται εντός αυτού, και ταυτόχρονα η επιφάνεια όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση παραμένει ικανοποιητική. Έτσι, μειώνονται οι ενεργειακές απαιτήσεις εφόσον παρεμβάλλεται μικρότερος όγκος διαλύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων και λόγω της γεωμετρίας του πλέγματος δεν πλήττεται η απόδοση της αντίδρασης. Από τα υλικά των ηλεκτροδίων που συντέθηκαν δοκιμάστηκαν, το οξείδιο του χαλκού (CuO) αποδείχθηκε το πιο αποδοτικό με βαθμό απόδοσης a = 44.11% χωρίς να παρουσιάζει κάποια μηχανική φθορά κατά την εμβάπτισή του σε αλκαλικά διαλύματα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Το επινικελωμένο πλέγμα είχε βαθμό απόδοσης a = 36.76% και δεν παρουσίασε μηχανική φθορά κατά την εμβάπτισή του σε αλκαλικά διαλύματα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Τέλος, το οξυ-υδροξείλιο του νικελίου (NiO(OH)) φάνηκε να αποσυντίθεται κατά την εμβάπτισή του σε αλκαλικά διαλύματα παρουσία γλυκόζης και εκτιμάται ότι γίνεται άμεση οξείδωση της γλυκόζης στην επιφάνειά του. Συνεπώς, καθίσταται ακατάλληλο για την χρήση του ως καταλυτικό ηλεκτρόδιο. Τέλος, πραγματοποιήθηκε δισδιάστατη αξονοσυμμετρική προσομοίωση του υβριδικού αντιδραστήρα, με απλό διαχωριστικό μέσο, με και χωρίς ανάδευση συνυπολογίζο-ντας τις παραπάνω παραμέτρους για τον σχεδιασμό του μοντέλου. Από τα αποτελέ- σματα που εξήχθησαν παρατηρήθηκε ότι η οξείδωση της γλυκόζης (για κινητικές προ-σαρμοσμένες στα πειραματικά δεδομένα) πραγματοποιείται σε εύρος δυναμικών 0.400− 0.650 V γεγονός που επαληθεύει τα πειραματικά αποτελέσματα. Η παρουσία ανάδευσης κρίθηκε αναγκαία καθώς απουσίας της μετά από ένα χρονικό διάστημα το σύστημα φτάνει στον χρόνο μετάβασης, δηλαδή η βαθμίδα γλυκόζης παρουσιάζει μέγιστο στην επιφάνεια της ανόδου και είναι πλέον αδύνατη η οξείδωση γλυκόζης με τον απαιτούμενο ρυθμό οπότε αντ’ αυτού πραγματοποιείται η οξείδωση του νερού. Μεγαλύτερη ταχύτητα ανάδευσης οδηγεί σε ταχύτερη κατανάλωση της γλυκόζης. Ο χρόνος οξείδωσης της γλυκόζης θεωρώντας απόδοση 100%, για το συγκεκριμένο σύστημα, είναι περίπου 20000 s ( 13.88 hr) και παρατηρείται ότι μετά από 13000 s έχει αντιδράσει το 90% της συνολικής ποσότητας της γλυκόζης.	el
heal.advisorName	Αντώνης, Καραντώνης	el
heal.committeeMemberName	Αντώνης, Καραντώνης	el
heal.committeeMemberName	Γλυκερία, Κακάλη	el
heal.committeeMemberName	Ευαγγελία, Παυλάτου	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ). Εργαστήριο Φυσικοχημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	83 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false