بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، رفتار آندهای مختلف از جنس مس، اینکونل و مونل در فرایند احیای گاز دی اکسید کربن به روش الکترولیز نمک مذاب با ترکیب کلرید کلسیم - اکسید کلسیم مورد بررسی قرار گرفت. برای انجام این فرایند، ابتدا مخلوط نمک مورد نظر در بوته آلومینایی در دمای 850 درجه سانتیگراد ذوب شد. سپس ضمن دمیدن گاز دی اکسید کربن، فرایند الکترولیز با اعمال ولتاژ ثابت 3/0 ولت انجام شد. پس از اتمام فرایند الکترولیز، بوته و الکترودها در راکتور تا دمای محیط سرد شدند. رفتار آند با استفاده از مشاهدات ظاهری و تغییرات جریان در حین الکترولیز بررسی شد. نتایج نشان میدهند، مس خالص و اینکونل در این فرایند پایداری بسیار کمی دارند. در مقایسه، آلیاژ مونل پایداری بیشتری از خود نشان داد.
مقدمه
افزایش غلظت گازهای گلخانهای از جمله دیاکسید کربن در اتمسفر، عامل مهمی در پیدایش تغییرات آب و هوایی است که یکی از بزرگترین تهدیدات جدی زیست محیطی در این دوران میباشد .[1] با توجه به اینکه سوختهای فسیلی منبع اصلی انرژی هستند، بنابراین انتظار میرود استفاده از آنها تا چندین دهه آینده ادامه داشته باشد. یکی از روشهای پیشنهاد شده برای ایجاد توافق بین جنبههای مثبت و منفی سوختهای فسیلی، جذب و ذخیره کربن است. در این روش کربن جذب شده، متراکم شده و به مدتهای طولانی در ساختارهای زمینشناسی مانند اقیانوسها، به دور از اتمسفر ذخیره میشود و یا به محصولات مفیدی مانند کربن عنصری، هیدروکربنها، متانول و دیگر مواد شیمیایی تبدیل میشود .
[3 ,2] در دهه 1960، محققین اعلام کردند که کربن میتواند از نمکهای مذاب حاوی یون کربنات و لیتیم به صورت الکتریکی رسوب داده شود .[2] احیای غیرمستقیم دی اکسید کربن بوسیله احیای یونهای کربنات به کربن و در نمکهای کربنات مذاب طبق واکنش 1 انجام میشود .[7-3] - 1 - یونهای اکسید تولید شده در این واکنش میتوانند طبق واکنش 2 با دی اکسید کربن موجود در اتمسفر بالای نمک مذاب واکنش داده و یونهای کربنات را دوباره تولید نمایند .
[2] - 2 - یکی از چالشهای این روشها یافتن آند مناسب در فرایند الکترولیز است. به این منظور مواد مختلفی مورد بررسی قرار گرفتهاند. آند مناسب باید بتواند دمای بالای فرایند را تحمل کرده، هدایت و پایداری مناسب داشته، خنثی بوده و در نمک مذاب تجزیه شیمیایی نشود .[2] یین1 و همکارانش در سال 2013 آندهای مختلفی از جمله نیکل، فولاد زنگ نزن، مس، پلاتین، ایریدیم، دیاکسید قلع - SnO2 - و آلیاژ Ni10Cu11Fe را در مخلوط یوتکتیک کربناتهای سدیم، پتاسیم و لیتیم در 500 درجه سانتیگراد مقایسه نمودند.
نتایج این تحقیق نشان دهنده انحلال فولاد زنگ نزن و نیکل، تشکیل لایه اکسید مس بر روی الکترود مسی بدون ایجاد تغییر محسوس در قطر آن و تشکیل حفرات ناشی از خوردگی در آلیاژ Ni10Cu11Fe میباشد، در حالی که آند SnO2 حتی در 500 ساعت الکترولیز هیچ تغییری نشان نداده است .[3] بررسی دیاکسید قلع در مخلوط کربناتهای لیتیم و پتاسیم، نشان میدهد این ماده به عنوان آند میتواند مناسب باشد اما نسبت به شوکهای حرارتی بسیار حساس است.
همچنین در مقایسه با فولاد زنگ نزن مقاومت SnO2 بالاتر است لذا کربن کمتری تولید مینماید. همچنین دیده شده است در مورد فولاد زنگ نزن در دماهای بالا، آند رویین میشود، در حالی که در دماهای پایین آند خورده میشود. علاوه بر این در دمای پایین با افزایش ولتاژ، انحلال فولاد زنگ نزن افزایش مییابد .[5] در این راستا، پژوهش حاضر با هدف بررسی رفتار آند در فرایند الکترولیز مخلوط کلرید کلسیم و 0/5 درصد مولی اکسید کلسیم انجام شد. مس، مونل و اینکونل در این فرایند به عنوان آند مورد استفاده قرار گرفتند. نحوه عملکرد این فلزات با استفاده از اطلاعات ترمودینامیکی موجود در مرجع 8 و رسم نمودار جریان - زمان در طی فرایند مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش تحقیق
برای تهیه الکترولیت مورد استفاده در این پژوهش، از مخلوط پودرهای کلرید کلسیم و 0/5 درصد مولی اکسید کلسیم به صورت خشک و خالص استفاده شد. الکترود کاتد از جنس فولاد 316 به صورت لوله با قطر داخلی 5/36 و خارجی 9/90 میلیمتر انتخاب شد. این لوله همچنین مسیر ورود گاز دی اکسید کربن به داخل سیستم را نیز فراهم نمود. مشخصات آندهای مورد استفاده در جدول 1 آورده شده است.
** در 871 درجه سانتیگراد ذوب و الکترولیز نمک مذاب در بوته آلومینایی به ارتفاع خارجی 7، ارتفاع داخلی 6/5، قطر خارجی 6 و قطر داخلی 5/5 سانتیمتر انجام شد. مقدار 120 گرم از مخلوط پودر آماده شده در داخل بوته ریخته شد و سپس در داخل راکتور فولادی از جنس فولاد310 به قطر خارجی 7/8، قطر داخلی 6/8 و ارتفاع 60 سانتیمتر قرار گرفت. همچنین برای پوشاندن درب راکتور و جلوگیری از خروج گاز، از درپوش تفلونی - PTFE - استفاده شد. برای قرارگیری الکترودها بر روی درپوش سوراخهایی به قطر 1 سانتیمتر برای کاتد و 0/5 سانتیمتر برای آند ایجاد شد.
