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WO2024213538A1 - Particle electrode system and particle electrode reactor - Google Patents

Particle electrode system and particle electrode reactor Download PDF

Info

Publication number
WO2024213538A1
WO2024213538A1 PCT/EP2024/059609 EP2024059609W WO2024213538A1 WO 2024213538 A1 WO2024213538 A1 WO 2024213538A1 EP 2024059609 W EP2024059609 W EP 2024059609W WO 2024213538 A1 WO2024213538 A1 WO 2024213538A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
particle
counter
counter electrode
reactor
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/059609
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Franzreb
André Tschöpe
Michael ABT
Original Assignee
Karlsruher Institut für Technologie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut für Technologie filed Critical Karlsruher Institut für Technologie
Publication of WO2024213538A1 publication Critical patent/WO2024213538A1/en

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    • C25B9/65Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • the present invention relates to a new particle electrode system with a particle electrode and at least one counter electrode arranged within the particle electrode.
  • the invention also relates to the particle electrode and the counter electrodes themselves and to a reactor comprising the new particle electrode system, the particle electrode and/or the counter electrodes.
  • the invention relates to the use of the particle electrode system or reactor described herein in electrochemical or electrobiotechnological processes and to a process for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor with the particle electrode system described herein.
  • Electrochemical and electrobiotechnological processes take place primarily at the interface between the electrode and the surrounding solution. In order to achieve high conversion rates, the ratio of electrode surface to solution volume must be maximized. Particle electrodes in the form of fixed or fluidized bed electrodes are an efficient way of maximizing the available electrode surface per reactor volume. Electrochemical reactions are an essential component of many technical production processes. The best-known example is chlor-alkali electrolysis. Electrochemical reactions are also increasingly used in inorganic and organic synthesis reactions and in connection with enzymatic reactions. Finally, electrochemical reactions offer an efficient way to detoxify or destroy contaminants in wastewater treatment plants or the treatment of process water.
  • particle electrodes offer the additional advantage, in addition to a high specific electrode surface, that the biocatalysts required for the reactions, e.g. whole-cell catalysts or enzymes, can be immobilized on the particles of the particle electrode. This means that in a continuous process, i.e. with a constant or intermittent flow through the electrode space (process space), discharge or flushing out and thus a decrease in the expensive biocatalysts can be avoided.
  • the spatial proximity of the electrochemical and biocatalytic reactions for example, requires short material transport paths and thus accelerated reaction kinetics.
  • electrochemical reactor types based on particle electrodes, which are characterized by optimized charge transport and thus fast reaction kinetics and which enable simple and fast, partial or complete replacement of the particle electrode.
  • Such electrochemical reactor types are of particular interest for industrial use, so that scalability to the industrial scale and thus a high degree of variability in the design is desirable.
  • the possibility of continuous process control is also a key criterion and interruption of reactor operation for replacing the electrode particles or reaction solution should be minimized as far as possible and any necessary replacement should be as simple and quick as possible.
  • electrochemical reactors based on particle electrodes have already been developed.
  • magnetically induced fluidized bed reactors for electrochemical wastewater treatment or magnetically induced electrochemical fluidized bed reactors for electroenzymatic synthesis processes based on a fluidized particle electrode made of magnetizable conductive particles were developed.
  • the electrical contact could be achieved by magnetically stabilizing the fluidized particle bed.
  • the particle electrode can be improved [Tschöpe, A., et al., A magnetically induced fluidized-bed reactor for intensification of electrochemical reactions. Chemical Engineering Journal, 2020. 385; Tschöpe, A., et al., Electrical conductivity of magnetically stabilized fluidized-bed electrodes - Chronoamperometry and impedance studies. Chemical Engineering Journal, 2020. 396; Tschöpe, A. and M. Franzreb, Influence of non-conducting suspended solids onto the efficiency of electrochemical reactors using fluidized bed electrodes. Chemical Engineering Journal, 2021. 424],
  • the reactor systems described therein consist of two concentric cylinders, the inner working electrode chamber with the particle electrode and an annular gap-shaped counter electrode chamber that surrounds it.
  • the inner electrode chamber (working electrode chamber) is separated from the outer counter electrode chamber by a cation exchange membrane.
  • the cylinder wall of the inner cylinder chamber has round openings.
  • a stationary electrode made of platinized titanium is used to electrically contact the working electrode chamber.
  • the electrode particles are held within the working electrode chamber via a built-in PTFE filter.
  • a platinized titanium electrode made of expanded metal is placed in the outer cylinder chamber (counter electrode chamber), which serves as the counter electrode of the reaction system.
  • this type of reactor can also have an additional gas input into the working electrode chamber.
  • This type of reactor is therefore characterized by the fact that the particle electrode is arranged within a counter electrode that surrounds it.
  • An example is the reactor according to EP0171478A2, in which the reactor has a cylindrical electrolysis cell main body which is divided by a diaphragm into a main electrode chamber and a counter electrode chamber.
  • a particle electrode on which, for example, dissolved metals are electrolytically deposited or on which organic substances are electrolytically decomposed.
  • An electrolyte is continuously fed into the main electrode chamber, which keeps the particle electrode in suspension.
  • the counter electrode separated by the diaphragm is porous and is designed, for example, as expanded metal. Gas formed on the counter electrode can penetrate through the pores into the interior of the porous counter electrode and rise there.
  • the diaphragm surrounding the counter electrode chamber is open at the top to allow gas to escape.
  • a particle bed is also provided in the inner region of the counter electrode, which serves to build up a flow resistance to avoid short-circuit flows of the supplied electrolyte.
  • the current is usually supplied to the particle electrode via a simple metal rod or an arrangement of rods.
  • US4206020 also describes such reactor types in the classic design of an electrochemical fluidized bed electrode, in which a cylindrical particle electrode is arranged within a cylindrical counter electrode.
  • the current is additionally supplied via an extension of the contact in the form of a vertically extending cylindrical network at the edge of the particle electrode.
  • US4183792 describes a process for the oxidation of Ni(OH)2 in a reactor which is equipped with a stationary particle bed electrode, a bed of nickel pellets, as the working electrode (anode), and in which the counter electrode is designed in the form of a large number of individual cylindrical elements which are immersed vertically in the particle bed of the particle electrode.
  • Simple, solid stainless steel rods are used for the counter electrodes, which are coated with a non-conductive porous layer to prevent an electrical short circuit with the particle bed.
  • the particle bed is contacted with a contacting electrode in the form of a wire mesh arranged at the bottom of the particle bed.
  • US3180810 describes a variant of a reactor structure in which the particle electrode is formed in a housing which has a plurality of recesses and in which counter electrodes are arranged in these recesses, so that several counter electrodes extend into the particle bed at different locations, virtually shielded by the housing recesses.
  • the cathode chamber is surrounded by a permeable cation exchange membrane and a three-dimensional particle electrode is provided between the anode electrode and this permeable membrane. Due to the fact that the particle bed is only contacted at the edge, this arrangement also results in long paths for the charge flow through the particle bed, which has a detrimental effect on resistance and efficiency in scaled systems.
  • the reactors shown therein can be in the form of several cells packed with particles arranged in a honeycomb shape, which form a so-called biocathode.
  • a honeycomb shape which form a so-called biocathode.
  • anodes are provided, which are shielded from the particle bed by an ion exchange membrane and which have current collectors on their outer surface, which extend vertically along the anode wall through the particle bed.
  • the inner walls of the honeycomb-shaped cells also have internal current collectors, which also extend vertically along the outer edges of the particle beds.
  • the individual honeycombs can be separated from one another by internal current collectors in the form of partitions extending vertically through the cells.
  • reactors with particle electrodes are known, in which one or both electrodes are designed in such a way that an at least partial horizontal extension into a particle bed is made possible, for example by attaching rectangular or radial sheets or nets to an electrode extending vertically through a particle bed.
  • the structure of these modules is designed in such a way that the working electrode, designed as a long, narrow particle bed, is located in the center and is surrounded by an insulating diaphragm, a helical support structure and finally by a cylindrical counter electrode on the outside.
  • a bundle of such electrochemical modules is arranged in a common reactor housing through which a coolant flows.
  • the reaction takes place in the area of the working electrode, designed as a particle electrode, which forms the core of the tubular modules.
  • the object of the present invention was to provide a new, improved particle electrode system and a new, improved reactor for electrochemical or electrobiotechnological processes that do not have the disadvantages of the prior art.
  • the object of the present invention was to provide an improved particle electrode system that is characterized by short electron transport paths through the entire particle electrode and thus enables optimized charge transport and fast reaction kinetics, thus making it possible to improve efficiency, even when scaled up to an industrial scale.
  • a further object was to provide a particle electrode system that enables improved cooling of the reactor. Improved cooling should be characterized, for example, by the possibility of uniform and constant cooling of the entire electrode chamber or the entire particle electrode or the entire reactor.
  • Improved cooling should reduce or avoid temperature gradients between the outside and inside of the reactor. Improved cooling should be characterized by rapid and uniform temperature control and improve or avoid sluggish temperature adjustment between the outside and inside of the reactor. An improved cooling system should also be characterized by the fact that the above-mentioned advantageous improved cooling performance (uniform, constant and quickly adjustable temperature control) is possible even in large reactors on an industrial scale.
  • a further object was to provide a To provide a particle electrode system in which the undesirable occurrence of gas bubbles on the counter electrodes can be reduced or there is a possibility of simply removing such undesirable gas bubbles on the counter electrodes.
  • a further object was to provide a particle electrode system which enables a simple and quick, partial or complete replacement of the particle electrode or used electrode particles.
  • a further object of the invention was therefore to provide a particle electrode system or a reactor which is suitable for particularly efficient operation on an industrial scale and offers the possibility of continuous process control, and with which an interruption of reactor operation for an exchange of the electrode particles or the reaction solution can be minimized as far as possible.
  • the exchange of the electrode particles or the reaction solution should be as trouble-free, simple and quick as possible in continuous operation.
  • the particle electrode systems should offer the greatest possible variability and flexibility with regard to the inlet and outlet systems so that they can be combined with a large number of differently designed external additional components.
  • a particular aspect of the invention was to provide improved particle electrode systems that are suitable for sizes ranging from laboratory plants to miniplants and pilot plants, as well as for industrial scale, i.e. that are easily and reliably scalable and are characterized by a high degree of variability in design.
  • the new particle electrode system of the present invention is distinguished from those known from the prior art in particular by a special design of the electrical contact in the particle electrode.
  • the electrical contact of the particle electrode is designed according to the invention in the form of an arrangement that extends evenly distributed throughout the entire volume of the electrode particles in the particle electrode chamber.
  • the at least one counter electrode is arranged inside the particle electrode. This minimizes the electron transport paths and makes them more uniform throughout the entire volume of the particle electrode (working electrode).
  • the electrode arrangement according to the invention can be scaled as required without the maximum distance between a point in the working electrode and the next counter electrode increasing.
  • the electron transport paths can thus be kept constant even in up-scaling and in large reactors on an industrial scale.
  • the system according to the invention can therefore be scaled as required in principle without any loss of efficiency.
  • the new particle electrode system of the present invention is also characterized by a new, more advantageous design of the counter electrodes, which on the one hand enables a significant improvement in the cooling of the electrodes or the reactor and on the other hand enables a quick and easy replacement of used electrode particles and reaction solution from the particle electrode during operation without having to dismantle the reactor or partially rebuild it.
  • the new design of the counter electrodes also surprisingly makes it possible to quickly, easily and continuously remove gas bubbles that appear at the counter electrodes from the system or to allow the introduction of gaseous components if required.
  • the present invention solves the above-described disadvantages of the prior art through the novel, almost three-dimensionally interwoven arrangement and design of the working electrode chamber with the particle electrode and the novel design of the counter electrode chamber, in which the counter electrodes serve as multifunctional elements that, in addition to electron transport, also fulfill functions for particle transport/exchange as well as for cooling and, if necessary, gas introduction.
  • the novel arrangement and design makes it possible for the first time to realize a reactor system with a particle electrode that can be scaled almost as desired.
  • Electrode system comprising an electrode chamber (1) with
  • a particle electrode (2) comprising a-i. electrode particles (2a) distributed in the volume of the electrode chamber and a-ii. one or more power supply lines (7) and a-iii. one or more conductive elements (8), wherein the power supply lines (7) and the conductive elements (8) are in direct contact with one another and together form an arrangement which extends through the filling level (2b) and the horizontal extent (2c) of the electrode particles in the electrode chamber;
  • At least one counter electrode (18) comprising bi. a conductive rod or wire (19a), b-ii. an outer casing (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that b-iii. an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the casing (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a), and which b-iv. has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution is passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a), and bv. an electrical contact (9); wherein the at least one counter electrode (18) is arranged within the particle electrode (2) and wherein the conductive elements (8) extending through the particle bed of the electrode chamber have recesses (8a) within which the counter electrodes (18) are arranged.
  • the aforementioned electrode system wherein two or more conductive elements (8) extending through the electrode chamber are provided, which are each arranged parallel to one another and evenly distributed in the electrode chamber (1).
  • Electrodes (8) extending through the electrode chamber are in the form of conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets.
  • One of the aforementioned electrode systems wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber and the at least one counter electrode (18) are arranged such that the at least one counter electrode penetrates the recesses (8a) of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber and thus forms a three-dimensionally interlocking arrangement with them.
  • One of the aforementioned electrode systems wherein the conductive rod or wire (19a) of the at least one counter electrode (18) is in the form of a hollow rod.
  • One of the aforementioned electrode systems which has at least two counter electrodes (18) in the form of a hollow rod (19a), wherein
  • At least one counter electrode is designed as a cooling counter electrode (18a) which has a drain device (10) and an inlet device (12) through which coolant is passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a), and
  • At least one counter electrode is designed as a distribution counter electrode (18b) which has a device (11, 20) for supplying and removing electrode particles into the electrode chamber via the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18b).
  • One of the aforementioned electrode systems further comprising
  • Devices for supplying and removing reaction solutions from the particle electrode which may comprise drain openings (4, 17) and inlet openings (5, 15) as well as chambers for distributing (21), collecting (23) and compensating the expansion volume of the particle electrode (22).
  • One of the aforementioned electrode systems which has more than one counter electrode (18) designed as cooling counter electrodes (18a).
  • One of the aforementioned electrode systems wherein a number of distribution and cooling counter electrodes are provided in a ratio of distribution counter electrode(s) (18b): cooling counter electrodes (18a) of 1:4 to 1:20, preferably 1:6.
  • Electrodes One of the aforementioned electrode systems, wherein the electrode particles have catalytically active functionalities and/or magnetic properties immobilized on their surface.
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are designed in the form of conductive grids or porous nets which are permeable to the electrode particles (2a) and have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a).
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are dimensioned such that they extend over the entire cross-sectional area up to the edges of the electrode chamber (1) and wherein the recesses (8a) are designed and positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another each have recesses (8a) positioned parallel to one another through which the counter electrodes are introduced into the electrode chamber (1) and are thereby circularly enclosed by the conductive elements (8).
  • sheath (19b) of the counter electrodes (18) is formed of materials which allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26).
  • sheath (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
  • At least one counter electrode is provided in the form of a distribution counter electrode (18b), which has a non-conductive distributor piece (29) and supply and removal devices (11, 20) for the exchange of electrode particles between the particle electrode and the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b).
  • the distributor piece (29) of the distributor counter electrode (18b) is designed such that several separate sub-channels (32) in the form of separate sub-segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these sub-channels, which connect the hollow inner region (27) of the distributor counter electrode (18b) to the particle electrode and through which the electrode particles can be exchanged between the inner region of the distributor counter electrode (18b) and the particle electrode.
  • At least one counter electrode in the form of an inflow or return flow counter electrode (18c) is provided, which is designed such that an internal supply or return of electrolyte solution takes place to the region in which the associated inlet opening of the electrolyte is located, so that inlet and outlet connections for the electrolyte are on the same side of the reactor.
  • At least one counter electrode has devices for the continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions, which can comprise valves, inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25), as well as coupling devices for connection to external components.
  • Particle electrode (2) comprising in a housing (1a) electrode particles (2a) dispersed in a working electrolyte solution, and one or more power leads (7) and one or more conductive elements (8), wherein the power leads (7) and the conductive elements (8) are in direct contact with one another and together form an arrangement which extends through the filling level (2b) and the horizontal extent (2c) of the electrode particle dispersion in the electrode chamber and wherein the conductive elements (8) extending through the particle bed of the electrode chamber have recesses (8a) within which counter electrodes can be arranged.
  • the aforementioned particle electrode which also has one or more of the following features:
  • two or more of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are provided and these are arranged parallel to one another and evenly distributed in the electrode chamber (1);
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are in the form of conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets;
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are arranged such that when at least one counter electrode is introduced within the recesses (8a) of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber, the at least one counter electrode forms a three-dimensionally interlocking arrangement with these;
  • the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are designed in the form of conductive grids or porous nets which are permeable to the electrode particles (2a),
  • the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are designed in the form of conductive grids or porous nets which have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a),
  • the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are dimensioned such that they extend over the entire cross-sectional area up to the edges of the housing (1a) and have recesses (8a), preferably circular recesses, which are positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another have recesses positioned parallel to one another (8a) through which counter electrodes, preferably rod-shaped counter electrodes, particularly preferably those in the form of a hollow rod, can be inserted into the housing (1a) and are thus circularly enclosed by the conductive elements (8);
  • the particle electrode is designed as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode;
  • the electrode particles have a diameter of 5 to 5,000 pm, preferably 100 to 1,000 pm;
  • the electrode particles have catalytically active functionalities immobilized on their surface;
  • the electrode particles have magnetic properties.
  • Counter electrode (18) comprising a conductive rod or wire (19a) which is designed in the form of a hollow rod, an outer insulating sheath (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the sheath (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a), and which has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution can be passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a), and an electrical contact (9).
  • sheath (19b) is formed from materials selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
  • One of the aforementioned counter electrodes which has devices for the continuous flow of counter electrode electrolyte through the annular gap (26), which can comprise inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25).
  • One of the aforementioned counter electrodes which has devices for the continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode, which supply and Drainage openings, pipes and chambers for distribution and collection, as well as connections to external components.
  • One of the aforementioned counter electrodes which is designed in the form of a cooling counter electrode (18a) and has a drain device (10) and an inlet device (12) through which coolant can be passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a).
  • One of the aforementioned counter electrodes which is designed in the form of a distribution counter electrode (18b) and has a non-conductive distribution piece (29) and a device for supplying and removing (11, 20) electrode particles via the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b).
  • the distributor piece (29) is designed such that several separate partial channels (32) in the form of separate partial segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these partial channels, which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) with the external environment and through which electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the external environment.
  • One of the aforementioned counter electrodes which is designed in the form of an inflow or return flow counter electrode (18c), which is designed such that a supply or return or diversion of electrolyte solution takes place through the counter electrode into the reactor system or to selected positions with inlet or outlet connections or collection or distribution chambers in the reactor.
  • Reactor comprising one of the aforementioned electrode systems, one of the aforementioned particle electrodes, one or more of the aforementioned counter electrodes or combinations thereof.
  • the aforementioned reactor which comprises a particle electrode with electrode particles with magnetic properties and provides magnets outside the electrode housing which enable the application of magnetic fields in the particle electrode.
  • electrochemical or electrobiotechnological processes comprising electrochemical reaction and synthesis processes, electroenzymatic reaction and synthesis processes, electromicrobial reaction and synthesis processes
  • the aforementioned method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor further comprising the supply or return or diversion of electrolyte solution through the counter electrode designed as an inflow or return flow counter electrode (18c) into the reactor system or to selected positions with inflow or outflow connections or collection or distribution chambers in the reactor.
  • Counter electrode electrolyte solution and Particle electrode electrolyte solution is passed separately through different inflow or return current counter electrodes (18c).
  • the inventors of the present invention have developed a new particle electrode system which comprises a novel particle electrode and novel counter electrodes and is characterized by a special arrangement of the components.
  • the electrode system according to the invention (also referred to herein as particle electrode system) comprises a particle electrode (2) and at least one counter electrode (18) in an electrode chamber (1), wherein the at least one counter electrode (18) is arranged within the particle electrode (2).
  • a particle electrode according to the invention can basically be based on any conventional particle electrode.
  • electrode particles (2a) are dispersed in an electrolyte solution (working electrolyte solution) in a container or housing, also referred to as an electrode chamber.
  • the electrode particles dispersed in the working electrolyte solution are also referred to herein together as an electrode particle dispersion.
  • a current supply leads through the bed of electrode particles.
  • particle electrodes that can be designed according to the present invention include particles made of the materials gold, platinum, copper, steel, activated carbon and graphite.
  • Composite particles consisting of at least two materials can also be used as particle electrodes, such as graphite particles with a magnetite core.
  • a particle electrode can be produced on the basis of a so-called "inverse fluid bed".
  • these basic elements of a particle electrode are designed in such a way that one or more power leads (7) are provided, which are directly connected to one or more conductive elements (8) and thus form a current-conducting arrangement (also referred to herein as "electrical contacting of the particle electrode").
  • This current-conducting arrangement of current leads (7) and conductive elements (8) are arranged in the electrode particles of the particle electrode in such a way that they extend on the one hand at one or more points in the electrode chamber through the filling level (2b) of the electrode particles and on the other hand also at several levels of the electrode chamber through the electrode particles in their horizontal extension (2c) in the electrode chamber.
  • the filling volume of the particle electrode is thus derived from the filling level and the (horizontal) cross-sectional area of the electrode chamber.
  • the number of power supply lines (7) and conductive elements (8) extending through the electrode chamber varies with the size of the electrode chamber or the reactor. For smaller reactor diameters, for example those on a laboratory scale, a single power supply line (7) may be sufficient, which extends through the entire filling height (2b) of the electrode particles and which is connected to several conductive elements (8) arranged parallel to one another and distributed over different levels. In such an exemplary embodiment, the conductive elements (8) arranged parallel to one another extend at different levels of the filling height of the electrode particles, quasi horizontally, through the electrode chamber.
  • the length of the horizontally extending conductive elements (8) is ideally selected so that they extend as far as possible from the connected power supply line (7) to the points in the electrode chamber that are furthest away from it.
  • such an arrangement can also be designed tilted by 90°, in which the power supply (7) then extends horizontally through the electrode particles and, starting from this, the connected conductive elements (8) extend at various points through the filling level of the electrode particles, quasi vertically, in the electrode chamber.
  • the conductive elements (8) with the recesses (8a) provided therein extend horizontally through the particle bed, i.e.
  • extension through the electrode chamber this means an extension through the particle bed or the electrode particle dispersion in the electrode chamber due to the structure according to the invention.
  • power supply(s) and conductive elements can in principle be freely varied with regard to their geometric or spatial design and can be freely adapted to the geometry of the electrode chamber or the reactor. In principle, it is possible to connect one or more power supplies to the outer Edges of the electrode chamber to be placed vertically in the particle bed and from there the conductive elements to extend towards the interior of the electrode chamber.
  • Such a horizontal extension can be extended as desired, for example to the center of the reactor or to the opposite edge of the electrode chamber. It is also possible to have one or more power leads immersed vertically in the particle electrode bed at one or more points away from the outer edge of the electrode chamber and to have the conductive elements extend horizontally from there towards the outer edge or to the center of the electrode chamber. An arrangement with conductive elements extending in a star shape in different horizontal directions is also possible.
  • the power supply lines can run horizontally through the electrode chamber at different heights or levels of the filling level of the electrode particles and the conductive elements connected to them extend from there either also horizontally in other directions of the electrode chamber (almost forming an arrangement extending in two dimensions in a cross or star shape) or they extend vertically through the filling level of the electrode particles.
  • the decisive factor in the selected design of the arrangement that forms the electrical contact of the particle electrode is that conductive elements extend evenly through all areas of the electrode chamber and thus ensure an even distribution of even and short electron transport paths.
  • conductive elements (8) are arranged parallel to one another along a power supply line (7). Parallel conductive elements then extend through the electrode chamber on different horizontal planes or vertically spaced from one another.
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber can in principle be designed in all conceivable, sufficiently thin, geometric shapes that allow an extension through the particle electrode bed.
  • the conductive elements are preferably in the form of conductive sheets, strips, wires, disks, grids or porous nets. Conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets are preferred. Grids or porous nets are particularly preferred.
  • Such power supplies (7) and/or conductive elements (8) can basically be formed from any conventional and known conductive materials. Examples include materials made of titanium, steel, nickel, gold, platinum, silver, copper, tungsten, zirconium, tantalum, graphite, activated carbon and from materials with conductive surfaces made of e.g.
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber have recesses (8a) within which the counter electrodes (18) are arranged.
  • recesses can be formed in the form of bends, such bends being designed in such a way that they enable the contact-free reception and partial enclosure of the counter electrodes.
  • the recesses are usually in the form of cutouts or holes which depict the shape of the counter electrodes to be accommodated therein and are large enough to receive them contact-free and to completely (or partially) enclose them all around.
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are designed in the form of conductive grids or porous nets.
  • Such grids or nets are preferably dimensioned such that they extend over an entire plane (e.g. the entire cross section) of the electrode chamber, in the case of a horizontal arrangement in the electrode chamber, for example over the entire horizontal cross-sectional area from the outer edge to the respective opposite outer edge or in the case of a vertical arrangement in the electrode chamber, for example over the entire vertical cross-sectional area from one outer edge to the opposite outer edge and over the entire filling height.
  • the conductive elements In such embodiments in which the conductive elements have a large area, they must be permeable to the electrode particles (2a).
  • the conductive elements are designed in the form of grids or nets, they preferably have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a).
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are dimensioned such that they extend over the entire (horizontal or vertical) cross-sectional area (i.e. through the entire particle bed) to the outer edges of the electrode chamber (1).
  • the recesses (8a) are designed in the form of holes which are positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another each have recesses (8a) positioned parallel to one another through which the counter electrodes are introduced into the electrode chamber (1) and are thereby circularly enclosed by the conductive elements (8) at different levels. If rod-shaped counter electrodes are used, the recesses are circular.
  • the size of the recess should be selected so that contact-free insertion of the counter electrodes is possible.
  • devices for supplying and removing reaction solutions from the particle electrode can be provided, which can comprise drain openings (4, 17) and inlet openings (5, 15) as well as chambers for distributing (21), collecting (23), and compensating the expansion volume of the particle electrode (22).
  • Such devices can either feed gases directly into selected areas of the electrode system via separate feed lines or they can be fed in via the counter electrodes, for example via the inner cavity in hollow rod counter electrodes or via the annular gap.
  • the particle electrodes of the present invention can be operated as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode. Particularly preferred are flow-through fixed bed particle electrodes and conventional or inverse fluid bed particle electrodes with a low expansion of the fluid bed of 1 to 30%, preferably 2 to 10%.
  • the particle electrodes of the present invention generally have a diameter of 5 to 5,000 pm, preferably 100 to 1,000 pm.
  • the electrode particles of the particle electrodes of the present invention can be surface-functionalized, i.e. functional groups can be immobilized on their surface, which provide the electrode particles with additional functional properties.
  • functional groups can be immobilized on their surface, which provide the electrode particles with additional functional properties. Examples include functionalizations for immobilizing enzymes and microorganisms, e.g. affinity tag-based groups and covalent groups, as well as structures for immobilization by inclusion or adsorption.
  • Preferred examples include electrode particles that have catalytically active functionalities immobilized on their surface and/or that have magnetic properties.
  • surface functionalizations include doping with nano/microparticles and foreign atoms, coatings and composite structures to improve the electrocatalytic properties, immobilized synthetic or biological enzymes and whole-cell catalysts.
  • magnetism is not a surface property but a property of the volume of the particles. In the case of magnetic electrode particles, the magnetic properties therefore result from the use of a magnetic material or composite materials with a magnetic component.
  • conventional electrodes could also be used as counter electrodes in the particle electrode systems according to the invention, such as conventional solid or hollow rod electrodes.
  • special counter electrodes are used which comprise a conductive rod or wire (19a) which has an outer sheath (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the sheath (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a).
  • This annular gap has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution can be passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a).
  • the counter electrode also has an electrical contact (9).
  • the counter electrodes are surrounded at a certain distance by the sheath (19b), for example a fabric or a membrane, the electrode particles of the working electrode are prevented from coming into direct contact with the outer surface of the counter electrodes, which would lead to an electrical short circuit.
  • the constant distance between the sheath and the surface of the counter electrode can be achieved by an open-mesh, non-conductive spacer.
  • a separate electrolyte solution can be pumped through the annular gap, i.e. the gap provided between the sheath and the outer surface of the counter electrode.
  • the counter electrode electrolyte in this separated annular gap area can be cyclically or continuously exchanged or circulated via a separate fluidic system. This allows, for example, undesirable gas bubbles formed on the counter electrode surface to be quickly and continuously removed from the system.
  • the fluidic system of the counter electrode is guided through the annular gap (26) via devices for the continuous flow of counter electrode electrolyte.
  • Such devices include, for example, inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distributing (24) and collecting (25) the counter electrode electrolyte. These devices enable the counter electrode electrolyte of the fluidic system of the counter electrodes to flow through the inlet and outlet openings and the distribution and collection chambers through the annular gap that surrounds the counter electrodes.
  • the casing (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials that allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26).
  • the casing (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials that are selected are selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
  • the sheath (19b) is made of fabric such as non-conductive, fine-meshed polymer fabric, the sheath serves exclusively to prevent direct contact between the particle electrode and the counter electrode and to form an annular gap between the sheath and the surface of the counter electrode, which can be flushed with a counter electrode electrolyte.
  • the sheath (19b) is an ion exchange membrane, it also serves as a semi-permeable separating layer that allows either cations or anions to pass through and at the same time prevents the oppositely charged ion type from passing through.
  • the sheath can also be designed in the form of a porous, non-conductive diaphragm, which is supported by a coarse-mesh structure (spacer), so that the diaphragm maintains the desired distance from the conductive rod of the counter electrode to form the annular gap, even under the weight pressure of the particle electrode.
  • a coarse-mesh structure spacer
  • non-conductive polymer fabric coverings include extruded or sintered separators, nonwovens, membranes, fine-pored grids and fabrics.
  • ion exchange membrane coatings include cation exchange membranes, anion exchange membranes, bipolar membranes and chlor-alkali membranes.
  • the conductive rod or wire (19a) of the counter electrodes according to the invention is designed in the form of a hollow rod.
  • the inner surface of such hollow counter electrodes is electrically insulated by a coating or an installation.
  • Hollow rod counter electrodes preferably have an electrically non-conductive coating on the inner surface of their cavity (27).
  • the inner region or inner cavity (27) of such hollow rod counter electrodes is fluidically separated from the counter electrode electrolyte that flows through the annular gap.
  • the inventors of the present invention have developed special designs of counter electrodes in the form of hollow rods, which enable further special advantages for the particle electrode systems according to the invention.
  • Counter electrodes specific counter electrode types can be provided in the particle electrode system.
  • a novel cooling system can be integrated into the particle electrode systems according to the invention by means of a so-called cooling counter electrode (18a) and on the other hand, a novel system for exchanging used electrode particles can be integrated by means of a so-called distribution counter electrode (18b).
  • the cavity of the counter electrodes can be used to pass through other components, for example for introducing gases or other reaction solutions (educts) or for the purpose of return flow or the return or diversion of electrolyte solutions through the reactor system.
  • the hollow rod of the counter electrode penetrates all chambers of the particle electrode system or the reactor and thus, in addition to the function as a counter electrode, simultaneously also fulfills the function of cooling the interior of the reactor.
  • the cooling counter electrodes are connected to an external cooling water system via inlet and outlet openings.
  • a separate cooling circuit that is fluidically decoupled from the electrolyte circuits of the particle electrode and the counter electrodes, the residence time of the cooling medium in the reactor can be regulated so that only a small temperature difference occurs between the inlet and outlet.
  • the local cooling capacity and thus also the temperature within the working electrode volume can thus be kept almost constant over the reactor height in a range that is optimal for the reaction. This is particularly important for electroenzymatic reactions, as these are very sensitive to reaction differences and temperatures that are too high quickly lead to enzyme inactivation.
  • a counter electrode according to the invention which is designed as a cooling counter electrode (18a), has a drain device (10) and an inlet device (12), through which coolant can be passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a).
  • the reactor volume can be cooled directly from the inside.
  • a uniform and continuous temperature control can be achieved within the entire reactor.
  • the distances between such cooling units can also be kept sufficiently small so that rapid temperature control can be achieved and the cooling effect achieved with external cooling systems The associated inertia during temperature adjustments is prevented right into the interior of the reactor due to long distances for temperature equalization.
  • the number, spatial distribution and spacing of such cooling counter electrodes in an electrode chamber can be selected and variably adjusted depending on the size of the electrode chamber or reactor and the reaction carried out therein or the heat development associated with the respective reaction type.
  • This new type of counter electrode is therefore characterized by a high degree of variability in terms of possible applications.
  • Such a cooling concept based on the cooling counter electrodes according to the invention is, in contrast to conventional cooling via the reactor jacket or, for example, the reactor cover, practically independent of the reactor dimensions and freely scalable.
  • cooling counter electrode A specific embodiment of such a cooling counter electrode is described in detail below by way of example.
  • the counter electrode hollow rod ends within the working electrode volume just above the bottom.
  • the end piece of a distribution counter electrode is specially designed to enable the continuous supply and removal of electrode particles from the electrode chamber.
  • a counter electrode according to the invention which is designed as a distribution counter electrode (18b), thus has a device (11, 20) for supplying and removing electrode particles into the electrode chamber via the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18b).
  • a counter electrode according to the invention in the form of a distribution counter electrode has a non-conductive distribution piece (29) and supply and discharge devices (11, 20) for exchanging electrode particles between the particle electrode and the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b).
  • the distribution piece (29) of the distribution counter electrode (18b) is preferably designed such that several separate sub-channels (32) in the form of separate sub-segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these sub-channels, which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) to the particle electrode, through which the electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the particle electrode.
  • the distribution piece (29) is designed such that several separate partial channels (32) in the form of separate partial segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these partial channels, which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) with the external environment, through which electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the external environment.
  • Such an inventive design makes it possible to form a fluidic connection that is sealed against the working electrode.
  • the opening that forms the end piece connects the interior of the counter electrode with the particle bed of the working electrode.
  • the inner wall of the counter electrode hollow rods is electrically insulated by a coating or insert, as already mentioned above.
  • the distribution counter electrode is closed so that the liquid rests inside the distribution counter electrode and no particles are fed into or removed from the working electrode space.
  • the drainage system can be set so that solution flowing in at high speed via the inlet and distribution openings flows into the interior of the distribution counter electrode, thus carrying along a high concentration of electrode particles, which can then be removed from the reactor. In this way, the electrode particles can be completely discharged if necessary.
  • new (e.g. unused) particles can then be pumped into the working electrode chamber of the reactor in the form of a slurry or particle suspension, where it is distributed across the cross-section. Excess solution supplied with the particle suspension can be discharged via other devices (collection openings, inlet and outlet systems). The undesired discharge of particles can be prevented by installing fine-mesh grids, nets or membranes.
  • This specific design of counter electrodes means that electrode particles whose functionality has been exhausted can be removed or fresh electrode particles can be added via the distribution counter electrodes, purely via pumping or targeted flow processes, without the need to open the reactor housing or loosen mechanical connections.
  • particle exchange using the distribution counter electrodes evenly distributed over the entire reactor cross-section is also much more homogeneous and scalable than would be possible with a conventional particle removal system attached to the side of the reactor wall.
  • a specific embodiment of such a distribution counter electrode is described in detail below by way of example.
  • one or more counter electrodes can be designed as so-called inflow or return flow counter electrodes (18c).
  • inflow or return flow counter electrodes (18c) can be used, for example, if external components are to be connected to the system which, due to their predetermined design and geometry, have connections for the inflow or outflow at positions that can be reached more easily by redirecting the electrolyte solutions to other positions in the electrode system or reactor. This makes it possible to bring about a targeted (re)direction of electrolyte solution flows through the counter electrodes designed as hollow rods into or through the reactor system, for example to selected positions in the reactor structure with inflow or outflow connections or collection or distribution chambers.
  • An electrolyte circuit can be implemented with only one supply and discharge of a partial flow, whereby a pump must also be connected to the reactor to keep the circuit running.
  • a counter electrode according to the invention which is designed as an inflow or return current counter electrode (18c), also has devices (11, 20) for supplying and removing the electrolyte solution(s) passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18c).
  • Such inflow or return current counter electrodes can also have devices, for example Fasteners, coupling pieces or adapters for connection to external components.
  • inflow or return flow counter electrodes a counter electrode is designed either as an inflow or as a return flow counter electrode.
  • a counter electrode is designed either as an inflow or as a return flow counter electrode.
  • the system can have one or more inflow counter electrodes as well as one or more return flow counter electrodes, or only one or more inflow counter electrodes or only one or more return flow counter electrodes are provided. This can be freely selected depending on requirements and reactor design, which further characterizes the high variability of the system according to the invention. There is also free variability with regard to the number of inflow and return flow counter electrodes.
  • the particle electrode system in turn forms the core component of a reactor in which the electrochemical or electrobiotechnological processes are carried out using the particle electrode system according to the invention.
  • the modular counter electrode concept according to the invention also offers the advantage of simple and uniform handling of the electrode particles, especially those with immobilized biocatalysts.
  • the number of positions in the reactor at which electrode particles can be exchanged can be easily expanded by scaling the reactor, without additional design measures being required.
  • the simple and, if necessary, continuous renewal of electrode particles with exhausted biocatalysts makes it possible to use biocatalysts with a service life of a few days or even hours. This also opens up applications in which the biocatalyst can be regenerated in external reaction vessels under changed conditions that cannot be realized in the actual synthesis reaction and can be returned to the electrochemical reactor.
  • the number of distribution and cooling counter electrodes is selected such that they are used in a ratio of distribution counter electrodes to cooling counter electrodes of 1:4 to 1:20, preferably 1:6.
  • the counter electrodes are preferably arranged evenly and symmetrically distributed within the particle electrode. It is important that the selected distribution enables uniform and continuous electron transport paths as well as a uniform and sufficiently homogeneous temperature setting.
  • the distance between the central axes of the counter electrodes is ideally between 1 to 30 cm, preferably between 2 to 10 cm.
  • the conductive elements (8) extending through the electrode chamber (i.e. through the particle bed) with the recesses (8a), as described in detail above, and the counter electrodes in the electrode chamber are arranged such that the counter electrodes penetrate the recesses of the conductive elements extending through the electrode chamber or are partially or completely circularly enclosed by them, as described in more detail above, so that a three-dimensionally interlocking arrangement of counter electrodes and conductive elements or electrical contacting of the particle electrode or is formed.
  • Such a three-dimensional contact system which is formed from the arrangement of the power supply (7) and the conductive elements (8) connected to it, enables almost any scaling of particle electrodes to an industrial scale.
  • Fillings made of conductive materials have a significantly lower conductivity than, for example, a continuous metal wire, which means that a power line in pure particle fillings leads to considerable energy losses due to ohmic losses after just a few centimeters of line length.
  • the three-dimensional electrical contacting of the particle electrode according to the invention enables efficient electrical contacting of the particle electrode over the entire working electrode volume.
  • these can also have devices for the supply and removal of reaction solutions, or dispersing or working solution from the particle electrode or working chamber, as well as counter electrode electrolyte and/or coolant and/or gases.
  • Such devices include, for example, drain openings, inlet openings, chambers for distributing and collecting reaction solutions, dispersing solution, electrolyte solution or coolant, chambers that enable compensation of the expansion volume of the particle electrode, as well as other devices for protection against undesired particle discharge, shut-off devices, valves, pumps, etc.
  • the present invention also includes a reactor operated using the electrode system described herein with the particle electrode described herein and the counter electrodes described herein.
  • a reactor according to the invention can also have magnets outside the electrode housing, via which magnetic fields can be applied in the particle electrode.
  • magnets can be magnetic coil(s) or permanent magnet(s).
  • Such a design is suitable for versions in which the reactor or the particle electrode installed therein is to be operated with electrode particles with magnetic properties.
  • the magnetized electrode particles form a local magnetic north or south pole on opposite sides.
  • the electrode particles are magnetically attracted to one another, resulting in the formation of particle chains.
  • the intensive mutual contact of the particles in such chains can further improve the electrical conductivity within the particle bed by reducing the voltage drop within the particle bed and thus ultimately improving the performance efficiency of the electrochemical reactor.
  • the electrode system according to the invention and the reactor with the components or modules described herein, such as the particle electrode according to the invention and the counter electrodes according to the invention, are suitable for use in electrochemical or electrobiotechnological processes. These include in particular electrochemical reaction and synthesis processes, electroenzymatic reaction and synthesis processes and electromicrobial reaction and synthesis processes. Specific examples include electroenzymatic co-factor regeneration, substitution by direct and indirect electron transfer and the electrochemical generation of substrate for enzymes. In combination with an aerobic or anaerobic microorganism, a direct electron transfer between the particle electrode and a mediated electron transport via electrochemically generated substrates such as hydrogen and formate are included. Purely electrochemical processes include electrosorption, electrodeposition and the removal of organic and metallic contaminants.
  • the present invention also includes a method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor, comprising
  • the method according to the invention can also comprise the supply, return or diversion of electrolyte solution through the counter electrodes designed as inflow or return flow counter electrodes, for example for supplying, returning or diverting components to selected inlets or outlets or connection points to connected components or external components.
  • the process according to the invention can also comprise gassing the reactor and/or supplying further reaction solutions, each through one or more counter electrodes.
  • Such supply, return or diversion as well as such gassing can also take place continuously and during ongoing reactor operation.
  • a continuous process or continuous operation of a reactor is also referred to as continuous if the flow is throttled or the flow direction is reversed in order to exchange the used particles.
  • the conditions in the reactor are not strictly stationary during a (partial) particle exchange.
  • the process and reactor system according to the invention can be operated in such a way that the supply of electricity and solution does not have to be completely stopped, which is a particular advantage of the present invention. Accordingly, a process and reactor operation according to the invention can be referred to as continuous.
  • the components described above and the process steps of the aforementioned process are not to be understood as an exhaustive list, but the individual modules or components described here, such as particle electrodes, counter electrodes, electrode systems or reactors, can of course include further components that are required for their operation and are generally known to a person skilled in the art. This also applies to the process sequence shown, which can be supplemented by further steps or process components if the process management requires this or makes sense.
  • FIG. 1 schematic representation of the basic structure of a reactor according to the invention
  • FIG. 2 Cross-sectional view of the reactor at the level of the axis A - A of Figure 1
  • FIG. 3 Detailed view of the lower area of a distribution counter electrode according to the invention
  • FIG. 5 schematic representation of an embodiment of a reactor according to the invention with magnets
  • FIG. 6 Details of a digital reactor twin of a reactor according to the invention created in COMSOL
  • FIG. 8 schematic representation of an internal supply of
  • Covering devices e.g. grids, nets or membranes
  • Partial channels in the form of an annular gap segment within the distributor piece (29) for supplying counter electrode electrolyte from the tube (30) into the annular gap (26)
  • Magnets e.g. magnetic coil(s) or permanent magnet(s)
  • Figure 1 shows a section through an exemplary basic structure of a possible embodiment of an electrochemical reactor system according to the invention.
  • a rod-shaped power supply (7) (several can be provided) is shown, to which conductive elements (8) in the form of coarse-mesh metal grids are attached at regular intervals.
  • the mesh size of the metal grids (8) is a multiple of the particle size of the particles (2a) of the particle electrode (2). This allows the particles of the particle electrode (2) to pass through the metal grids (8) practically unhindered during a particle exchange. Nevertheless, the metal grids (8) enable efficient electrical contact of the particle electrode (2) over the entire working electrode volume.
  • conductive elements (8) in the form of metal grids are arranged parallel to each other on different levels of the particle electrode (stacked one on top of the other) and each extend across the entire cross-sectional area of the electrode chamber through the particle bed.
  • the conductive elements here the metal grids
  • the conductive elements have circular recesses (8a) at regular intervals, which are each positioned on the grids in such a way that they are positioned parallel one above the other.
  • rod-shaped counter electrodes (18) are pushed through these recesses (8a), which extend through the entire filling height (2b) of the electrode. This ensures that even with large working electrode volumes, the current paths within the particle bed that are also required for current conduction are also kept short everywhere.
  • the interlocking three-dimensional arrangement of conductive elements for contacting the particle electrode (here the metal grids), particle electrode and counter electrode modules evenly distributed within the particle electrode results in local current paths between the working and counter electrodes of a maximum of a few centimeters, even for working electrode volumes of, for example, several cubic meters.
  • the working electrode space is delimited on two sides (here at the bottom and top) by fluidic distribution and collection chambers through which the reaction solution for the redox reaction at the working electrode is supplied and removed.
  • the reaction solution flows through the inlet (5) into the distribution chamber (21) and from here through numerous inlet openings (15) into the volume of the working electrode (2). To ensure that no electrode particles can sediment downwards through the inlet openings (15), these are covered by a fine-mesh cover, e.g. a grid (16).
  • a free liquid area (22) At the upper end of the particle bed (2) there is a free liquid area (22) which, if required, enables the particle bed (2) to expand slightly during reactor operation and serves as a kind of compensation chamber.
  • the reaction solution leaves this area via outlet openings (17), collects in a collection chamber (23) and leaves the reactor via the outlet opening (4).
  • the counter electrode modules (18) comprise the actual counter electrode, designed as a hollow rod in the form of a conductive rod (19a), an electrical contact (9) of the counter electrode and a sheath (19b), e.g. a fabric, that envelops the counter electrode (18) at a certain distance in a circular manner.
  • the constant distance between the sheath (19b) and the surface of the conductive counter electrode rod (19a) can be achieved by an open-mesh, non-conductive spacer (not shown in Figure 1).
  • the sheath (19b) can be, for example, non-conductive, fine-mesh polymer fabric or ion exchange membranes. The sheath prevents direct contact between the particle electrode (2) and the conductive Counter electrode rod (19a).
  • the annular gap (26) formed by the distance between the casing (19b) and the counter electrode rod (19a) is flushed through by the counter electrode electrolyte. If an ion exchange membrane is used as the casing (19b), this also fulfils the function of a semi-permeable separating layer that allows either cations or anions to pass through and at the same time prevents the oppositely charged ion type from passing through.
  • the counter electrode electrolyte in this separated annular gap (26) can be cyclically or continuously exchanged or circulated via its own fluidic system. This allows, for example, unwanted gas bubbles formed on the surface of the counter electrode rod to be quickly removed from the system.
  • the counter electrode fluidic system enters the electrode system at the inlet opening (6) in a second, lower distribution chamber (24).
  • the counter electrode electrolyte then flows through the openings (13) into the annular gap (26) that surrounds the conductive counter electrode rods (19a).
  • the counter electrode electrolyte flows from the openings (14) into a second, upper collection chamber (25) and leaves the reactor via the drain (3).
  • the counterelectron modules (18) are designed as hollow rod counterelectrodes, which have a hollow inner region (27) that is fluidically separated from the counterelectrode electrolyte in the annular gap (26). According to the invention, this hollow inner region can be used for additional functionalization of the counterelectrodes, depending on the design.
  • the hollow rod (19a) of the counter electrode (18a) penetrates all chambers of the reactor and, in addition to functioning as a counter electrode, also enables cooling of the reactor interior.
  • the inner cavity (27) of the cooling counter electrodes is connected to an external cooling water system through inlet openings (12) and outlet openings (10). This makes it possible to integrate a separate cooling circuit into the reactor that is fluidically decoupled from the electrolyte circuits, via which the residence time of the cooling medium in the reactor can be regulated so that only a small temperature difference occurs between the inlet and outlet.
  • the local cooling capacity and thus also the temperature within the working electrode volume (in the particle bed) can thus be kept almost constant over the entire reactor height and over the entire reactor cross-section in a range that is optimal for the reaction. This is particularly important for electroenzymatic reactions, since these react very sensitively to reaction differences and temperatures that are too high quickly lead to enzyme inactivation.
  • the conductive counter electrode hollow rod (19a) ends within the working electrode volume just above the floor formed by the lower distribution chamber (21).
  • the end piece is designed in such a way that, on the one hand, a fluidic connection to the lower distribution chamber (24) is formed which is sealed against the working electrode.
  • the end piece also has an opening (20) which connects the interior of the counter electrode (27) with the particle bed of the working electrode (2).
  • the inner wall of the counter electrode hollow rods (19a) is electrically insulated by a coating or an insert.
  • the upper opening (11) of the distribution counter electrodes (18b) is closed.
  • New particles can then be pumped into the reactor in the form of a slurry, in this case using the opening (11) as the inlet.
  • the particle suspension passes through the opening (20) into the working electrode chamber and is distributed there over the cross-section.
  • the solution supplied with the particle suspension is discharged via the collection openings (17) and the drain (4), whereby a covering device in the form of a fine-mesh grid (16) in front of the collection openings (17) prevents an undesired discharge of particles.
  • Figure 2 shows a view of the reactor cross-section at the level of the axis A - A in Figure 1.
  • the position of the cross-section was chosen so that it shows one of the conductive elements (8), which are designed here as a coarse-meshed metal grid. These serve to evenly contact the particle electrode (2) over the entire reactor cross-section.
  • the metal grids (8) have circular recesses (8a) for introducing the counter electrodes (18) into the area of the particle electrode (2), the diameter of which is approximately 5 mm larger than the outer diameter of the counter electrodes, so that the counter electrodes can be guided through the conductive elements without contact.
  • the metal grids are connected to the power source by the current guides (7), e.g. in the form of solid metal rods.
  • the counter electrode modules (18) are arranged evenly distributed over the reactor cross-section (2c), whereby Both cooling counter electrodes (18a) and distribution counter electrodes (18b) are provided.
  • the respective number can be freely varied depending on the size of the reactor and the desired cooling and particle exchange performance.
  • an arrangement with only one central distribution counter electrode (18b) and six cooling counter electrodes (18a) distributed symmetrically and evenly around it was shown as an example and for the sake of clarity.
  • Such arrangements can be used, for example, in small pilot reactors with a working electrode volume of approx. 1 L. Larger reactors accordingly have a large number of distribution counter electrodes (18b) and cooling counter electrodes (18a), which are distributed in a uniform pattern across the reactor cross-section.
  • the counter electrodes (18) have the following concentric structure, viewed from the outside inwards.
  • the boundary (separation) from the particle electrode (2) is formed by the casing (19a).
  • This can be designed, for example, in the form of a porous, non-conductive diaphragm, which is supported by a coarse-mesh structure, so that the diaphragm maintains the desired distance from the metal hollow rod (19a), the outer surface of which forms the actual counter electrode, even under the weight pressure of the particle electrode.
  • the counter electrode electrolyte flows upstream through the annular gap (26) formed by the casing, possibly with a support structure, whereby any gas bubbles formed on the counter electrode (18) are quickly removed.
  • the inner region (27) of the counter electrode which is designed as a hollow rod, is separated from the fluid region of the counter electrode electrolyte and can take on separate functions that are essential for scaling and operation of the reactor.
  • a cooling counter electrode (18a) a cooling medium is passed through this inner region, which evenly dissipates the heat energy generated in particular by ohmic losses in the reactor.
  • dirty or inactive electrode particles (2a) can be removed via the inner region and fresh electrode particles (2a) can be added in a second step.
  • Figure 3 shows a detailed view of the lower area of the distribution counter electrode (18b), which, due to its special design according to the invention, allows electrode particles to be removed or added and at the same time counter electrode electrolyte to be added without the working electrode and counter electrode electrolyte mixing.
  • Figure 3 shows the upper area of the shortened lower area of the conductive counter electrode hollow rod (19a), which ends just above the bottom (31) of the particle electrode area in a cylindrical, non-conductive distribution piece (29).
  • the shortened casing (diaphragm) (19b) of the distribution counter electrode (18b) also ends in a tightly closing end piece (28).
  • At the lower end of the distribution piece (29) is connected to a non-conductive pipe (30) which projects through the base (31).
  • This pipe (30) serves to fix and position the distributor piece (29) and to supply the counter electrode electrolyte.
  • the vertical section runs centrally through the distributor counter electrode (18b) and thus through the area of the opening segments (20).
  • the distributor piece (29) is interrupted in the view in the representation and the continuous material area behind the cutting plane is indicated by dashed lines.
  • Figure 4 illustrates the geometric structure of the distributor (29) using a cross-sectional view at the level of line B - B in Figure 3.
  • Figure 4 shows that in the middle area the distributor (29) consists of four partial channels (32) which have the shape of an annular gap segment.
  • the counter electrode electrolyte is guided from the tube (30) through these completely closed partial channels (32) into the annular gap (26) of the distributor counter electrode (18b), which is formed by the counter electrode hollow rod (19a) and the casing (diaphragm) (19b) (as shown in Figure 3).
  • Between the partial channels (32) are the openings (20) which connect the particle electrode area (2) with the inner area of the hollow rod (27). Electrode particles (2a) can be conveyed into the inner area of the hollow rod (27) through these openings (20). By reversing the flow direction in the interior of the hollow rod (27), electrode particles (2a) can also be pumped from a reservoir into the area of the working electrode.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of another possible embodiment of the reactor according to the invention.
  • This embodiment is suitable for particle electrodes which are operated with electrode particles (2a) with high magnetizability.
  • the reactor housing (1a) in the area of the particle electrode (2) is surrounded by one or more magnetic coils (33) or an arrangement of one or more permanent magnets, by means of which the area of the particle electrode can be superimposed with a magnetic field.
  • a contact grid was used that consisted of four round-shaped titanium expanded metal disks that were welded to a common titanium wire at a distance of 1 cm each.
  • the expanded metals had a mesh size of 5 mm.
  • the electrode particles used were composite particles of activated carbon and magnetite and 5% polymer binder. The particles had a particle size distribution of 50 - 400 pm, with an average particle size of 170 pm.
  • a platinum-plated titanium sheet was used as the counter electrode. The two electrode compartments of the working and counter electrode compartment were separated by a cation exchange membrane.
  • a 3 mM solution of the oxidized form of potassium hexacyanoferrate was fed into the particle-filled working electrode compartment and a 3 mM solution of the reduced form of potassium hexacyanoferrate was fed into the counter electrode compartment at a constant flow rate of 1 and 4 ml/min, respectively.
  • the electrolyte of both chemical solutions consisted of a 1 M potassium chloride solution.
  • a magnetic field with a magnetic flux density of 20 mT could be superimposed on the reactor using a Helmholtz coil.
  • the reactor wall was made of transparent 3D-printed material, so that optical observation of the behavior of the particle bed was possible.
  • the electrode particles passed through the multi-layer contact grid without observable impairment and reached the bottom of the reactor through sedimentation in the working electrode chamber, which was initially filled with liquid.
  • the working electrode chamber was supplied with a flow rate that led to an approx. 10% expansion of the particle electrode, i.e. the particle electrode was operated as a fluid bed. Even when the fluidized state was set, the contact grid showed no negative effects.
  • Example 3 Based on the experimental results of the preliminary study from Example 3, the average conductivities of a particle bed made of the composite particles described in Example 3 and of a particle bed made of graphite particles with a diameter of approximately 600 pm could be calculated. In addition, the specific surface areas of the respective particle bed and the electrolyte conductivity were measured. Data for the membrane resistance and the specific conductivity of the titanium current leads were taken from literature data. Using the finite element multiphysics software COMSOL 6.0, a detailed three-dimensional simulation model for an electrochemical reaction system constructed according to the invention was then created. The simulated reaction system comprises a working electrode volume of 1 L, which is contacted via an arrangement of 10 expanded metal discs at a distance of 15 mm.
  • the working electrode space has a diameter of 100 mm and a height of 200 mm, of which 160 mm are filled with the particle electrode in the sedimented state.
  • Seven counter electrode modules are immersed within the working electrode volume, a central distribution counter electrode module and six cooling counter electrode modules arranged in a hexagonal pattern.
  • the hollow rods of the counter electrodes have an outer diameter of 20 mm.
  • the outer diameter of the annular gap for the counter electrode electrolyte formed by the membrane is 24 mm.
  • Figure 6 shows a series of images with various details (shaded in grey) of the digital reactor twin created in COMSOL.
  • Simulation results for a potassium hexacyanoferrate concentration of 30 mM with a particle bed of graphite particles show the current density distributions achieved in the feed within the reactor.
  • the cross sections show maximum current densities of over 250,000 A/m 3 and an average current density of over 100,000 A/m 3 .
  • the current density drops between the contact grids. From this it can be concluded that for the selected type of electrode particles, a reduction in the distance between the planes of the contact grid could achieve a further increase in the average current density.
  • the cross section at half the reactor height shows a relatively homogeneous current density distribution in the reactor area between the counter electrode modules.
  • FIG 8 shows a schematic representation of another possible embodiment of the reactor according to the invention based on a partial section of an electrode system according to the invention, in which an internal supply of working electrode electrolyte into the working electrode chamber and of counter electrode electrolyte into the annular gap of the counter electrode takes place via counter electrodes in operation as inflow counter electrodes (18c).
  • This internal supply allows the correspondingly diverted electrolyte solutions to be fed into the system via selected inflow positions.
  • a discharge of electrolyte solution at specifically selected positions in the reactor can also be made possible, for example by using suitable pumps and valves.

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Abstract

The invention relates to a new particle electrode system having a particle electrode and at least one counter electrode arranged within the particle electrode. The invention also relates to the particle electrode and the counter electrodes themselves and to a reactor comprising the new particle electrode system, the particle electrode and/or the counter electrodes. Furthermore, the invention relates to the use of the particle electrode system and reactor described herein in electrochemical or electrobiotechnological methods and to a method for continuously operating an electrochemical or electrobiotechnological reactor with the particle electrode system described herein.

Description

PARTIKELELEKTRODENSYSTEM UND PARTIKELELEKTRODENREAKTOR PARTICLE ELECTRODE SYSTEM AND PARTICLE ELECTRODE REACTOR
EINLEITUNG INTRODUCTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Partikelelektrodensystem mit einer Partikelelektrode und mindestens einer innerhalb der Partikelelektrode angeordneten Gegenelektrode. Die Erfindung betrifft außerdem die Partikelelektrode und die Gegenelektroden selbst sowie einen Reaktor umfassend das neue Partikelelektrodensystem, die Partikelelektrode und/oder die Gegenelektroden. Desweiteren betrifft die Erfindung die Verwendung des hierin beschriebenen Partikelelektrodensystems bzw. Reaktors in elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Verfahren sowie ein Verfahren zum kontinuierlichen Betrieb eines elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Reaktors mit dem hierin beschriebenen Partikelelektrodensystem. The present invention relates to a new particle electrode system with a particle electrode and at least one counter electrode arranged within the particle electrode. The invention also relates to the particle electrode and the counter electrodes themselves and to a reactor comprising the new particle electrode system, the particle electrode and/or the counter electrodes. Furthermore, the invention relates to the use of the particle electrode system or reactor described herein in electrochemical or electrobiotechnological processes and to a process for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor with the particle electrode system described herein.
HINTERGRUND BACKGROUND
Elektrochemische sowie elektrobiotechnologische Prozesse laufen maßgeblich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und umgebender Lösung ab. Um hohe Umsatzraten zu erzielen, muss daher das Verhältnis von Elektrodenoberfläche zu Lösungsvolumen maximiert werden. Eine effiziente Möglichkeit die verfügbare Elektrodenoberfläche pro Reaktorvolumen zu maximieren, stellen hierbei Partikelelektroden in Form von Festoder Wirbelbett-Elektroden dar. Elektrochemische Reaktionen sind ein essenzieller Bestandteil vieler technischer Produktionsprozesse. Das bekannteste Beispiel ist die Chloralkalielektrolyse. Elektrochemische Reaktionen finden aber auch vermehrt Anwendung in anorganischen und organischen Synthesereaktionen sowie im Zusammenhang mit enzymatischen Umsetzungen. Schließlich bieten elektrochemische Reaktionen einen effizienten Weg zur Entgiftung oder Zerstörung von Kontaminanten im Rahmen von Abwasserbehandlungsanlagen oder der Aufbereitung von Prozesswässern. Electrochemical and electrobiotechnological processes take place primarily at the interface between the electrode and the surrounding solution. In order to achieve high conversion rates, the ratio of electrode surface to solution volume must be maximized. Particle electrodes in the form of fixed or fluidized bed electrodes are an efficient way of maximizing the available electrode surface per reactor volume. Electrochemical reactions are an essential component of many technical production processes. The best-known example is chlor-alkali electrolysis. Electrochemical reactions are also increasingly used in inorganic and organic synthesis reactions and in connection with enzymatic reactions. Finally, electrochemical reactions offer an efficient way to detoxify or destroy contaminants in wastewater treatment plants or the treatment of process water.
Im Falle elektrobiotechnologischer Prozesse bieten Partikelelektroden neben einer hohen spezifischen Elektrodenoberfläche den weiteren Vorteil, dass die für die Reaktionen benötigten Biokatalysatoren, z.B. Ganzzellkatalysatoren oder Enzyme, auf den Partikeln der Partikelelektrode immobilisiert werden können. Hierdurch lässt sich bei einer kontinuierlichen Prozessführung, d.h. bei einer stetigen oder intermittierenden Durchströmung des Elektrodenraums (Prozessraums) ein Austrag oder Ausschwemmen und damit eine Abnahme der teuren Biokatalysatoren vermeiden. Zudem bedingt z.B. die räumliche Nähe der elektrochemischen und der biokatalytischen Reaktion kurze Stofftransportwege und damit eine beschleunigte Reaktionskinetik. In elektrochemischen Reaktoren mit immobilisierten Biokatalysatoren tritt jedoch häufig das Problem auf, dass die Stabilität, d.h. die mögliche Betriebszeit, dieser Biokatalysatoren begrenzt ist und oftmals nur Stunden bis wenige Tage beträgt. Als Folge müssen der als kontinuierlich angestrebte Prozess gestoppt, die in ihrer Funktion erschöpften Elektrodenpartikel mitsamt den darauf immobilisierten Biokatalysatoren ausgebracht und der Reaktor mit frischen Elektrodenpartikeln befüllt werden. Auch kommt es bei klassischen elektrochemischen Reaktoren durch Abrasion, Korrosion oder eine schleichende „Vergiftung“ der Elektrodenoberfläche durch unerwünschte Bestandteile in der Zulauflösung (Reaktionslösung) regelmäßig zu einer Funktionsbeeinträchtigung der Elektrodenpartikel, so dass diese regelmäßig ausgetauscht und durch neue ersetzt werden müssen. In the case of electrobiotechnological processes, particle electrodes offer the additional advantage, in addition to a high specific electrode surface, that the biocatalysts required for the reactions, e.g. whole-cell catalysts or enzymes, can be immobilized on the particles of the particle electrode. This means that in a continuous process, i.e. with a constant or intermittent flow through the electrode space (process space), discharge or flushing out and thus a decrease in the expensive biocatalysts can be avoided. In addition, the spatial proximity of the electrochemical and biocatalytic reactions, for example, requires short material transport paths and thus accelerated reaction kinetics. In electrochemical reactors with immobilized biocatalysts, however, the problem often arises that the stability, ie the possible operating time, of these biocatalysts is limited and is often only hours to a few days. As a result, the process, which is intended to be continuous, must be stopped, the electrode particles that have ceased to function, together with the biocatalysts immobilized on them, must be removed, and the reactor must be filled with fresh electrode particles. In classic electrochemical reactors, abrasion, corrosion, or gradual "poisoning" of the electrode surface by undesirable components in the feed solution (reaction solution) regularly lead to a functional impairment of the electrode particles, so that they must be regularly exchanged and replaced with new ones.
Der Einsatz anderer Elektrodentypen, wie z.B. Stapel aus Elektrodenplatten, Streckgitter oder Kohlenstoffgeweben, liefert keine Lösung dieses Problems. Wird auf solchen Elektrodentypen eine Immobilisierung von Biokatalysatoren durchgeführt, kommt es ebenfalls zu den beschriebenen zeitabhängigen Funktionseinbußen und der Notwendigkeit eines Elektrodenaustauschs. Dieser gestaltet sich für fest installierte Platten oder Gitter dabei oftmals noch aufwendiger und zeitraubender als im Falle einer Partikelelektrode. Das Gleiche gilt für solche Elektrodentypen in Hinblick auf die genannten potentiellen Probleme klassischer elektrochemischer Reaktionen wie Abrasion, Korrosion oder Vergiftung, die ebenfalls einen Elektrodenaustausch erzwingen. The use of other types of electrode, such as stacks of electrode plates, expanded metal mesh or carbon fabrics, does not provide a solution to this problem. If biocatalysts are immobilized on such types of electrodes, the described time-dependent functional losses and the need to replace the electrodes also occur. This is often more complex and time-consuming for permanently installed plates or grids than in the case of a particle electrode. The same applies to such types of electrodes with regard to the potential problems of classic electrochemical reactions such as abrasion, corrosion or poisoning, which also require electrode replacement.
Es besteht daher ein großes Interesse an elektrochemischen Reaktortypen auf Basis von Partikelelektroden, welche sich durch einen optimierten Ladungstransport und damit schnelle Reaktionskinetiken auszeichnen und welche einen einfachen und schnellen, teilweisen oder vollständigen Austausch der Partikelelektrode ermöglichen. Solche elektrochemischen Reaktortypen sind insbesondere für einen industriellen Einsatz von besonderem Interesse, so dass die Skalierbarkeit in den industriellen Maßstab und damit eine hohe Variabilität bei der Ausgestaltung wünschenswert ist. Für einen effizienten Betrieb im industriellen Maßstab ist außerdem die Möglichkeit der kontinuierlichen Verfahrensführung ein maßgebliches Kriterium und eine Unterbrechung des Reaktorbetriebs für einen Austausch der Elektrodenpartikel oder Reaktionslösung ist weitestgehend zu minimieren und ein erforderlicher Austausch sollte so einfach und schnell wie möglich durchführbar sein. There is therefore great interest in electrochemical reactor types based on particle electrodes, which are characterized by optimized charge transport and thus fast reaction kinetics and which enable simple and fast, partial or complete replacement of the particle electrode. Such electrochemical reactor types are of particular interest for industrial use, so that scalability to the industrial scale and thus a high degree of variability in the design is desirable. For efficient operation on an industrial scale, the possibility of continuous process control is also a key criterion and interruption of reactor operation for replacing the electrode particles or reaction solution should be minimized as far as possible and any necessary replacement should be as simple and quick as possible.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Auf dem Gebiet elektrochemischer Verfahren wurden bereits elektrochemische Reaktoren auf Basis von Partikelelektroden entwickelt. So wurden beispielsweise magnetisch induzierte Wirbelbettreaktoren zur elektrochemischen Abwasserbehandlung oder magnetisch induzierte elektrochemische Fluidbett-Reaktoren für elektroenzymatische Syntheseverfahren auf Basis einer fluidisierten Partikelelektrode aus magnetisierbaren leitfähigen Partikeln entwickelt. Darin konnte durch eine magnetische Stabilisierung des fluidisierten Partikelbetts die elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode verbessert werden [Tschöpe, A., et al., A magnetically induced fluidized-bed reactor for intensification of electrochemical reactions. Chemical Engineering Journal, 2020. 385; Tschöpe, A., et al., Electrical conductivity of magnetically stabilized fluidized-bed electrodes - Chronoamperometrie and impedance studies. Chemical Engineering Journal, 2020. 396; Tschöpe, A. and M. Franzreb, Influence of non-conducting suspended solids onto the efficiency of electrochemical reactors using fluidized bed electrodes. Chemical Engineering Journal, 2021. 424], In the field of electrochemical processes, electrochemical reactors based on particle electrodes have already been developed. For example, magnetically induced fluidized bed reactors for electrochemical wastewater treatment or magnetically induced electrochemical fluidized bed reactors for electroenzymatic synthesis processes based on a fluidized particle electrode made of magnetizable conductive particles were developed. In these, the electrical contact could be achieved by magnetically stabilizing the fluidized particle bed. the particle electrode can be improved [Tschöpe, A., et al., A magnetically induced fluidized-bed reactor for intensification of electrochemical reactions. Chemical Engineering Journal, 2020. 385; Tschöpe, A., et al., Electrical conductivity of magnetically stabilized fluidized-bed electrodes - Chronoamperometry and impedance studies. Chemical Engineering Journal, 2020. 396; Tschöpe, A. and M. Franzreb, Influence of non-conducting suspended solids onto the efficiency of electrochemical reactors using fluidized bed electrodes. Chemical Engineering Journal, 2021. 424],
Die darin beschriebenen Reaktorsysteme bestehen aus zwei konzentrischen Zylindern, der inneren Arbeitselektrodenkammer mit der Partikelelektrode und einer sie umschließenden, ringspaltförmigen Gegenelektrodenkammer. Die innere Elektrodenkammer (Arbeitselektrodenkammer) ist dabei von der äußeren Gegenelektrodenkammer mittels einer Kationenaustauschermembran getrennt. Zu diesem Zweck weist die Zylinderwand der inneren Zylinderkammer runde Öffnungen auf. Zur elektrischen Kontaktierung der Arbeitselektrodenkammer dient eine stationäre Elektrode aus platiniertem Titan. Über einen eingebauten PTFE-Filter werden die Elektrodenpartikel innerhalb der Arbeitselektrodenkammer gehalten. In der äußeren Zylinderkammer (Gegenelektrodenkammer) ist eine platinierte Titanelektrode aus Streckmetall platziert, welche als Gegenelektrode des Reaktionssystems dient. Je nach Anwendungsgebiet kann dieser Reaktortyp außerdem einen zusätzlichen Gaseintrag in die Arbeitselektrodenkammer aufweisen. Dieser Reaktortyp zeichnet sich somit dadurch aus, dass die Partikelelektrode innerhalb einer sie umlaufenden Gegenelektrode angeordnet ist. The reactor systems described therein consist of two concentric cylinders, the inner working electrode chamber with the particle electrode and an annular gap-shaped counter electrode chamber that surrounds it. The inner electrode chamber (working electrode chamber) is separated from the outer counter electrode chamber by a cation exchange membrane. For this purpose, the cylinder wall of the inner cylinder chamber has round openings. A stationary electrode made of platinized titanium is used to electrically contact the working electrode chamber. The electrode particles are held within the working electrode chamber via a built-in PTFE filter. A platinized titanium electrode made of expanded metal is placed in the outer cylinder chamber (counter electrode chamber), which serves as the counter electrode of the reaction system. Depending on the area of application, this type of reactor can also have an additional gas input into the working electrode chamber. This type of reactor is therefore characterized by the fact that the particle electrode is arranged within a counter electrode that surrounds it.
Ähnliche Systeme wie die oben beschriebenen sind in der Literatur weit verbreitet. Als Beispiel sei der Reaktor gemäß EP0171478A2 genannt, worin der Reaktor einen zylindrischen Elektrolysezellen-Hauptkörper aufweist, der durch ein Diaphragma in eine Hauptelektrodenkammer und eine Gegenelektrodenkammer unterteilt ist. In der Hauptelektrodenkammer befindet sich eine Partikelelektrode, an der sich z.B. gelöste Metalle elektrolytisch abscheiden oder an der organische Substanzen elektrolytisch zersetzt werden. In die Hauptelektrodenkammer wird kontinuierlich ein Elektrolyt zugeführt, welcher die Partikelelektrode in Schwebe hält. Die durch das Diaphragma abgetrennte Gegenelektrode ist porös und ist z.B. als Streckmetall ausgeführt. Durch die Poren kann an der Gegenelektrode gebildetes Gas in das Innere der porösen Gegenelektrode dringen und dort aufsteigen. Das die Gegenelektrodenkammer umhüllende Diaphragma ist oben für den Gasaustritt geöffnet. In einer Variante der darin beschriebenen Reaktoren ist auch im inneren Bereich der Gegenelektrode eine Partikelschüttung vorgesehen, welche zum Aufbau eines Strömungswiderstands zur Vermeidung von Kurzschlussströmungen des zugeführten Elektrolyten dient. In den bekannten Partikelelektroden erfolgt die Stromzuführung in die Partikelelektrode in der Regel durch einen einfach Metallstab oder eine Anordnung von Stäben. Similar systems to those described above are widespread in the literature. An example is the reactor according to EP0171478A2, in which the reactor has a cylindrical electrolysis cell main body which is divided by a diaphragm into a main electrode chamber and a counter electrode chamber. In the main electrode chamber there is a particle electrode on which, for example, dissolved metals are electrolytically deposited or on which organic substances are electrolytically decomposed. An electrolyte is continuously fed into the main electrode chamber, which keeps the particle electrode in suspension. The counter electrode separated by the diaphragm is porous and is designed, for example, as expanded metal. Gas formed on the counter electrode can penetrate through the pores into the interior of the porous counter electrode and rise there. The diaphragm surrounding the counter electrode chamber is open at the top to allow gas to escape. In a variant of the reactors described therein, a particle bed is also provided in the inner region of the counter electrode, which serves to build up a flow resistance to avoid short-circuit flows of the supplied electrolyte. In the known particle electrodes, the current is usually supplied to the particle electrode via a simple metal rod or an arrangement of rods.
Auch die US4206020 beschreibt solche Reaktortypen im klassischen Design einer elektrochemischen Wirbelbettelektrode, worin eine zylindrische Partikelelektrode innerhalb einer zylindrischen Gegenelektrode angeordnet ist. In einer Variante der hierin beschriebenen Reaktoren erfolgt die Stromzuführung zusätzlich über eine Ausdehnung der Kontaktierung in Form eines sich vertikal erstreckenden zylindrischen Netzes am Rand der Partikelelektrode. US4206020 also describes such reactor types in the classic design of an electrochemical fluidized bed electrode, in which a cylindrical particle electrode is arranged within a cylindrical counter electrode. In a variant of the reactors described here, the current is additionally supplied via an extension of the contact in the form of a vertically extending cylindrical network at the edge of the particle electrode.
Derartige Reaktortypen sind jedoch nicht auf einen industriellen Maßstab skalierbar bzw. zeichnen sich ab einer gewissen Größe durch unzureichende Effizienz aus, da mit zunehmendem Reaktordurchmesser die resultierenden Elektronentransportwege zwischen Arbeits- und Gegenelektrode schnell zunehmen und dadurch die Spannungsverluste für einen wirtschaftlichen Betrieb zu groß werden. Skaliert man z.B. den Reaktortyp gemäß US4206020 in alle Richtungen, resultiert ein immer längerer Weg aus dem inneren Bereich der Arbeitselektrode bis in den äußeren Ringspalt der Gegenelektrode. Mit dem längeren Weg steigt der Widerstand und die Effizienz sinkt. However, such reactor types cannot be scaled to an industrial scale or are characterized by insufficient efficiency above a certain size, since the resulting electron transport paths between the working and counter electrodes increase rapidly with increasing reactor diameter, and the voltage losses therefore become too great for economical operation. If, for example, the reactor type according to US4206020 is scaled in all directions, the result is an increasingly longer path from the inner area of the working electrode to the outer annular gap of the counter electrode. With the longer path, the resistance increases and the efficiency decreases.
Die US4183792 beschreibt ein Verfahren zur Oxidation von Ni(OH)2 in einem Reaktor, der als Arbeitselektrode (Anode) mit einer stationären Partikelbettelektrode, einem Bett aus Nickelpellets, ausgestattet ist und worin die Gegenelektrode in Form einer Vielzahl einzelner zylindrischer Elemente ausgebildet ist, die vertikal in das Partikelbett der Partikelelektrode eintauchen. Für die Gegenelektroden kommen einfache, massive Edelstahlstäbe zum Einsatz, die zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses mit dem Partikelbett mit einer nichtleitenden porösen Schicht umhüllt sind. Das Partikelbett wird mit einer am Boden des Partikelbetts angeordneten Kontaktierungselektrode in Form eines Drahtgewebes kontaktiert. US4183792 describes a process for the oxidation of Ni(OH)2 in a reactor which is equipped with a stationary particle bed electrode, a bed of nickel pellets, as the working electrode (anode), and in which the counter electrode is designed in the form of a large number of individual cylindrical elements which are immersed vertically in the particle bed of the particle electrode. Simple, solid stainless steel rods are used for the counter electrodes, which are coated with a non-conductive porous layer to prevent an electrical short circuit with the particle bed. The particle bed is contacted with a contacting electrode in the form of a wire mesh arranged at the bottom of the particle bed.
Die US3180810 beschreibt eine Variante eines Reaktoraufbaus, worin die Partikelelektrode in einem Gehäuse ausgebildet wird welches eine Mehrzahl an Aussparungen aufweist und worin in diesen Aussparungen Gegenelektroden angeordnet werden, so dass sich mehrere Gegenelektroden an verschiedenen Stellen quasi durch die Gehäuseaussparungen abgeschirmt in das Partikelbett erstrecken. US3180810 describes a variant of a reactor structure in which the particle electrode is formed in a housing which has a plurality of recesses and in which counter electrodes are arranged in these recesses, so that several counter electrodes extend into the particle bed at different locations, virtually shielded by the housing recesses.
Auch in den in US4183792 und US3180810 beschriebenen Reaktorausführungen ergeben sich lange Elektronentransportwege innerhalb des Partikelbetts vom Boden des Reaktors bis zur oberen Füllhöhe des Partikelbetts, wodurch für diese Reaktortypen eine Skalierung der Reaktorhöhe stark limitiert wird. In solchen Reaktorausführungen kann es außerdem zum unerwünschten Auftreten von Gasblasen an den Gegenelektroden kommen. Aus der CN207596570 U ist ein Reaktorsystem bekannt, worin eine Kathodenkammer mit einer vertikalen Kathode innerhalb einer die Kathodenkammer umgebenden Anodenkammer angeordnet ist und worin die Anodenelektrode an der Innenseite der äußeren Wand der Anodenkammer angeordnet ist. Die Kathodenkammer ist von einer permeablen Kationenaustausch-Membran umgeben und zwischen der Anodenelektrode und dieser permeablen Membran wird eine dreidimensionale Partikelelektrode vorgesehen. Durch die ausschließlich am Rand erfolgende Kontaktierung des Partikelbetts ergeben sich auch in dieser Anordnung lange Wege für den Ladungsfluss durch das Partikelbett, was sich bei skalierten Systemen nachteilig auf Widerstand und Effizienz auswirkt. The reactor designs described in US4183792 and US3180810 also result in long electron transport paths within the particle bed from the bottom of the reactor to the upper filling level of the particle bed, which severely limits the scaling of the reactor height for these reactor types. In such reactor designs, the undesirable occurrence of gas bubbles at the counter electrodes can also occur. From CN207596570 U a reactor system is known in which a cathode chamber with a vertical cathode is arranged within an anode chamber surrounding the cathode chamber and in which the anode electrode is arranged on the inside of the outer wall of the anode chamber. The cathode chamber is surrounded by a permeable cation exchange membrane and a three-dimensional particle electrode is provided between the anode electrode and this permeable membrane. Due to the fact that the particle bed is only contacted at the edge, this arrangement also results in long paths for the charge flow through the particle bed, which has a detrimental effect on resistance and efficiency in scaled systems.
Eine weitere Reaktorvariante mit vertikal in einem Partikelbett angeordneten Elektroden beschreibt die W02023/094503. Die darin gezeigten Reaktoren können in Form mehrerer wabenförmig angeordneter mit Partikeln bepackter Zellen vorliegen, welche eine sogenannte Biokathode bilden. Innerhalb des Partikelbetts dieser Zellen werden vertikal eingebrachte Anoden vorgesehen, die vom Partikelbett durch eine lonenaustauschermembran abgeschirmt sind und die an ihrer Außenfläche Stromkollektoren aufweisen, die sich entlang der Anodenwand damit vertikal durch das Partikelbett ziehen. Auch die Innenwände der wabenförmigen Zellen weisen innere Strom kollektoren auf, die sich damit ebenfalls vertikal an den Außenrändern der Partikelbetten erstrecken. Die einzelnen Waben können durch innere Stromkollektoren in Form von sich vertikal durch die Zellen erstreckenden Trennwänden voneinander getrennt werden. Another reactor variant with electrodes arranged vertically in a particle bed is described in W02023/094503. The reactors shown therein can be in the form of several cells packed with particles arranged in a honeycomb shape, which form a so-called biocathode. Within the particle bed of these cells, vertically inserted anodes are provided, which are shielded from the particle bed by an ion exchange membrane and which have current collectors on their outer surface, which extend vertically along the anode wall through the particle bed. The inner walls of the honeycomb-shaped cells also have internal current collectors, which also extend vertically along the outer edges of the particle beds. The individual honeycombs can be separated from one another by internal current collectors in the form of partitions extending vertically through the cells.
Aus den Druckschriften US4,016,044 und FR1 ,445,756 sind Reaktoren mit Partikelelektroden bekannt, worin eine oder beide Elektroden so ausgestaltet sind, dass eine zumindest partielle horizontale Erstreckung in ein Partikelbett ermöglicht wird, beispielsweise indem an einer sich vertikal durch ein Partikelbett erstreckenden Elektrode rechtwinklige oder radiale Bleche oder Netze angebracht sind. From the publications US4,016,044 and FR1,445,756, reactors with particle electrodes are known, in which one or both electrodes are designed in such a way that an at least partial horizontal extension into a particle bed is made possible, for example by attaching rectangular or radial sheets or nets to an electrode extending vertically through a particle bed.
Ein weiteres grundsätzliches Problem in großen Reaktoren stellt auch die Kühlung des Reaktorvolumens dar. Üblicherweise erfolgt die Kühlung über den Reaktoraußenmantel oder die Reaktordeckel. Mit einer solchen von außen zugeführten Kühlung ist eine gleichmäßige und konstante Kühlung des gesamten Reaktors schwierig zu realisieren und die Temperaturregulierung im Inneren des Reaktors ist träge aufgrund langer Strecken bis ins Innere des Reaktors. Dies Problem wird mit zunehmender Reaktorgröße immer relevanter, so dass Reaktoren mit Außenkühlung ebenfalls hinsichtlich einer Skalierung limitiert sind. Die US3287249 beschreibt einen Reaktor mit integriertem Kühlkreislauf sowie gebündelt angeordneten rohrförmigen Elektroden, welche jeweils ein komplettes elektrochemisches Modul mit eigener Arbeitselektrode und Gegenelektrode bilden. Der Aufbau dieser Module ist so gestaltet, dass sich im Zentrum die als langes, schmales Partikelbett ausgeführte Arbeitselektrode befindet, die von einem isolierenden Diaphragma, einer wendeiförmigen Stützstruktur und schließlich außen von einer zylinderförmigen Gegenelektrode umgeben ist. Ein Bündel solcher elektrochemischer Module ist in einem gemeinsamen Reaktorgehäuse angeordnet, das von einem Kühlmittel durchströmt wird. In einem Reaktor mit einer Anordnung gemäß US 3287249 findet die Reaktion im Bereich der als Partikelelektrode ausgeführten Arbeitselektrode statt, welche den Kern der rohrförmigen Module bildet. Another fundamental problem in large reactors is the cooling of the reactor volume. Cooling usually takes place via the reactor outer shell or the reactor lid. With such externally supplied cooling, uniform and constant cooling of the entire reactor is difficult to achieve and temperature regulation inside the reactor is sluggish due to long distances to the inside of the reactor. This problem becomes more and more relevant as the reactor size increases, so that reactors with external cooling are also limited in terms of scaling. US3287249 describes a reactor with an integrated cooling circuit and bundled tubular electrodes, each of which forms a complete electrochemical module with its own working electrode and counter electrode. The structure of these modules is designed in such a way that the working electrode, designed as a long, narrow particle bed, is located in the center and is surrounded by an insulating diaphragm, a helical support structure and finally by a cylindrical counter electrode on the outside. A bundle of such electrochemical modules is arranged in a common reactor housing through which a coolant flows. In a reactor with an arrangement according to US 3287249, the reaction takes place in the area of the working electrode, designed as a particle electrode, which forms the core of the tubular modules.
Einen Überblick über elektrochemische Reaktoren mit Partikelelektrode liefert außerdem ein Reviewartikel aus dem Jahr 2021 [Li, H. T., et al., Three-dimensional particle electrode system treatment of organic wastewater: A general review based on patents. Journal of Cleaner Production, 2021. 308]. An overview of electrochemical reactors with particle electrodes is also provided in a review article from 2021 [Li, H. T., et al., Three-dimensional particle electrode system treatment of organic wastewater: A general review based on patents. Journal of Cleaner Production, 2021. 308].
AUFGABENSTELLUNG TASK
Ausgehend von diesem Stand der Technik bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein neues verbessertes Partikelelektrodensystem und einen neuen verbesserten Reaktor für elektrochemische oder elektrobiotechnologische Verfahren bereitzustellen, die die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweisen. Insbesondere bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein verbessertes Partikelelektrodensystem bereitzustellen, welches sich durch kurze Elektronentransportwege durch die gesamte Partikelelektrode auszeichnet und damit einen optimierten Ladungstransport und schnelle Reaktionskinetiken ermöglich und so eine Verbesserung der Effizienz, auch bei Skalierung auf industriellen Maßstab, möglich macht. In einem weiteren Aspekt der Erfindung bestand eine weitere Aufgabe darin, ein Partikelelektrodensystem bereitzustellen, welches eine verbesserte Kühlung des Reaktors ermöglicht. Dabei sollte sich eine verbesserte Kühlung beispielsweise auszeichnen durch die Möglichkeit einer gleichmäßigen und konstanten Kühlung der gesamten Elektrodenkammer bzw. der gesamten Partikelelektrode bzw. des gesamten Reaktors. Eine verbesserte Kühlung sollte Temperaturgefälle zwischen Reaktoräußerem und Reaktorinnerem verringern bzw. vermeiden. Eine verbesserte Kühlung sollte sich durch eine zügige und gleichmäßige Temperaturkontrolle auszeichnen und eine nur träge erfolgende Temperaturanpassung zwischen Reaktoräußerem und Reaktorinnerem verbessern bzw. vermeiden. Eine verbesserte Kühlung sollte sich außerdem dadurch auszeichnen, dass auch bei großen Reaktoren im industriellen Maßstab die genannten vorteilhaften verbesserten Kühlleistungen (gleichmäßige, konstante und schnell einstellbare Temperaturregelung) möglich sind. In einem weiteren Aspekt der Erfindung bestand eine weitere Aufgabe darin, ein Partikelelektrodensystem bereitzustellen, worin das unerwünschte Auftreten von Gasblasen an den Gegenelektroden vermindert werden kann oder eine Möglichkeit besteht, solche unerwünschten Gasblasen an den Gegenelektroden einfach zu entfernen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung bestand eine weitere Aufgabe darin, ein Partikelelektrodensystem bereitzustellen, welches einen einfachen und schnellen, teilweisen oder vollständigen Austausch der Partikelelektrode, bzw. verbrauchter Elektrodenpartikel, ermöglicht. Damit bestand eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein Partikelelektrodensystem bzw. einen Reaktor bereitzustellen, der für einen besonders effizienten Betrieb im industriellen Maßstab geeignet ist und die Möglichkeit der kontinuierlichen Verfahrensführung bietet, und mit dem eine Unterbrechung des Reaktorbetriebs für einen Austausch der Elektrodenpartikel oder der Reaktionslösung weitestgehend minimiert werden kann. Der Austausch der Elektrodenpartikel oder der Reaktionslösung sollte im kontinuierlichen Betrieb weitestgehend störungsfrei, einfach und schnell durchführbar sein. Darüber hinaus sollten die Partikelelektrodensysteme eine größtmögliche Variabilität und Flexibilität hinsichtlich der Zu- und Ablaufsysteme bieten, so dass diese mit einer Vielzahl unterschiedlich konstruierter externer Zusatzkomponenten kombinierbar sind. Ein besonderer Aspekt der Erfindung lag insbesondere darin, verbesserte Partikelelektrodensysteme bereitzustellen, die in Größenordnungen von Laboranlagen über Miniplants bis hin zu Pilotanlagen, sowie auch für den industriellen Maßstab geeignet sind, die also leicht und zuverlässig skalierbar sind und sich durch eine hohe Variabilität bei der Ausgestaltung auszeichnen. Based on this prior art, the object of the present invention was to provide a new, improved particle electrode system and a new, improved reactor for electrochemical or electrobiotechnological processes that do not have the disadvantages of the prior art. In particular, the object of the present invention was to provide an improved particle electrode system that is characterized by short electron transport paths through the entire particle electrode and thus enables optimized charge transport and fast reaction kinetics, thus making it possible to improve efficiency, even when scaled up to an industrial scale. In a further aspect of the invention, a further object was to provide a particle electrode system that enables improved cooling of the reactor. Improved cooling should be characterized, for example, by the possibility of uniform and constant cooling of the entire electrode chamber or the entire particle electrode or the entire reactor. Improved cooling should reduce or avoid temperature gradients between the outside and inside of the reactor. Improved cooling should be characterized by rapid and uniform temperature control and improve or avoid sluggish temperature adjustment between the outside and inside of the reactor. An improved cooling system should also be characterized by the fact that the above-mentioned advantageous improved cooling performance (uniform, constant and quickly adjustable temperature control) is possible even in large reactors on an industrial scale. In a further aspect of the invention, a further object was to provide a To provide a particle electrode system in which the undesirable occurrence of gas bubbles on the counter electrodes can be reduced or there is a possibility of simply removing such undesirable gas bubbles on the counter electrodes. In a further aspect of the invention, a further object was to provide a particle electrode system which enables a simple and quick, partial or complete replacement of the particle electrode or used electrode particles. A further object of the invention was therefore to provide a particle electrode system or a reactor which is suitable for particularly efficient operation on an industrial scale and offers the possibility of continuous process control, and with which an interruption of reactor operation for an exchange of the electrode particles or the reaction solution can be minimized as far as possible. The exchange of the electrode particles or the reaction solution should be as trouble-free, simple and quick as possible in continuous operation. In addition, the particle electrode systems should offer the greatest possible variability and flexibility with regard to the inlet and outlet systems so that they can be combined with a large number of differently designed external additional components. A particular aspect of the invention was to provide improved particle electrode systems that are suitable for sizes ranging from laboratory plants to miniplants and pilot plants, as well as for industrial scale, i.e. that are easily and reliably scalable and are characterized by a high degree of variability in design.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DESCRIPTION OF THE INVENTION
Das neue Partikelelektrodensystem der vorliegenden Erfindung zeichnet sich gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten insbesondere durch eine spezielle Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung in der Partikelelektrode aus. Die elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode ist erfindungsgemäß in Form einer Anordnung ausgebildet, die sich gleichmäßig verteilt in das gesamte Volumen der Elektrodenpartikel in der Partikelelektrodenkammer erstreckt. Die mindestens eine Gegenelektrode ist im Inneren der Partikelelektrode angeordnet. Dadurch minimieren sich die Elektronentransportwege und werden in dem gesamten Volumen der Partikelelektrode (Arbeitselektrode) gleichmäßiger. Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist beliebig skalierbar, ohne dass sich der maximale Abstand zwischen einem Punkt in der Arbeitselektrode bis zur nächsten Gegenelektrode vergrößert. Die Elektronentransportwege können somit auch im Up-Scaling und in großen Reaktoren im industriellen Maßstab konstant gehalten werden. Damit ist das erfindungsgemäße System im Prinzip ohne Effizienzverlust beliebig skalierbar. Das neue Partikelelektrodensystem der vorliegenden Erfindung zeichnet sich außerdem durch eine neue vorteilhaftere Ausgestaltung der Gegenelektroden aus, welche einerseits eine signifikante Verbesserung der Kühlung der Elektroden bzw. des Reaktors ermöglicht und andererseits durch eine besondere neue Ausgestaltung einen schnellen und einfachen Austausch verbrauchter Elektrodenpartikel und Reaktionslösung aus der Partikelelektrode während des laufenden Betriebs ermöglicht ohne dass der Reaktor zerlegt oder teilweise umgebaut werden muss. Durch die neuartige Ausführung der Gegenelektroden wird es überraschend auch möglich, an den Gegenelektroden auftretende Gasblasen schnell, einfach und kontinuierlich aus dem System zu entfernen oder bei Bedarf die Einbringung von gasförmigen Komponenten zu ermöglichen. The new particle electrode system of the present invention is distinguished from those known from the prior art in particular by a special design of the electrical contact in the particle electrode. The electrical contact of the particle electrode is designed according to the invention in the form of an arrangement that extends evenly distributed throughout the entire volume of the electrode particles in the particle electrode chamber. The at least one counter electrode is arranged inside the particle electrode. This minimizes the electron transport paths and makes them more uniform throughout the entire volume of the particle electrode (working electrode). The electrode arrangement according to the invention can be scaled as required without the maximum distance between a point in the working electrode and the next counter electrode increasing. The electron transport paths can thus be kept constant even in up-scaling and in large reactors on an industrial scale. The system according to the invention can therefore be scaled as required in principle without any loss of efficiency. The new particle electrode system of the present invention is also characterized by a new, more advantageous design of the counter electrodes, which on the one hand enables a significant improvement in the cooling of the electrodes or the reactor and on the other hand enables a quick and easy replacement of used electrode particles and reaction solution from the particle electrode during operation without having to dismantle the reactor or partially rebuild it. The new design of the counter electrodes also surprisingly makes it possible to quickly, easily and continuously remove gas bubbles that appear at the counter electrodes from the system or to allow the introduction of gaseous components if required.
Die vorliegende Erfindung löst die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik durch die neuartige, quasi dreidimensional verflochtene Anordnung und Ausführung der Arbeitselektrodenkammer mit der Partikelelektrode und der neuartigen Ausgestaltung der Gegenelektrodenkammer, worin die Gegenelektroden quasi als Multifunktionselemente dienen, die neben dem Elektronentransport auch Funktionen für den Partikeltransport/-austausch sowie für die Kühlung, und ggf. eine Gaseinbringung, erfüllen. Durch die neuartige Anordnung und Ausgestaltung lässt sich erstmals ein nahezu beliebig skalierbares Reaktorsystem mit Partikelelektrode realisieren. The present invention solves the above-described disadvantages of the prior art through the novel, almost three-dimensionally interwoven arrangement and design of the working electrode chamber with the particle electrode and the novel design of the counter electrode chamber, in which the counter electrodes serve as multifunctional elements that, in addition to electron transport, also fulfill functions for particle transport/exchange as well as for cooling and, if necessary, gas introduction. The novel arrangement and design makes it possible for the first time to realize a reactor system with a particle electrode that can be scaled almost as desired.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben und umfasst insbesondere die folgenden Ausführungsformen: The present invention is described in more detail below and particularly includes the following embodiments:
Elektrodensystem umfassend eine Elektrodenkammer (1) mit Electrode system comprising an electrode chamber (1) with
(a) einer Partikelelektrode (2) umfassend a-i. in dem Volumen der Elektrodenkammer verteilte Elektrodenpartikel (2a) und a-ii. eine oder mehrere Stromzuführungen (7) sowie a-iii. ein oder mehrere leitfähige Elemente (8) wobei die Stromzuführungen (7) und die leitfähigen Elemente (8) in direktem Kontakt miteinander stehen und zusammen eine Anordnung bilden, welche sich durch die Füllhöhe (2b) und die horizontale Ausdehnung (2c) der Elektrodenpartikel in der Elektrodenkammer erstreckt; sowie (a) a particle electrode (2) comprising a-i. electrode particles (2a) distributed in the volume of the electrode chamber and a-ii. one or more power supply lines (7) and a-iii. one or more conductive elements (8), wherein the power supply lines (7) and the conductive elements (8) are in direct contact with one another and together form an arrangement which extends through the filling level (2b) and the horizontal extent (2c) of the electrode particles in the electrode chamber; and
(b) mindestens einer Gegenelektrode (18) umfassend b-i. einen leitfähigen Stab oder Draht (19a), b-ii. eine äußere Ummantelung (19b) die so in einem Abstand zur Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) angeordnet ist, dass b-iii. ein den Stab oder Draht (19a) zirkulär umlaufender Ringspalt (26) zwischen Ummantelung (19b) und Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) gebildet ist, und welcher b-iv. eine Zulauföffnung (13) und eine Ablauföffnung (14) aufweist, durch welche Gegenelektroden-Elektrolytlösung durch den den Stab oder Draht (19a) umgebenden Ringspalt (26) geleitet wird, und b-v. eine elektrische Kontaktierung (9); worin die mindestens eine Gegenelektrode (18) innerhalb der Partikelelektrode (2) angeordnet ist und worin die sich durch das Partikelbett der Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) Aussparungen (8a) aufweisen, innerhalb derer die Gegenelektroden (18) angeordnet werden. (b) at least one counter electrode (18) comprising bi. a conductive rod or wire (19a), b-ii. an outer casing (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that b-iii. an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the casing (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a), and which b-iv. has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution is passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a), and bv. an electrical contact (9); wherein the at least one counter electrode (18) is arranged within the particle electrode (2) and wherein the conductive elements (8) extending through the particle bed of the electrode chamber have recesses (8a) within which the counter electrodes (18) are arranged.
Das vorgenannte Elektrodensystem, worin zwei oder mehr sich durch die Elektrodenkammer erstreckende leitfähige Elemente (8) vorgesehen sind, welche jeweils parallel zueinander und gleichmäßig in der Elektrodenkammer (1) verteilt angeordnet sind. The aforementioned electrode system, wherein two or more conductive elements (8) extending through the electrode chamber are provided, which are each arranged parallel to one another and evenly distributed in the electrode chamber (1).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) in Form von leitfähigen Blechen, Bändern, Drähten, Gittern oder porösen Netzen ausgebildet sind. One of the aforementioned electrode systems, wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are in the form of conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) und die mindestens eine Gegenelektrode (18) so angeordnet sind, dass die mindestens eine Gegenelektrode die Aussparungen (8a) der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) durchdringt und so mit diesen eine dreidimensional ineinandergreifende Anordnung bildet. One of the aforementioned electrode systems, wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber and the at least one counter electrode (18) are arranged such that the at least one counter electrode penetrates the recesses (8a) of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber and thus forms a three-dimensionally interlocking arrangement with them.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin der leitfähige Stab oder Draht (19a) der mindestens einen Gegenelektrode (18) in Form eines Hohlstabs ausgebildet ist. One of the aforementioned electrode systems, wherein the conductive rod or wire (19a) of the at least one counter electrode (18) is in the form of a hollow rod.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, welches mindestens zwei Gegenelektroden (18) in Form eines Hohlstabs (19a) aufweist, wobei One of the aforementioned electrode systems, which has at least two counter electrodes (18) in the form of a hollow rod (19a), wherein
(i) mindestens eine Gegenelektrode als Kühl-Gegenelektrode (18a) ausgebildet ist, welche eine Ablaufvorrichtung (10) und eine Zulaufvorrichtung (12) aufweist, durch welche Kühlmittel durch den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab- Gegenelektrode (18a) geleitet wird, und (i) at least one counter electrode is designed as a cooling counter electrode (18a) which has a drain device (10) and an inlet device (12) through which coolant is passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a), and
(ii) mindestens eine Gegenelektrode als Verteil-Gegenelektrode (18b) ausgebildet ist, welche eine Vorrichtung (11 , 20) zum Zu- und Abführen von Elektrodenpartikeln in die Elektrodenkammer über den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab-Gegenelektrode (18b) aufweist. (ii) at least one counter electrode is designed as a distribution counter electrode (18b) which has a device (11, 20) for supplying and removing electrode particles into the electrode chamber via the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18b).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, umfassend außerdem One of the aforementioned electrode systems, further comprising
(c) Vorrichtungen zur Zu- und Abführung von Reaktionslösungen der Partikelelektrode, welche Ablauföffnungen (4, 17) und Zulauföffnungen (5, 15) sowie Kammern zum Verteilen (21), Sammeln (23), und Ausgleich des Expansionsvolumens der Partikelelektrode (22) umfassen können. Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, welches mehr als eine als Kühl- Gegenelektroden (18a) ausgebildete Gegenelektroden (18) aufweist. (c) Devices for supplying and removing reaction solutions from the particle electrode, which may comprise drain openings (4, 17) and inlet openings (5, 15) as well as chambers for distributing (21), collecting (23) and compensating the expansion volume of the particle electrode (22). One of the aforementioned electrode systems, which has more than one counter electrode (18) designed as cooling counter electrodes (18a).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin eine Anzahl an Verteil- und Kühl- Gegenelektroden in einem Verhältnis Verteil-Gegenelektrode(n) (18b) : Kühl- Gegenelektroden (18a) von 1 : 4 bis 1 : 20, bevorzugt von 1 : 6 vorgesehen ist. One of the aforementioned electrode systems, wherein a number of distribution and cooling counter electrodes are provided in a ratio of distribution counter electrode(s) (18b): cooling counter electrodes (18a) of 1:4 to 1:20, preferably 1:6.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Gegenelektroden (18) gleichmäßig und symmetrisch innerhalb der Partikelelektrode (2) verteilt angeordnet werden. One of the aforementioned electrode systems, wherein the counter electrodes (18) are arranged evenly and symmetrically distributed within the particle electrode (2).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Partikelelektrode als Fluidbett- Partikelelektrode ausgestaltet ist. One of the aforementioned electrode systems, wherein the particle electrode is designed as a fluid bed particle electrode.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Partikelelektrode als Festbett- Partikelelektrode ausgestaltet ist. One of the aforementioned electrode systems, wherein the particle electrode is designed as a fixed bed particle electrode.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Elektrodenpartikel einen Durchmesser von 5 bis 5.000 pm, bevorzugt 100 bis 1.000 pm aufweisen. One of the aforementioned electrode systems, wherein the electrode particles have a diameter of 5 to 5,000 pm, preferably 100 to 1,000 pm.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Elektrodenpartikel auf ihrer Oberfläche immobilisierte katalytisch aktive Funktionalitäten und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. One of the aforementioned electrode systems, wherein the electrode particles have catalytically active functionalities and/or magnetic properties immobilized on their surface.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) in Form von leitfähigen Gittern oder porösen Netzen ausgebildet sind, welche für die Elektrodenpartikel (2a) durchlässig sind und eine Maschenweite aufweisen, welche ein Vielfaches der Größe der Elektrodenpartikel (2a) beträgt. One of the aforementioned electrode systems, wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are designed in the form of conductive grids or porous nets which are permeable to the electrode particles (2a) and have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) so dimensioniert sind, dass sie sich über die gesamte Querschnittsfläche bis zu den Rändern der Elektrodenkammer (1) erstrecken und worin die Aussparungen (8a) so ausgestaltet sind und so in den Elementen (8) positioniert sind, dass jeweils parallel zueinander angeordnete Elemente (8) parallel zueinander positionierte Aussparungen (8a) aufweisen, durch die die Gegenelektroden in die Elektrodenkammer (1) eingebracht werden und dabei von den leitfähigen Elementen (8) zirkulär umschlossen werden. One of the aforementioned electrode systems, wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are dimensioned such that they extend over the entire cross-sectional area up to the edges of the electrode chamber (1) and wherein the recesses (8a) are designed and positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another each have recesses (8a) positioned parallel to one another through which the counter electrodes are introduced into the electrode chamber (1) and are thereby circularly enclosed by the conductive elements (8).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Ummantelung (19b) der Gegenelektroden (18) aus Materialien gebildet ist, die den Durchtritt von Ladung ermöglichen und den Durchtritt und das Eindringen von Elektrodenpartikeln (2a) in den Ringspalt (26) verhindern. One of the aforementioned electrode systems, wherein the sheath (19b) of the counter electrodes (18) is formed of materials which allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Ummantelung (19b) der Gegenelektroden (18) aus Materialien gebildet ist, die ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend mikro- oder nanoporöse Polymernetze und Membranen, sowie lonenaustauschermembranen. One of the aforementioned electrode systems, wherein the sheath (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin die Gegenelektroden (18) in Form von Hohlstäben ausgebildet sind welche auf der Innenfläche ihres Hohlraums (27) eine elektrisch nichtleitende Beschichtung aufweisen. One of the aforementioned electrode systems, wherein the counter electrodes (18) are designed in the form of hollow rods which have an electrically non-conductive coating on the inner surface of their hollow space (27).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin mindestens eine Gegenelektrode in Form einer Verteil-Gegenelektrode (18b) vorgesehen ist, welche ein nichtleitendes Verteilstück (29) und Zu- und Abführvorrichtungen (11 , 20) zum Austausch von Elektrodenpartikeln zwischen Partikelelektrode und hohlem Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) aufweist. One of the aforementioned electrode systems, wherein at least one counter electrode is provided in the form of a distribution counter electrode (18b), which has a non-conductive distributor piece (29) and supply and removal devices (11, 20) for the exchange of electrode particles between the particle electrode and the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b).
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin das Verteilstück (29) der Verteil- Gegenelektrode (18b) so ausgebildet ist, dass mehrere separate Teilkanäle (32) in Form separater Teilsegmente des Ringspalts den Durchfluss des Gegenelektroden- Elektrolyts durch den Ringspalt (26) ermöglichen und zwischen diesen Teilkanälen Öffnungen (20) vorgesehen sind, die den hohlen Innenbereich (27) der Verteil- Gegenelektrode (18b) mit der Partikelelektrode verbinden und durch welche die Elektrodenpartikel zwischen dem Innenbereich der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der Partikelelektrode ausgetauscht werden können. One of the aforementioned electrode systems, wherein the distributor piece (29) of the distributor counter electrode (18b) is designed such that several separate sub-channels (32) in the form of separate sub-segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these sub-channels, which connect the hollow inner region (27) of the distributor counter electrode (18b) to the particle electrode and through which the electrode particles can be exchanged between the inner region of the distributor counter electrode (18b) and the particle electrode.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin mindestens eine Gegenelektrode in Form einer Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektrode (18c) vorgesehen ist, welche so ausgestaltet ist, dass eine interne Zuführung oder Rückführung von Elektrolytlösung zu dem Bereich erfolgt in dem die zugehörige Zulauföffnung des Elektrolyten liegt, so dass Zu- und Ablaufanschlüsse für den Elektrolyten auf der gleichen Seite des Reaktors liegen. One of the aforementioned electrode systems, wherein at least one counter electrode in the form of an inflow or return flow counter electrode (18c) is provided, which is designed such that an internal supply or return of electrolyte solution takes place to the region in which the associated inlet opening of the electrolyte is located, so that inlet and outlet connections for the electrolyte are on the same side of the reactor.
Eines der vorgenannten Elektrodensysteme, worin mindestens eine Gegenelektrode Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Elektrolytlösung, Gasen oder sonstigen Reaktionslösungen aufweist, welche Ventile, Zu- und Ablauföffnungen (3, 6), Leitungen (30, 32) sowie Kammern zum Verteilen (24) und Sammeln (25), sowie Kopplungsvorrichtungen zum Anschluss an externe Komponenten umfassen können. Partikelelektrode (2) umfassend in einem Gehäuse (1a) Elektrodenpartikel (2a) dispergiert in einer Arbeits- Elektrolytlösung, und eine oder mehrere Stromzuführungen (7) und ein oder mehrere leitfähige Elemente (8), wobei die Stromzuführungen (7) und die leitfähigen Elemente (8) in direktem Kontakt miteinander stehen und zusammen eine Anordnung bilden, welche sich durch die Füllhöhe (2b) und die horizontale Ausdehnung (2c) der Elektrodenpartikel-Dispersion in der Elektrodenkammer erstreckt und worin die sich durch das Partikelbett der Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) Aussparungen (8a) aufweisen, innerhalb derer Gegenelektroden angeordnet werden können. One of the aforementioned electrode systems, wherein at least one counter electrode has devices for the continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions, which can comprise valves, inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25), as well as coupling devices for connection to external components. Particle electrode (2) comprising in a housing (1a) electrode particles (2a) dispersed in a working electrolyte solution, and one or more power leads (7) and one or more conductive elements (8), wherein the power leads (7) and the conductive elements (8) are in direct contact with one another and together form an arrangement which extends through the filling level (2b) and the horizontal extent (2c) of the electrode particle dispersion in the electrode chamber and wherein the conductive elements (8) extending through the particle bed of the electrode chamber have recesses (8a) within which counter electrodes can be arranged.
Die vorgenannte Partikelelektrode, welche außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist: The aforementioned particle electrode, which also has one or more of the following features:
■ in der Partikelelektrode sind zwei oder mehr der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) vorgesehen und diese sind jeweils parallel zueinander und gleichmäßig in der Elektrodenkammer (1) verteilt angeordnet; ■ in the particle electrode, two or more of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are provided and these are arranged parallel to one another and evenly distributed in the electrode chamber (1);
■ die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind in Form von leitfähigen Blechen, Bändern, Drähten, Gittern oder porösen Netzen ausgebildet; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are in the form of conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets;
■ die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind so angeordnet, dass bei Einbringung von mindestens einer Gegenelektrode innerhalb der Aussparungen (8a) der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) die mindestens eine Gegenelektrode mit diesen eine dreidimensional ineinandergreifende Anordnung bildet; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are arranged such that when at least one counter electrode is introduced within the recesses (8a) of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber, the at least one counter electrode forms a three-dimensionally interlocking arrangement with these;
■ die sich durch die Elektrodenpartikel-Dispersion erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind in Form von leitfähigen Gittern oder porösen Netzen ausgebildet welche für die Elektrodenpartikel (2a) durchlässig sind,■ the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are designed in the form of conductive grids or porous nets which are permeable to the electrode particles (2a),
■ die sich durch die Elektrodenpartikel-Dispersion erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind in Form von leitfähigen Gittern oder porösen Netzen ausgebildet, welche eine Maschenweite aufweisen, die ein Vielfaches der Größe der Elektrodenpartikel (2a) beträgt, ■ the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are designed in the form of conductive grids or porous nets which have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a),
■ die sich durch die Elektrodenpartikel-Dispersion erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind so dimensioniert, dass sie sich über die gesamte Querschnittsfläche bis zu den Rändern des Gehäuses (1a) erstrecken und weisen Aussparungen (8a) auf, vorzugsweise kreisförmige Aussparungen, die so in den Elementen (8) positioniert sind, dass jeweils parallel zueinander angeordnete Elemente (8) parallel zueinander positionierte Aussparungen (8a) aufweisen, durch die Gegenelektroden, vorzugsweise stabförmige Gegenelektroden, besonders bevorzugt solche in Form eines Hohlstabs, in das Gehäuse (1a) eingesetzt werden können und damit von den leitfähigen Elementen (8) zirkulär umschlossen werden; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are dimensioned such that they extend over the entire cross-sectional area up to the edges of the housing (1a) and have recesses (8a), preferably circular recesses, which are positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another have recesses positioned parallel to one another (8a) through which counter electrodes, preferably rod-shaped counter electrodes, particularly preferably those in the form of a hollow rod, can be inserted into the housing (1a) and are thus circularly enclosed by the conductive elements (8);
■ die Partikelelektrode wird als Fluidbett-Partikelelektrode oder als Festbett- Partikelelektrode ausgestaltet; ■ the particle electrode is designed as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode;
■ die Elektrodenpartikel weisen einen Durchmesser von 5 bis 5.000 pm, bevorzugt 100 bis 1.000 pm auf; ■ the electrode particles have a diameter of 5 to 5,000 pm, preferably 100 to 1,000 pm;
■ die Elektrodenpartikel weisen auf ihrer Oberfläche immobilisierte katalytisch aktive Funktionalitäten auf; ■ the electrode particles have catalytically active functionalities immobilized on their surface;
■ die Elektrodenpartikel weisen magnetische Eigenschaften auf. ■ the electrode particles have magnetic properties.
Gegenelektrode (18) umfassend einen leitfähigen Stab oder Draht (19a), welcher in Form eines Hohlstabs ausgebildet ist, eine äußere isolierende Ummantelung (19b) die so in einem Abstand zur Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) angeordnet ist, dass ein den Stab oder Draht (19a) zirkulär umlaufender Ringspalt (26) zwischen Ummantelung (19b) und Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) gebildet ist, und welcher eine Zulauföffnung (13) und eine Ablauföffnung (14) aufweist, durch welche Gegenelektroden-Elektrolytlösung durch den den Stab oder Draht (19a) umgebenden Ringspalt (26) geleitet werden kann, sowie eine elektrische Kontaktierung (9). Counter electrode (18) comprising a conductive rod or wire (19a) which is designed in the form of a hollow rod, an outer insulating sheath (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the sheath (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a), and which has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution can be passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a), and an electrical contact (9).
Die vorgenannte Gegenelektrode, worin die Ummantelung (19b) aus Materialien gebildet ist, die den Durchtritt von Ladung ermöglichen und den Durchtritt und das Eindringen von Elektrodenpartikeln (2a) in den Ringspalt (26) verhindern. The aforementioned counter electrode, wherein the sheath (19b) is formed of materials which allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26).
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, worin die Ummantelung (19b) aus Materialien gebildet ist, die ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend mikro- oder nanoporöse Polymernetze und Membranen, sowie lonenaustauschermembranen. One of the aforementioned counter electrodes, wherein the sheath (19b) is formed from materials selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, welche Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Gegenelektroden-Elektrolyt durch den Ringspalt (26) aufweist, welche Zu- und Ablauföffnungen (3, 6), Leitungen (30, 32) sowie Kammern zum Verteilen (24) und Sammeln (25) umfassen können. One of the aforementioned counter electrodes, which has devices for the continuous flow of counter electrode electrolyte through the annular gap (26), which can comprise inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25).
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, welche Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Elektrolytlösung, Gasen oder sonstigen Reaktionslösungen durch den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab-Gegenelektrode aufweist, welche Zu- und Ablauföffnungen, Leitungen sowie Kammern zum Verteilen und Sammeln, sowie Anschlüsse an externe Komponenten umfassen können. One of the aforementioned counter electrodes, which has devices for the continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode, which supply and Drainage openings, pipes and chambers for distribution and collection, as well as connections to external components.
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, welche in Form einer Kühl-Gegenelektrode (18a) ausgebildet ist und eine Ablaufvorrichtung (10) und eine Zulaufvorrichtung (12) aufweist, durch welche Kühlmittel durch den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab- Gegenelektrode (18a) geleitet werden kann. One of the aforementioned counter electrodes, which is designed in the form of a cooling counter electrode (18a) and has a drain device (10) and an inlet device (12) through which coolant can be passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a).
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, welche in Form einer Verteil-Gegenelektrode (18b) ausgebildet ist und ein nichtleitendes Verteilstück (29) und eine Vorrichtung zum Zu- und Abführen (11 , 20) von Elektrodenpartikeln über den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) aufweist. One of the aforementioned counter electrodes, which is designed in the form of a distribution counter electrode (18b) and has a non-conductive distribution piece (29) and a device for supplying and removing (11, 20) electrode particles via the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b).
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, worin das Verteilstück (29) so ausgebildet ist, dass mehrere separate Teilkanäle (32) in Form separater Teilsegmente des Ringspalts den Durchfluss des Gegenelektroden-Elektrolyts durch den Ringspalt (26) ermöglichen und zwischen diesen Teilkanälen Öffnungen (20) vorgesehen sind, die den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) mit der äußeren Umgebung verbinden und durch welche Elektrodenpartikel zwischen Innenbereich der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der äußeren Umgebung ausgetauscht werden können. One of the aforementioned counter electrodes, wherein the distributor piece (29) is designed such that several separate partial channels (32) in the form of separate partial segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these partial channels, which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) with the external environment and through which electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the external environment.
Eine der vorgenannten Gegenelektroden, welche in Form einer Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektrode (18c) ausgebildet ist, welche so ausgestaltet ist, dass eine Zuführung oder Rückführung oder Umleitung von Elektrolytlösung durch die Gegenelektrode in das Reaktorsystem oder an ausgewählte Positionen mit Zulauf- oder Ablaufanschlüssen oder Sammel- oder Verteilkammern im Reaktor erfolgt. One of the aforementioned counter electrodes, which is designed in the form of an inflow or return flow counter electrode (18c), which is designed such that a supply or return or diversion of electrolyte solution takes place through the counter electrode into the reactor system or to selected positions with inlet or outlet connections or collection or distribution chambers in the reactor.
Reaktor umfassend eines der vorgenannten Elektrodensysteme, eine der vorgenannten Partikelelektroden, eine oder mehrere der vorgenannten Gegenelektroden oder Kombinationen davon. Reactor comprising one of the aforementioned electrode systems, one of the aforementioned particle electrodes, one or more of the aforementioned counter electrodes or combinations thereof.
Der vorgenannte Reaktor, weicher eine Partikelelektrode mit Elektrodenpartikeln mit magnetischen Eigenschaften umfasst und außerhalb des Elektrodengehäuses Magnete vorsieht, die das Anlegen von Magnetfeldern in der Partikelelektrode ermöglichen. The aforementioned reactor, which comprises a particle electrode with electrode particles with magnetic properties and provides magnets outside the electrode housing which enable the application of magnetic fields in the particle electrode.
Verwendung eines der vorgenannten Elektrodensysteme, einer der vorgenannten Partikelelektroden, einer der vorgenannten Gegenelektroden und/oder des vorgenannten Reaktors in elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Verfahren umfassend elektrochemische Reaktions- und Syntheseverfahren, elektroenzymatische Reaktions- und Syntheseverfahren, elektromikrobielle Reaktionsund Syntheseverfahren Use of one of the aforementioned electrode systems, one of the aforementioned particle electrodes, one of the aforementioned counter electrodes and/or the aforementioned reactor in electrochemical or electrobiotechnological processes comprising electrochemical reaction and synthesis processes, electroenzymatic reaction and synthesis processes, electromicrobial reaction and synthesis processes
Verfahren zum kontinuierlichen Betrieb eines elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Reaktors, umfassend Method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor, comprising
(A) die Bereitstellung eines der vorgenannten Reaktoren mit einem der vorgenannten Elektrodensysteme, (A) the provision of one of the abovementioned reactors with one of the abovementioned electrode systems,
(B) Beschickung der Partikelelektrode (2) des Elektrodensystems zum Betrieb als Fluidbett-Partikelelektrode oder als Festbett-Partikelelektrode, (B) feeding the particle electrode (2) of the electrode system for operation as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode,
(C) kontinuierliches oder zyklisches Pumpen einer Kühllösung aus einem externen Kühlwassersystem durch eine als Kühl-Gegenelektrode (18a) ausgebildete Gegenelektrode des Elektrodensystems zur Temperaturkontrolle im Elektrodenraum, (C) continuous or cyclic pumping of a cooling solution from an external cooling water system through a counter electrode of the electrode system designed as a cooling counter electrode (18a) for temperature control in the electrode chamber,
(D) zyklischer oder kontinuierlicher Austausch von Gegenelektroden-Elektrolyt durch den Ringspalt (26) der Gegenelektroden (18), (D) cyclic or continuous exchange of counter electrode electrolyte through the annular gap (26) of the counter electrodes (18),
(E) bei Bedarf Austausch der Elektrodenpartikel (2a) im Elektrodensystem durch(E) if necessary, replacement of the electrode particles (2a) in the electrode system by
Drosseln oder Schließen der Ablaufvorrichtung (4) der Reaktionslösung der Partikelelektrode und Throttling or closing the drain device (4) of the reaction solution of the particle electrode and
Öffnen der Zu- und Abführvorrichtung (11) der Verteil-Gegenelektrode (18b) und einströmen lassen von Reaktionslösung über die Zulaufvorrichtungen (5, 15) durch die Öffnung (20) des Verteilstücks (29) in das Innere der Verteil- Gegenelektrode (18b) und Opening the supply and discharge device (11) of the distribution counter electrode (18b) and allowing reaction solution to flow via the supply devices (5, 15) through the opening (20) of the distributor piece (29) into the interior of the distribution counter electrode (18b) and
- Abführen der mitgerissenen Elektroden-Partikel über die Zu- und Abführvorrichtung (11) aus dem Reaktor, anschließend Zuführung frischer Elektrodenpartikel in den Reaktor über die Zu- und Abführvorrichtung (11) in das Innere der Verteil- Gegenelektrode (18b) und durch die Öffnung (20) in die Partikelelektrode, wobei der Austausch der Elektrodenpartikel bei laufendem Reaktorbetrieb erfolgt. - Removal of the entrained electrode particles from the reactor via the feed and discharge device (11), subsequent feeding of fresh electrode particles into the reactor via the feed and discharge device (11) into the interior of the distribution counter electrode (18b) and through the opening (20) into the particle electrode, wherein the exchange of the electrode particles takes place during ongoing reactor operation.
Das vorgenannte Verfahren zum kontinuierlichen Betrieb eines elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Reaktors, umfassend außerdem die Zuführung oder Rückführung oder Umleitung von Elektrolytlösung durch die als Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektrode (18c) ausgebildeten Gegenelektrode in das Reaktorsystem oder an ausgewählte Positionen mit Zulauf- oder Ablaufanschlüssen oder Sammeloder Verteilkammern im Reaktor. Dabei werden Gegenelektrodenelektrolytlösung und Partikelelektrodenelektrolytlösung jeweils getrennt voneinander durch unterschiedliche Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektroden (18c) geleitet. The aforementioned method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor, further comprising the supply or return or diversion of electrolyte solution through the counter electrode designed as an inflow or return flow counter electrode (18c) into the reactor system or to selected positions with inflow or outflow connections or collection or distribution chambers in the reactor. Counter electrode electrolyte solution and Particle electrode electrolyte solution is passed separately through different inflow or return current counter electrodes (18c).
Das vorgenannte Verfahren zum kontinuierlichen Betrieb eines elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Reaktors, umfassend außerdem eine Begasung des Reaktors und/oder die Zuführung weiterer Reaktionslösungen, jeweils durch eine oder mehrere Gegenelektroden. The aforementioned method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor, further comprising gassing the reactor and/or supplying further reaction solutions, each through one or more counter electrodes.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben. The present invention will be described in detail below.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zur Lösung der oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik ein neues Partikelelektrodensystem entwickelt, welches eine neuartige Partikelelektrode sowie neuartige Gegenelektroden umfasst und sich durch eine besondere Anordnung der Komponenten auszeichnet. To solve the above-described disadvantages of the prior art, the inventors of the present invention have developed a new particle electrode system which comprises a novel particle electrode and novel counter electrodes and is characterized by a special arrangement of the components.
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem (hierin auch als Partikelelektrodensystem bezeichnet) umfasst in einer Elektrodenkammer (1) eine Partikelelektrode (2) sowie mindestens eine Gegenelektrode (18), worin die mindestens eine Gegenelektrode (18) innerhalb der Partikelelektrode (2) angeordnet ist. The electrode system according to the invention (also referred to herein as particle electrode system) comprises a particle electrode (2) and at least one counter electrode (18) in an electrode chamber (1), wherein the at least one counter electrode (18) is arranged within the particle electrode (2).
Die Elemente der erfindungsgemäßen Elektrodensysteme werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. The elements of the electrode systems according to the invention are described in detail below.
Partikelelektrode particle electrode
Eine erfindungsgemäße Partikelelektrode (hierin auch als Arbeitselektrode bezeichnet) kann im Grunde auf jeder herkömmlichen Partikelelektrode basieren. In Partikelelektroden liegen Elektrodenpartikel (2a) dispergiert in einer Elektrolytlösung (Arbeits-Elektrolytlösung) in einem Behälter oder Gehäuse, auch als Elektrodenkammer bezeichnet, verteilt vor. Die in der Arbeits-Elektrolytlösung dispergierten Elektrodenpartikel werden hierin zusammen auch als Elektrodenpartikel-Dispersion bezeichnet. Durch das Bett der Elektrodenpartikel führt eine Stromzuführung. Beispiele von Partikelelektroden, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet werden können, umfassen Partikel aus den Materialien Gold, Platin, Kupfer, Stahl, Aktivkohle und Graphit. Dabei können auch Kompositpartikel, welche aus mindestens zwei Materialien bestehen, als Partikelelektrode verwendet werden, wie z.B. Graphitpartikel mit einem Magnetitkern. Falls die Materialdichte der Elektrodenpartikel geringer als die Dichte des durchströmenden Fluides ist, kann eine Partikelelektrode auf Basis eines sogenannten „inversen Fluidbetts“ erzeugt werden. In der erfindungsgemäßen Partikelelektrode werden diese Grundelemente einer Partikelelektrode so ausgestaltet, dass eine oder mehrere Stromzuführungen (7) vorgesehen werden, die mit einer oder mehreren leitfähigen Elementen (8) direkt verbunden sind und so miteinander eine stromleitende Anordnung (hierin auch als „elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode“ bezeichnet) bilden. Diese Stromleitende Anordnung aus Stromzuführungen (7) und leitfähigen Elementen (8) werden so in den Elektrodenpartikeln der Partikelelektrode angeordnet, dass sie sich einerseits an einer oder mehreren Stellen der Elektrodenkammer durch die Füllhöhe (2b) der Elektrodenpartikel und andererseits auch auf mehreren Ebenen der Elektrodenkammer durch die Elektrodenpartikel in deren horizontaler Ausdehnung (2c) in der Elektrodenkammer erstrecken. Das Füllvolumen der Partikelelektrode ergibt sich somit aus der Füllhöhe und der (horizontalen) Querschnittsfläche der Elektrodenkammer. A particle electrode according to the invention (also referred to herein as a working electrode) can basically be based on any conventional particle electrode. In particle electrodes, electrode particles (2a) are dispersed in an electrolyte solution (working electrolyte solution) in a container or housing, also referred to as an electrode chamber. The electrode particles dispersed in the working electrolyte solution are also referred to herein together as an electrode particle dispersion. A current supply leads through the bed of electrode particles. Examples of particle electrodes that can be designed according to the present invention include particles made of the materials gold, platinum, copper, steel, activated carbon and graphite. Composite particles consisting of at least two materials can also be used as particle electrodes, such as graphite particles with a magnetite core. If the material density of the electrode particles is lower than the density of the fluid flowing through, a particle electrode can be produced on the basis of a so-called "inverse fluid bed". In the particle electrode according to the invention, these basic elements of a particle electrode are designed in such a way that one or more power leads (7) are provided, which are directly connected to one or more conductive elements (8) and thus form a current-conducting arrangement (also referred to herein as "electrical contacting of the particle electrode"). This current-conducting arrangement of current leads (7) and conductive elements (8) are arranged in the electrode particles of the particle electrode in such a way that they extend on the one hand at one or more points in the electrode chamber through the filling level (2b) of the electrode particles and on the other hand also at several levels of the electrode chamber through the electrode particles in their horizontal extension (2c) in the electrode chamber. The filling volume of the particle electrode is thus derived from the filling level and the (horizontal) cross-sectional area of the electrode chamber.
Die Anzahl der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden Stromzuführungen (7) und der leitfähigen Elemente (8) variiert mit der Größe der Elektrodenkammer bzw. des Reaktors. Bei kleineren Reaktordurchmessern, beispielsweise solchen im Labormaßstab, kann eine einzige Stromzuführung (7) ausreichend sein, die sich durch die gesamte Füllhöhe (2b) der Elektrodenpartikel erstreckt, und die mit mehreren über verschiedene Ebenen verteilte parallel zueinander angeordneten leitfähigen Elementen (8) verbunden ist. In einer solchen beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die parallel zueinander angeordneten leitfähigen Elemente (8) auf verschiedenen Ebenen der Füllhöhe der Elektrodenpartikel, quasi horizontal, durch die Elektrodenkammer. In solchen Ausführungen wird die Länge der sich horizontal erstreckenden leitfähigen Elemente (8) idealerweise so gewählt, dass sie sich ausgehend von der konnektierten Stromzuführung (7) möglichst weit zu den von dieser am weitesten entfernten Punkten in der Elektrodenkammer erstrecken. Grundsätzlich kann eine solche Anordnung auch um 90° gekippt ausgestaltet sein, worin sich dann die Stromzuführung (7) horizontal durch die Elektrodenpartikel erstreckt und von dieser ausgehend die konnektierten leitfähigen Elemente (8) sich an verschiedenen Punkten durch die Füllhöhe der Elektrodenpartikel, quasi vertikal, in der Elektrodenkammer erstrecken. Dadurch erstrecken sich in den erfindungsgemäßen Anordnungen die leitfähigen Elemente (8) mit den darin vorgesehenen Aussparungen (8a) horizontal durch das Partikelbett, also in horizontaler Ausdehnung (2c) der Elektrodenpartikel in der Elektrodenkammer, bzw. horizontal durch die Elektrodenpartikel-Dispersion. Sofern hierin auf eine „Erstreckung durch die Elektrodenkammer'' Bezug genommen wird, so ist aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus eine Erstreckung durch das Partikelbett bzw. die Elektrodenpartikel-Dispersion in der Elektrodenkammer gemeint. Eine solche Anordnung und Konnektierung von Stromzuführung(en) und leitfähigen Elementen ist im Prinzip hinsichtlich Ihrer geometrischen oder räumlichen Ausgestaltung frei variierbar und an die Geometrie der Elektrodenkammer bzw. des Reaktors frei anpassbar. So ist es grundsätzlich möglich, eine oder mehrere Stromzuführungen an den äußeren Rändern der Elektrodenkammer vertikal im Partikelbett zu platzieren und davon ausgehend die leitfähigen Elemente sich zum Inneren der Elektrodenkammer hin erstrecken zu lassen. Eine solche horizontale Erstreckung kann beliebig ausgedehnt werden, beispielsweise bis zum Zentrum des Reaktors oder auch bis zum gegenüberliegenden Rand der Elektrodenkammer. Es ist auch möglich, eine oder mehrere Stromzuführungen an einem oder mehreren Punkten abseits des äußeren Randes der Elektrodenkammer vertikal in das Partikelelektrodenbett eintauchen zu lassen und die leitfähigen Elemente sich davon ausgehend horizontal in Richtung des äußeren Randes oder zum Zentrum der Elektrodenkammer hin erstrecken zu lassen. Auch eine Anordnung mit sich sternförmig in verschiedene horizontale Richtungen erstreckenden leitfähigen Elementen ist möglich. Bei entsprechend im 90° gekippten Ausführungsformen solcher Anordnungen können die Stromzuführungen auf verschiedenen Höhen bzw. Ebenen der Füllhöhe der Elektrodenpartikel horizontal durch die Elektrodenkammer verlaufen und die daran konnektierten leitfähigen Elemente erstrecken sich davon ausgehend entweder ebenfalls horizontal in weitere Richtungen der Elektrodenkammer (quasi unter Ausbildung einer sich in zwei Dimensionen kreuz- oder sternförmig erstreckenden Anordnung) oder sie erstrecken sich davon ausgehend vertikal durch die Füllhöhe der Elektrodenpartikel. Maßgeblich bei der gewählten Ausgestaltung der Anordnung die die elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode bildet ist, dass sich leitfähige Elemente gleichmäßig durch alle Bereiche der Elektrodenkammer erstrecken und damit eine gleichmäßige Verteilung gleichmäßige und kurze Elektronentransportwege gewährleisten. The number of power supply lines (7) and conductive elements (8) extending through the electrode chamber varies with the size of the electrode chamber or the reactor. For smaller reactor diameters, for example those on a laboratory scale, a single power supply line (7) may be sufficient, which extends through the entire filling height (2b) of the electrode particles and which is connected to several conductive elements (8) arranged parallel to one another and distributed over different levels. In such an exemplary embodiment, the conductive elements (8) arranged parallel to one another extend at different levels of the filling height of the electrode particles, quasi horizontally, through the electrode chamber. In such embodiments, the length of the horizontally extending conductive elements (8) is ideally selected so that they extend as far as possible from the connected power supply line (7) to the points in the electrode chamber that are furthest away from it. In principle, such an arrangement can also be designed tilted by 90°, in which the power supply (7) then extends horizontally through the electrode particles and, starting from this, the connected conductive elements (8) extend at various points through the filling level of the electrode particles, quasi vertically, in the electrode chamber. As a result, in the arrangements according to the invention, the conductive elements (8) with the recesses (8a) provided therein extend horizontally through the particle bed, i.e. in the horizontal extension (2c) of the electrode particles in the electrode chamber, or horizontally through the electrode particle dispersion. If reference is made here to an "extension through the electrode chamber", this means an extension through the particle bed or the electrode particle dispersion in the electrode chamber due to the structure according to the invention. Such an arrangement and connection of power supply(s) and conductive elements can in principle be freely varied with regard to their geometric or spatial design and can be freely adapted to the geometry of the electrode chamber or the reactor. In principle, it is possible to connect one or more power supplies to the outer Edges of the electrode chamber to be placed vertically in the particle bed and from there the conductive elements to extend towards the interior of the electrode chamber. Such a horizontal extension can be extended as desired, for example to the center of the reactor or to the opposite edge of the electrode chamber. It is also possible to have one or more power leads immersed vertically in the particle electrode bed at one or more points away from the outer edge of the electrode chamber and to have the conductive elements extend horizontally from there towards the outer edge or to the center of the electrode chamber. An arrangement with conductive elements extending in a star shape in different horizontal directions is also possible. In embodiments of such arrangements tilted at 90°, the power supply lines can run horizontally through the electrode chamber at different heights or levels of the filling level of the electrode particles and the conductive elements connected to them extend from there either also horizontally in other directions of the electrode chamber (almost forming an arrangement extending in two dimensions in a cross or star shape) or they extend vertically through the filling level of the electrode particles. The decisive factor in the selected design of the arrangement that forms the electrical contact of the particle electrode is that conductive elements extend evenly through all areas of the electrode chamber and thus ensure an even distribution of even and short electron transport paths.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden entlang einer Stromzuführung (7) mehrere leitfähige Elemente (8) parallel zueinander angeordnet. Damit erstrecken sich dann parallel angeordnete leitfähige Elemente auf verschiedenen horizontalen Ebenen oder vertikal zueinander beabstandet durch die Elektrodenkammer. In preferred embodiments of the invention, several conductive elements (8) are arranged parallel to one another along a power supply line (7). Parallel conductive elements then extend through the electrode chamber on different horizontal planes or vertically spaced from one another.
Die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) können im Prinzip in allen erdenklichen, hinreichend dünnen, geometrischen Formen ausgebildet sein, die eine Erstreckung durch das Partikelelektrodenbett ermöglichen. Bevorzugt liegen die leitfähigen Elemente in Form von leitfähigen Blechen, Bändern, Drähten, Scheiben, Gittern oder porösen Netzen vor. Bevorzugt sind leitfähige Bleche, Bänder, Drähte, Gitter oder poröse Netze. Besonders bevorzugt sind Gitter oder poröse Netze. Solche Stromzuführungen (7) und/oder leitfähigen Elemente (8) können im Grunde aus jeglichen herkömmlichen und bekannten leitfähigen Materialien gebildet werden. Beispiele umfassen Materialien aus Titan, Stahl, Nickel, Gold, Platin, Silber, Kupfer, Wolfram, Zirconium, Tantal, Graphit, Aktivkohle sowie aus Materialien mit leitfähigen Oberflächen aus z.B. Gold, Platin, Graphit, Rutheniumoxid, Iridiumoxid. Die sich durch die Elektrodenkammer (d.h. durch das Partikelbett) erstreckenden leitfähigen Elemente (8) weisen Aussparungen (8a) auf, innerhalb derer die Gegenelektroden (18) angeordnet werden. Im Fall von Drähten können solche Aussparungen in Form von Biegungen ausgebildet werden, wobei solche Biegungen so ausgestaltet sind, dass sie die berührungsfreie Aufnahme und teilweise Umschließung der Gegenelektroden ermöglichen. Im Fall von Blechen, Bändern, Scheiben, Gittern oder porösen Netzen liegen die Aussparungen in der Regel in Form von Ausschnitten oder Löchern vor, welche die Form der darin aufzunehmenden Gegenelektroden abbilden und groß genug sind, diese berührungsfrei aufzunehmen und rundherum vollständig (oder teilweise) zu umschließen. The conductive elements (8) extending through the electrode chamber can in principle be designed in all conceivable, sufficiently thin, geometric shapes that allow an extension through the particle electrode bed. The conductive elements are preferably in the form of conductive sheets, strips, wires, disks, grids or porous nets. Conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets are preferred. Grids or porous nets are particularly preferred. Such power supplies (7) and/or conductive elements (8) can basically be formed from any conventional and known conductive materials. Examples include materials made of titanium, steel, nickel, gold, platinum, silver, copper, tungsten, zirconium, tantalum, graphite, activated carbon and from materials with conductive surfaces made of e.g. gold, platinum, graphite, ruthenium oxide, iridium oxide. The conductive elements (8) extending through the electrode chamber (ie through the particle bed) have recesses (8a) within which the counter electrodes (18) are arranged. In the case of wires, such recesses can be formed in the form of bends, such bends being designed in such a way that they enable the contact-free reception and partial enclosure of the counter electrodes. In the case of sheets, strips, disks, grids or porous nets, the recesses are usually in the form of cutouts or holes which depict the shape of the counter electrodes to be accommodated therein and are large enough to receive them contact-free and to completely (or partially) enclose them all around.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die sich durch die Elektrodenkammer (d.h. durch das Partikelbett) erstreckenden leitfähigen Elemente (8) in Form von leitfähigen Gittern oder porösen Netzen ausgebildet. Solche Gitter oder Netze sind bevorzugt so dimensioniert, dass sie sich über eine gesamte Ebene (z.B. den gesamten Querschnitt) der Elektrodenkammer erstrecken, im Fall einer horizontalen Anordnung in der Elektrodenkammer also beispielsweise über die gesamte horizontale Querschnittsfläche von äußerem Rand bis zum jeweils gegenüberliegenden äußeren Rand oder im Fall einer vertikalen Anordnung in der Elektrodenkammer also beispielsweise über die gesamte vertikale Querschnittsfläche von einem äußerem Rand bis zum gegenüberliegenden äußeren Rand sowie über die gesamte Füllhöhe. In solchen Ausführungsformen, worin die leitfähigen Elemente eine großflächige Ausdehnung aufweisen, müssen diese für die Elektrodenpartikel (2a) durchlässig sein. Werden die leitfähigen Elemente in Form von Gittern oder Netzen ausgebildet, weisen sie bevorzugt eine Maschenweite auf, welche ein Vielfaches der Größe der Elektrodenpartikel (2a) beträgt. In a preferred embodiment of the invention, the conductive elements (8) extending through the electrode chamber (i.e. through the particle bed) are designed in the form of conductive grids or porous nets. Such grids or nets are preferably dimensioned such that they extend over an entire plane (e.g. the entire cross section) of the electrode chamber, in the case of a horizontal arrangement in the electrode chamber, for example over the entire horizontal cross-sectional area from the outer edge to the respective opposite outer edge or in the case of a vertical arrangement in the electrode chamber, for example over the entire vertical cross-sectional area from one outer edge to the opposite outer edge and over the entire filling height. In such embodiments in which the conductive elements have a large area, they must be permeable to the electrode particles (2a). If the conductive elements are designed in the form of grids or nets, they preferably have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) so dimensioniert, dass sie sich über die gesamte (horizontale oder vertikale) Querschnittsfläche (d.h. durch das gesamte Partikelbett) jeweils bis zu den äußeren Rändern der Elektrodenkammer (1) erstrecken. In solchen großflächigen leitfähigen Elementen sind die Aussparungen (8a) in Form von Löchern ausgestaltet, die so in den Elementen (8) positioniert sind, dass jeweils parallel zueinander angeordnete Elemente (8) parallel zueinander positionierte Aussparungen (8a) aufweisen, durch die die Gegenelektroden in die Elektrodenkammer (1) eingebracht werden und dabei von den leitfähigen Elementen (8) auf verschiedenen Ebenen zirkulär umschlossen werden. Werden stabförmige Gegenelektroden verwendet, sind die Aussparungen kreisförmig ausgebildet. Die Größe der Aussparung ist so zu wählen, dass eine berührungsfreie Einführung der Gegenelektroden möglich ist. Desweiteren können Vorrichtungen zur Zu- und Abführung von Reaktionslösungen der Partikelelektrode vorgesehen werden, welche Ablauföffnungen (4, 17) und Zulauföffnungen (5, 15) sowie Kammern zum Verteilen (21), Sammeln (23), und Ausgleich des Expansionsvolumens der Partikelelektrode (22) umfassen können. In a particularly preferred embodiment of the invention, the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are dimensioned such that they extend over the entire (horizontal or vertical) cross-sectional area (i.e. through the entire particle bed) to the outer edges of the electrode chamber (1). In such large-area conductive elements, the recesses (8a) are designed in the form of holes which are positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another each have recesses (8a) positioned parallel to one another through which the counter electrodes are introduced into the electrode chamber (1) and are thereby circularly enclosed by the conductive elements (8) at different levels. If rod-shaped counter electrodes are used, the recesses are circular. The size of the recess should be selected so that contact-free insertion of the counter electrodes is possible. Furthermore, devices for supplying and removing reaction solutions from the particle electrode can be provided, which can comprise drain openings (4, 17) and inlet openings (5, 15) as well as chambers for distributing (21), collecting (23), and compensating the expansion volume of the particle electrode (22).
Es ist außerdem möglich Vorrichtungen zur Zu- und Abführung von Gasen zwecks Begasung des Systems vorzusehen. Durch solche Vorrichtungen können Gase entweder über separate Zuleitungen in ausgewählte Bereiche des Elektrodensystems direkt eingespeist werden oder sie werden über die Gegenelektroden eingespeist, beispielsweise über den inneren Hohlraum bei Hohlstab-Gegenelektroden oder über den Ringspalt. It is also possible to provide devices for the supply and removal of gases for the purpose of gassing the system. Such devices can either feed gases directly into selected areas of the electrode system via separate feed lines or they can be fed in via the counter electrodes, for example via the inner cavity in hollow rod counter electrodes or via the annular gap.
Die Partikelelektroden der vorliegenden Erfindung können als Fluidbett-Partikelelektrode oder als Festbett-Partikelelektrode betrieben werden. Besonders bevorzugt werden durchströmte Festbett-Partikelelektroden sowie konventionelle bzw. inverse Fluidbett- Partikelelektroden mit einer geringen Expansion des Fluidbetts von 1 bis 30%, bevorzugt 2 bis 10%. The particle electrodes of the present invention can be operated as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode. Particularly preferred are flow-through fixed bed particle electrodes and conventional or inverse fluid bed particle electrodes with a low expansion of the fluid bed of 1 to 30%, preferably 2 to 10%.
Die Partikelelektroden der vorliegenden Erfindung weisen in der Regel einen Durchmesser von 5 bis 5.000 pm, bevorzugt 100 bis 1.000 pm auf. The particle electrodes of the present invention generally have a diameter of 5 to 5,000 pm, preferably 100 to 1,000 pm.
Die Elektrodenpartikel der Partikelelektroden der vorliegenden Erfindung können Oberflächen-funktionalisiert sein, d.h. es können funktionelle Gruppen auf ihrer Oberfläche immobilisiert sein, die die Elektrodenpartikel mit zusätzlichen funktionellen Eigenschaften ausstatten. Beispiele umfassen Funktionalisierungen zur Immobilisierung von Enzymen und Mikroorganismen z.B. Affinitätstag-basierte Gruppen und kovalente Gruppen sowie Strukturen zur Immobilisierung durch Einschluss bzw. Adsorption. The electrode particles of the particle electrodes of the present invention can be surface-functionalized, i.e. functional groups can be immobilized on their surface, which provide the electrode particles with additional functional properties. Examples include functionalizations for immobilizing enzymes and microorganisms, e.g. affinity tag-based groups and covalent groups, as well as structures for immobilization by inclusion or adsorption.
Bevorzugte Beispiele umfassen Elektrodenpartikel, die auf ihrer Oberfläche immobilisierte katalytisch aktive Funktionalitäten aufweisen und/oder die magnetische Eigenschaften aufweisen. Beispiele für Oberflächenfunktionalisierungen umfassen Dotierungen mit Nano-/Mikropartikeln und Fremdatomen, Beschichtungen und Kompositstrukturen zur Verbesserung der elektrokatalytischen Eigenschaften, immobilisierte synthetische oder biologische Enzyme und Ganzzellkatalysatoren. Im Gegensatz zu solchen Oberflächenfunktionalisierungen ist Magnetismus keine Oberflächeneigenschaft sondern eine Eigenschaft des Volumens der Partikel. Bei magnetischen Elektrodenpartikeln resultieren die magnetischen Eigenschaften daher aus der Verwendung eines magnetischen Materials bzw. von Kompositmaterialien mit magnetischem Anteil.
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Preferred examples include electrode particles that have catalytically active functionalities immobilized on their surface and/or that have magnetic properties. Examples of surface functionalizations include doping with nano/microparticles and foreign atoms, coatings and composite structures to improve the electrocatalytic properties, immobilized synthetic or biological enzymes and whole-cell catalysts. In contrast to such surface functionalizations, magnetism is not a surface property but a property of the volume of the particles. In the case of magnetic electrode particles, the magnetic properties therefore result from the use of a magnetic material or composite materials with a magnetic component.
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Prinzipiell könnten in den erfindungsgemäßen Partikelelektrodensystemen auch herkömmliche Elektroden als Gegenelektroden eingesetzt werden, wie beispielsweise herkömmliche Voll- oder Hohlstabelektroden. Um die besonderen erfindungsgemäßen, hierin beschriebenen Vorteile zu erzielen, werden jedoch spezielle Gegenelektroden eingesetzt, welche einen leitfähigen Stab oder Draht (19a) umfassen, der eine äußere Ummantelung (19b) aufweist, die so in einem Abstand zur Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) angeordnet ist, dass ein den Stab oder Draht (19a) zirkulär umlaufender Ringspalt (26) zwischen Ummantelung (19b) und Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) gebildet ist. Dieser Ringspalt weist eine Zulauföffnung (13) und eine Ablauföffnung (14) auf, durch welche Gegenelektroden-Elektrolytlösung durch den den Stab oder Draht (19a) umgebenden Ringspalt (26) geleitet werden kann. Die Gegenelektrode weist außerdem eine elektrische Kontaktierung (9) auf. In principle, conventional electrodes could also be used as counter electrodes in the particle electrode systems according to the invention, such as conventional solid or hollow rod electrodes. In order to achieve the particular advantages according to the invention described herein, however, special counter electrodes are used which comprise a conductive rod or wire (19a) which has an outer sheath (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the sheath (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a). This annular gap has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution can be passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a). The counter electrode also has an electrical contact (9).
Dadurch, dass die Gegenelektroden mit einem gewissen Abstand durch die Ummantelung (19b), beispielsweise ein Gewebe oder eine Membran, umgeben sind, wird verhindert, dass die Elektrodenpartikel der Arbeitselektrode in direkten Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Gegenelektroden treten, was zu einem elektrischen Kurzschluss führen würde. Der konstante Abstand zwischen der Ummantelung und der Oberfläche der Gegenelektrode kann durch einen offenmaschigen, nichtleitenden Spacer erreicht werden. Durch den Ringspalt, also den Spalt der zwischen der Ummantelung und der äußeren Oberfläche der Gegenelektrode vorgesehen wird, kann eine separate Elektrolytlösung gepumpt werden. Because the counter electrodes are surrounded at a certain distance by the sheath (19b), for example a fabric or a membrane, the electrode particles of the working electrode are prevented from coming into direct contact with the outer surface of the counter electrodes, which would lead to an electrical short circuit. The constant distance between the sheath and the surface of the counter electrode can be achieved by an open-mesh, non-conductive spacer. A separate electrolyte solution can be pumped through the annular gap, i.e. the gap provided between the sheath and the outer surface of the counter electrode.
Der Gegenelektroden-Elektrolyt in diesem abgetrennten Ringspaltbereich kann über ein eigenes Fluidiksystem zyklisch oder kontinuierlich ausgetauscht oder im Kreislauf geführt werden. Hierdurch lassen sich z.B. unerwünschte an der Gegenelektrodenoberfläche gebildete Gasblasen rasch und kontinuierlich aus dem System entfernen. Das Fluidiksystem der Gegenelektrode wird über Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Gegenelektroden-Elektrolyt durch den Ringspalt (26) geleitet. Solche Vorrichtungen umfassen beispielsweise Zu- und Ablauföffnungen (3, 6), Leitungen (30, 32) sowie Kammern zum Verteilen (24) und Sammeln (25) des Gegenelektroden-Elektrolyts. Diese Vorrichtungen ermöglichen es, dass der Gegenelektroden-Elektrolyt des Fluidiksystems der Gegenelektroden über die Zu- und Ablauföffnungen sowie die Verteil- und Sammelkammern durch den Ringspalt, der die Gegenelektroden umgibt, fließt. The counter electrode electrolyte in this separated annular gap area can be cyclically or continuously exchanged or circulated via a separate fluidic system. This allows, for example, undesirable gas bubbles formed on the counter electrode surface to be quickly and continuously removed from the system. The fluidic system of the counter electrode is guided through the annular gap (26) via devices for the continuous flow of counter electrode electrolyte. Such devices include, for example, inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distributing (24) and collecting (25) the counter electrode electrolyte. These devices enable the counter electrode electrolyte of the fluidic system of the counter electrodes to flow through the inlet and outlet openings and the distribution and collection chambers through the annular gap that surrounds the counter electrodes.
Die Ummantelung (19b) der Gegenelektroden (18) wird aus Materialien gebildet, die den Durchtritt von Ladung ermöglichen und den Durchtritt und das Eindringen von Elektrodenpartikeln (2a) in den Ringspalt (26) verhindern. Bevorzugt wird die Ummantelung (19b) der Gegenelektroden (18) aus Materialien gebildet, die ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend mikro- oder nanoporöse Polymernetze und Membranen, sowie lonenaustauschermembranen. The casing (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials that allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26). Preferably, the casing (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials that are selected are selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
Handelt es sich bei der Ummantelung (19b) um Gewebe wie z.B. nichtleitende, feinmaschige Polymergewebe, so dient die Ummantelung ausschließlich der Verhinderung eines direkten Kontakts zwischen der Partikelelektrode und der Gegenelektrode sowie der Bildung eines Ringspalts zwischen der Ummantelung und der Oberfläche der Gegenelektrode, die mit einem Gegenelektroden-Elektrolyten durchspült werden kann. Handelt es sich bei der Ummantelung (19b) um eine lonenaustauschermembran, so dient diese zusätzlich als semipermeable Trennschicht, die entweder Kationen oder Anionen passieren lässt und gleichzeitig den entgegengesetzt geladenen lonentyp an einer Passage hindert. If the sheath (19b) is made of fabric such as non-conductive, fine-meshed polymer fabric, the sheath serves exclusively to prevent direct contact between the particle electrode and the counter electrode and to form an annular gap between the sheath and the surface of the counter electrode, which can be flushed with a counter electrode electrolyte. If the sheath (19b) is an ion exchange membrane, it also serves as a semi-permeable separating layer that allows either cations or anions to pass through and at the same time prevents the oppositely charged ion type from passing through.
Die Ummantelung kann auch in Form eines porösen, nicht leitfähigen Diaphragmas ausgebildet sein, welches durch eine grobmaschige Struktur (Spacer) gestützt wird, so dass das Diaphragma auch unter dem Gewichtsdruck der Partikelelektrode den gewünschten Abstand zu dem leitfähigen Stab der Gegenelektrode zur Ausbildung des Ringspalts hält. The sheath can also be designed in the form of a porous, non-conductive diaphragm, which is supported by a coarse-mesh structure (spacer), so that the diaphragm maintains the desired distance from the conductive rod of the counter electrode to form the annular gap, even under the weight pressure of the particle electrode.
Beispiele für Ummantelungen in Form von nichtleitenden Polymergeweben umfassen extrudierte oder gesinterte Separatoren, Vliesstoffe, Membrane, feinporige Gitter und Gewebe. Examples of non-conductive polymer fabric coverings include extruded or sintered separators, nonwovens, membranes, fine-pored grids and fabrics.
Beispiele für Ummantelungen in Form von lonenaustauschermembranen umfassen Kationenaustauschermembrane, Anionenaustauschermembrane, bipolare Membrane und Chlor-Alkali Membrane. Examples of ion exchange membrane coatings include cation exchange membranes, anion exchange membranes, bipolar membranes and chlor-alkali membranes.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der leitfähige Stab oder Draht (19a) der erfindungsgemäßen Gegenelektroden in Form eines Hohlstabs ausgebildet. Die innere Oberfläche solcher hohlen Gegenelektroden ist dabei durch eine Beschichtung oder einen Einbau elektrisch isoliert. Bevorzugt weisen Hohlstab- Gegenelektroden auf der Innenfläche ihres Hohlraums (27) eine elektrisch nichtleitende Beschichtung auf. Der Innenbereich bzw. innere Hohlraum (27) solcher Hohlstab- Gegenelektroden ist fluidisch vom Gegenelektroden-Elektrolyten der den Ringspalt durchfließt getrennt. In a preferred embodiment of the invention, the conductive rod or wire (19a) of the counter electrodes according to the invention is designed in the form of a hollow rod. The inner surface of such hollow counter electrodes is electrically insulated by a coating or an installation. Hollow rod counter electrodes preferably have an electrically non-conductive coating on the inner surface of their cavity (27). The inner region or inner cavity (27) of such hollow rod counter electrodes is fluidically separated from the counter electrode electrolyte that flows through the annular gap.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben in weiteren Aspekten der Erfindung besondere Ausgestaltungen von Gegenelektroden in Form von Hohlstäben entwickelt, die weitere besondere Vorteile für die erfindungsgemäßen Partikelelektrodensysteme ermöglichen. Durch unterschiedliche Nutzung des inneren Hohlraums (27) der Gegenelektroden können in besonderen Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Gegenelektroden spezifische Gegenelektrodentypen in dem Partikelelektrodensystem vorgesehen werden. Einerseits kann mittels einer sogenannten Kühl-Gegenelektrode (18a) ein neuartiges Kühlsystem in die erfindungsgemäßen Partikelelektrodensysteme integriert werden und andererseits kann mittels einer sogenannten Verteil- Gegenelektrode (18b) ein neuartiges System zum Austausch verbrauchter Elektrodenpartikel integriert werden. Außerdem kann der Hohlraum der Gegenelektroden zur Durchleitung weiterer Komponenten genutzt werden, beispielsweise zur Einleitung von Gasen oder sonstigen Reaktionslösungen (Edukten) oder zum Zweck des Rückstroms bzw. der Rückführung oder Umleitung von Elektrolytlösungen durch das Reaktorsystem. In further aspects of the invention, the inventors of the present invention have developed special designs of counter electrodes in the form of hollow rods, which enable further special advantages for the particle electrode systems according to the invention. By using the inner cavity (27) of the counter electrodes in different ways, in special designs of the particle electrode systems according to the invention Counter electrodes specific counter electrode types can be provided in the particle electrode system. On the one hand, a novel cooling system can be integrated into the particle electrode systems according to the invention by means of a so-called cooling counter electrode (18a) and on the other hand, a novel system for exchanging used electrode particles can be integrated by means of a so-called distribution counter electrode (18b). In addition, the cavity of the counter electrodes can be used to pass through other components, for example for introducing gases or other reaction solutions (educts) or for the purpose of return flow or the return or diversion of electrolyte solutions through the reactor system.
Kühl-Gegenelektroden cooling counter electrodes
In erfindungsgemäßen Partikelelektrodensystemen mit Kühl-Gegenelektroden durchdringt der Hohlstab der Gegenelektrode sämtliche Kammern des Partikelelektrodensystems bzw. des Reaktors und erfüllt hierdurch, neben der Funktion als Gegenelektrode, gleichzeitig auch die Funktion zur Kühlung des Reaktorinneren.In particle electrode systems according to the invention with cooling counter electrodes, the hollow rod of the counter electrode penetrates all chambers of the particle electrode system or the reactor and thus, in addition to the function as a counter electrode, simultaneously also fulfills the function of cooling the interior of the reactor.
Über Zu- und Ablauföffnungen sind die Kühl-Gegenelektroden mit einem externen Kühlwassersystem verbunden. Durch die Nutzung eines fluidisch von den Elektrolytkreisläufen der Partikelelektrode und der Gegenelektroden entkoppelten, separaten Kühlkreislaufes lässt sich die Verweilzeit des Kühlmediums im Reaktor so regeln, dass zwischen Zu- und Ablauf nur eine geringe Temperaturdifferenz entsteht. Die lokale Kühlleistung und damit auch die Temperatur innerhalb des Arbeitselektrodenvolumens lässt sich somit über die Reaktorhöhe nahezu konstant in einem für die Reaktion optimalen Bereich halten. Dies ist insbesondere für elektroenzymatische Reaktionen wichtig, da diese sehr empfindlich auf Reaktionsunterschiede reagieren und zu hohe Temperaturen rasch zu einer Enzyminaktivierung führen. The cooling counter electrodes are connected to an external cooling water system via inlet and outlet openings. By using a separate cooling circuit that is fluidically decoupled from the electrolyte circuits of the particle electrode and the counter electrodes, the residence time of the cooling medium in the reactor can be regulated so that only a small temperature difference occurs between the inlet and outlet. The local cooling capacity and thus also the temperature within the working electrode volume can thus be kept almost constant over the reactor height in a range that is optimal for the reaction. This is particularly important for electroenzymatic reactions, as these are very sensitive to reaction differences and temperatures that are too high quickly lead to enzyme inactivation.
Eine erfindungsgemäße Gegenelektrode die als Kühl-Gegenelektrode (18a) ausgebildet ist, verfügt über eine Ablaufvorrichtung (10) und eine Zulaufvorrichtung (12), durch welche Kühlmittel durch den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab-Gegenelektrode (18a) geleitet werden kann. A counter electrode according to the invention, which is designed as a cooling counter electrode (18a), has a drain device (10) and an inlet device (12), through which coolant can be passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a).
Indem durch das Innere eines Großteils der Gegenelektroden eine Kühllösung gepumpt wird, kann eine Kühlung des Reaktorvolumens direkt aus dem Inneren erfolgen. Durch gleichmäßige Verteilung mehrerer solcher Kühl-Gegenelektroden, innerhalb der Elektrodenkammer kann eine gleichmäßige und kontinuierliche Temperaturregelung innerhalb des gesamten Reaktors erreicht werden. Durch Einbringung mehrerer solcher Kühl-Gegenelektroden können außerdem die Abstände zwischen solchen Kühl- Einheiten hinreichend klein gehalten werden, so dass eine zügige Temperaturregulierung erreicht werden kann und die mit Außenkühlsystemen verbundene Trägheit bei Temperaturanpassungen bis ins Innere des Reaktors, aufgrund langer Wege für den Temperaturausgleich, verhindert wird. By pumping a cooling solution through the interior of a large part of the counter electrodes, the reactor volume can be cooled directly from the inside. By evenly distributing several such cooling counter electrodes within the electrode chamber, a uniform and continuous temperature control can be achieved within the entire reactor. By introducing several such cooling counter electrodes, the distances between such cooling units can also be kept sufficiently small so that rapid temperature control can be achieved and the cooling effect achieved with external cooling systems The associated inertia during temperature adjustments is prevented right into the interior of the reactor due to long distances for temperature equalization.
Die Anzahl, räumliche Verteilung und Beabstandung solcher Kühl-Gegenelektroden in einer Elektrodenkammer kann in Abhängigkeit von der Größe der Elektrodenkammer bzw. des Reaktors und der darin durchgeführten Umsetzung bzw. der mit dem jeweiligen Reaktionstyp verbundenen Wärmeentwicklung gewählt und variabel eingestellt werden. Dieser neuartige Typ Gegenelektroden zeichnet sich somit durch eine hohe Variabilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten aus. The number, spatial distribution and spacing of such cooling counter electrodes in an electrode chamber can be selected and variably adjusted depending on the size of the electrode chamber or reactor and the reaction carried out therein or the heat development associated with the respective reaction type. This new type of counter electrode is therefore characterized by a high degree of variability in terms of possible applications.
Ein solches Kühlkonzept basierend auf den erfindungsgemäßen Kühl-Gegenelektroden ist, im Unterschied zu einer herkömmlichen Kühlung über den Reaktorausmantel oder z.B. die Reaktordeckel, praktisch unabhängig von den Reaktordimensionen und frei skalierbar. Such a cooling concept based on the cooling counter electrodes according to the invention is, in contrast to conventional cooling via the reactor jacket or, for example, the reactor cover, practically independent of the reactor dimensions and freely scalable.
Eine spezifische Ausführungsform einer solchen Kühl-Gegenelektrode wird nachfolgend beispielhaft im Detail beschrieben. A specific embodiment of such a cooling counter electrode is described in detail below by way of example.
Verteil-Gegenelektroden distribution counter electrodes
In erfindungsgemäßen Partikelelektrodensystemen mit Verteil-Gegenelektroden endet der Gegenelektroden-Hohlstab noch innerhalb des Arbeitselektrodenvolumens kurz oberhalb des Bodens. Das Endstück einer Verteil-Gegenelektrode ist speziell ausgeführt, um das kontinuierliche Zu- und Abführen von Elektrodenpartikeln aus der Elektrodenkammer zu ermöglichen. In particle electrode systems according to the invention with distribution counter electrodes, the counter electrode hollow rod ends within the working electrode volume just above the bottom. The end piece of a distribution counter electrode is specially designed to enable the continuous supply and removal of electrode particles from the electrode chamber.
Eine erfindungsgemäße Gegenelektrode die als Verteil-Gegenelektrode (18b) ausgebildet ist, verfügt somit über eine Vorrichtung (11 , 20) zum Zu- und Abführen von Elektrodenpartikeln in die Elektrodenkammer über den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab-Gegenelektrode (18b). A counter electrode according to the invention, which is designed as a distribution counter electrode (18b), thus has a device (11, 20) for supplying and removing electrode particles into the electrode chamber via the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18b).
Insbesondere weist eine erfindungsgemäße Gegenelektrode in Form einer Verteil- Gegenelektrode ein nichtleitendes Verteilstück (29) und Zu- und Abführvorrichtungen (11 , 20) zum Austausch von Elektrodenpartikeln zwischen Partikelelektrode und hohlem Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) auf. Das Verteilstück (29) der Verteil-Gegenelektrode (18b) ist bevorzugt so ausgebildet, dass mehrere separate Teilkanäle (32) in Form separater Teilsegmente des Ringspalts den Durchfluss des Gegenelektroden-Elektrolyts durch den Ringspalt (26) ermöglichen und zwischen diesen Teilkanälen Öffnungen (20) vorgesehen sind, die den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) mit der Partikelelektrode verbinden, durch welche die Elektrodenpartikel zwischen dem Innenbereich der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der Partikelelektrode ausgetauscht werden können. In einer spezifischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteil-Gegenelektrode ist das Verteilstück (29) so ausgebildet, dass mehrere separate Teilkanäle (32) in Form separater Teilsegmente des Ringspalts den Durchfluss des Gegenelektroden-Elektrolyts durch den Ringspalt (26) ermöglichen und zwischen diesen Teilkanälen Öffnungen (20) vorgesehen sind, die den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) mit der äußeren Umgebung verbinden, durch welche Elektrodenpartikel zwischen Innenbereich der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der äußeren Umgebung ausgetauscht werden können. In particular, a counter electrode according to the invention in the form of a distribution counter electrode has a non-conductive distribution piece (29) and supply and discharge devices (11, 20) for exchanging electrode particles between the particle electrode and the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b). The distribution piece (29) of the distribution counter electrode (18b) is preferably designed such that several separate sub-channels (32) in the form of separate sub-segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these sub-channels, which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) to the particle electrode, through which the electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the particle electrode. In a specific In an embodiment of a distribution counter electrode according to the invention, the distribution piece (29) is designed such that several separate partial channels (32) in the form of separate partial segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these partial channels, which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) with the external environment, through which electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the external environment.
Durch eine solche erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine gegen die Arbeitselektrode abgedichtete fluidische Verbindung gebildet werden. Die Öffnung, die das Endstück bildet, verbindet das Innere der Gegenelektrode mit dem Partikelbett der Arbeitselektrode. Damit hierdurch während des Reaktorbetriebs kein elektrischer Kurzschluss zwischen Arbeits- und Gegenelektrode auftritt, ist, wie oben bereits angeführt, die Innenwand der Gegenelektrodenhohlstäbe durch eine Beschichtung oder einen Einschub elektrisch isoliert. Während des regulären Reaktorbetriebs wird die Verteil-Gegenelektrode verschlossen, so dass die Flüssigkeit im Inneren der Verteil- Gegenelektrode ruht und keine Partikel in den Arbeitselektrodenraum zu- oder abgeführt werden. Erfordert eine abnehmende katalytische Aktivität oder z.B. eine Verschmutzung einen Austausch der Elektrodenpartikel, so kann das Ablaufsystem so eingestellt werden, dass über den Zulauf und die Verteilöffnungen mit hoher Geschwindigkeit zulaufende Lösung in das Innere der Verteil-Gegenelektrode strömt und damit eine hohe Konzentration an Elektroden-Partikeln mitreist, die dann aus dem Reaktor abgeführt werden können. Auf diese Weise ist bei Bedarf ein vollständiges Ausschleusen der Elektrodenpartikel möglich. Durch Einstellung des Zulaufsystems können anschließend neue (z.B. unverbrauchte) Partikel in Form einer Aufschlämmung bzw. Partikelsuspension in den Arbeitselektrodenraum des Reaktors gepumpt werden, wo sie sich über den Querschnitt verteilt. Mit der Partikelsuspension zugeführte überschüssige Lösung kann über weitere Vorrichtungen (Sammelöffnungen, Zu- und Ablaufsysteme) abgeführt werden. Durch Anbringung von feinmaschigen Gittern, Netzen oder Membranen kann ein unerwünschtes Austragen von Partikeln verhindert werden. Such an inventive design makes it possible to form a fluidic connection that is sealed against the working electrode. The opening that forms the end piece connects the interior of the counter electrode with the particle bed of the working electrode. To ensure that no electrical short circuit occurs between the working and counter electrodes during reactor operation, the inner wall of the counter electrode hollow rods is electrically insulated by a coating or insert, as already mentioned above. During regular reactor operation, the distribution counter electrode is closed so that the liquid rests inside the distribution counter electrode and no particles are fed into or removed from the working electrode space. If a decreasing catalytic activity or, for example, contamination requires the electrode particles to be replaced, the drainage system can be set so that solution flowing in at high speed via the inlet and distribution openings flows into the interior of the distribution counter electrode, thus carrying along a high concentration of electrode particles, which can then be removed from the reactor. In this way, the electrode particles can be completely discharged if necessary. By adjusting the feed system, new (e.g. unused) particles can then be pumped into the working electrode chamber of the reactor in the form of a slurry or particle suspension, where it is distributed across the cross-section. Excess solution supplied with the particle suspension can be discharged via other devices (collection openings, inlet and outlet systems). The undesired discharge of particles can be prevented by installing fine-mesh grids, nets or membranes.
Durch diese spezifische Ausgestaltung von Gegenelektroden können bei Bedarf über die Verteil-Gegenelektroden in ihrer Funktionalität erschöpfte Elektrodenpartikel abgezogen bzw. frische Elektrodenpartikel zu geführt werden, und zwar rein über Pump- bzw. gezielte Strömungsvorgänge, ohne dass ein Öffnen des Reaktorgehäuses oder Lösen mechanischer Verbindungen erforderlich sind. Wie oben für die Kühlung über Kühl-Gegenelektroden beschrieben, ist auch ein Partikelaustausch mittels der gleichmäßig über den gesamten Reaktorquerschnitt verteilten Verteil-Gegenelektroden wesentlich homogener und skalierbarer, als dies durch einen herkömmlichen seitlich an der Reaktorwand angebrachten Partikelabzug möglich wäre. Eine spezifische Ausführungsform einer solchen Verteil-Gegenelektrode wird nachfolgend beispielhaft im Detail beschrieben. This specific design of counter electrodes means that electrode particles whose functionality has been exhausted can be removed or fresh electrode particles can be added via the distribution counter electrodes, purely via pumping or targeted flow processes, without the need to open the reactor housing or loosen mechanical connections. As described above for cooling via cooling counter electrodes, particle exchange using the distribution counter electrodes evenly distributed over the entire reactor cross-section is also much more homogeneous and scalable than would be possible with a conventional particle removal system attached to the side of the reactor wall. A specific embodiment of such a distribution counter electrode is described in detail below by way of example.
Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektroden inflow or reverse flow counter electrodes
Um die Elektrolytlösungen gezielt durch das Reaktorsystem strömen zu lassen, können eine oder mehrere Gegenelektroden als sogenannte Zustrom- oder Rückstrom- Gegenelektrode (18c) ausgestaltet werden. Solche Zustrom- oder Rückstrom- Gegenelektroden (18c) können beispielsweise genutzt werden, wenn externe Komponenten an das System angeschlossen werden sollen, welche aufgrund ihrer vorgegebenen Bauweise und Geometrie Anschlüsse zum Zu- bzw. Ablauf an Positionen aufweisen die einfacher durch eine Umleitung der Elektrolytlösungen an andere Positionen des Elektrodensystems oder Reaktors erreicht werden können. Dadurch ist es möglich eine gezielte (Um-)leitung von Elektrolytlösungsströmen durch die als Hohlstab ausgebildeten Gegenelektroden in bzw. durch das Reaktorsystem herbeizuführen, beispielsweise hin zu ausgewählten Positionen im Reaktoraufbau mit Zulauf- oder Ablaufanschlüssen oder Sammel- oder Verteilkammern. So kann beispielsweise auch eine interne Rückführung von Elektrolyt aus der Sammelkammer, in der der Elektrolyt nach Durchströmung des Reaktors gesammelt wird, ermöglicht werden. Dabei kann sowohl ein Elektrolyt-Kreislauf mit nur einer Zu- und Abfuhr eines Teilstroms realisiert werden, wobei zusätzlich eine Pumpe an den Reaktor angeschlossen werden muss, die den Kreislauf am Laufen hält. Es ist aber ebenfalls möglich, lediglich eine einmalige Durchströmung, im Sinne einer Umleitung oder Rückführung von Elektrolyt, vorzusehen, was genutzt werden kann um den Elektrolyten gezielt an gewünschte Positionen im Reaktor (um)zuleiten. Liegen z.B. Zu- und Ablaufvorrichtung auf der gleichen Reaktorseite (z.B. an der Oberseite), so kann dies realisiert werden indem durch eine solche einmalige Durchströmung durch die Zustromoder Rückstrom-Gegenelektroden (18c) der Elektrolyt zu den entsprechend benachbart positionierten Vorrichtungen geleitet wird. In order to allow the electrolyte solutions to flow through the reactor system in a targeted manner, one or more counter electrodes can be designed as so-called inflow or return flow counter electrodes (18c). Such inflow or return flow counter electrodes (18c) can be used, for example, if external components are to be connected to the system which, due to their predetermined design and geometry, have connections for the inflow or outflow at positions that can be reached more easily by redirecting the electrolyte solutions to other positions in the electrode system or reactor. This makes it possible to bring about a targeted (re)direction of electrolyte solution flows through the counter electrodes designed as hollow rods into or through the reactor system, for example to selected positions in the reactor structure with inflow or outflow connections or collection or distribution chambers. This can also enable, for example, an internal return of electrolyte from the collection chamber in which the electrolyte is collected after flowing through the reactor. An electrolyte circuit can be implemented with only one supply and discharge of a partial flow, whereby a pump must also be connected to the reactor to keep the circuit running. However, it is also possible to provide only a single flow through, in the sense of a diversion or return of electrolyte, which can be used to (re)direct the electrolyte to desired positions in the reactor. If, for example, the inlet and outlet devices are on the same side of the reactor (e.g. on the top), this can be implemented by directing the electrolyte to the corresponding adjacently positioned devices through such a single flow through the inflow or return flow counter electrodes (18c).
Es ist dabei möglich und erfindungsgemäß vorteilhaft, dass unterschiedliche Lösungen jeweils getrennt voneinander durch unterschiedliche Gegenelektroden an unterschiedliche Positionen durch das Elektrodensystem geleitet werden können. Dadurch wird das erfindungsgemäße System hochvariabel und mit einer Vielzahl externer Komponenten kompatibel nutzbar. It is possible and advantageous according to the invention that different solutions can be passed separately from one another through different counter electrodes to different positions through the electrode system. This makes the system according to the invention highly variable and compatible with a large number of external components.
Grundsätzlich verfügt eine erfindungsgemäße Gegenelektrode die als Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektrode (18c) ausgebildet ist, ebenfalls über Vorrichtungen (11 , 20) zum Zu- und Abführen der durchgeführten Elektrolytlösung(en) über den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab-Gegenelektrode (18c). Solche Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektroden können außerdem Vorrichtungen, beispielsweise Befestigungsvorrichtungen, Kopplungsstücke oder Adapter, zum Anschluss an externe Komponenten aufweisen. Basically, a counter electrode according to the invention, which is designed as an inflow or return current counter electrode (18c), also has devices (11, 20) for supplying and removing the electrolyte solution(s) passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18c). Such inflow or return current counter electrodes can also have devices, for example Fasteners, coupling pieces or adapters for connection to external components.
Sofern hierin der Begriff „Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektroden“ verwendet wird, so ist damit gemeint, dass eine Gegenelektrode entweder als Zustrom- oder als Rückstrom-Gegenelektrode ausgebildet ist. Klarstellend sei angemerkt, dass dabei nicht alternativ lediglich eine der beiden Varianten ("oder") vorgesehen ist. Das System kann sowohl eine oder mehrere Zustrom-Gegenelektroden als auch eine oder mehrere Rückstrom-Gegenelektroden aufweisen, oder es sind nur eine oder mehrere Zustrom- Gegenelektroden oder nur eine oder mehrere Rückstrom -Gegenelektroden vorgesehen. Dies kann je nach Bedarf und Reaktoraufbau frei gewählt werden, was die hohe Variabilität des erfindungsgemäßen Systems weiter auszeichnet. Auch hinsichtlich der Anzahl der Zustrom- und Rückstrom-Gegenelektroden ergibt sich freie Variabilität.
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If the term "inflow or return flow counter electrodes" is used here, this means that a counter electrode is designed either as an inflow or as a return flow counter electrode. For the sake of clarity, it should be noted that this does not mean that only one of the two variants ("or") is provided. The system can have one or more inflow counter electrodes as well as one or more return flow counter electrodes, or only one or more inflow counter electrodes or only one or more return flow counter electrodes are provided. This can be freely selected depending on requirements and reactor design, which further characterizes the high variability of the system according to the invention. There is also free variability with regard to the number of inflow and return flow counter electrodes.
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Ein Partikelelektrodensystem im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine Anordnung, umfassend in einer Elektrodenkammer (1) eine Partikelelektrode wie vorstehend im Detail beschrieben sowie mindestens eine Gegenelektrode wir vorstehend im Detail beschrieben, wobei die mindestens eine Gegenelektrode innerhalb der Partikelelektrode angeordnet ist. Letzteres bedeutet, dass in einer zusammenhängenden, den gesamten Elektrodenraum oder den gesamten Reaktordurchmesser umfassenden Partikelelektrode die eine oder mehrere Gegenelektroden eingebracht werden. Die erfindungsgemäßen Elektrodensysteme unterscheiden sich damit von herkömmlichen Elektrodensystemen oder Reaktoren, in denen die Gegenelektrode(n) außerhalb der Partikelelektrode angeordnet ist, also nicht vom Partikelbett der Partikelelektrode umgeben ist, wie beispielsweise in den oben beschriebenen herkömmlichen Elektrodensystemen, worin in zylindrischen Anordnungen in der Regel eine innere Elektrodenkammer (Arbeitselektrodenkammer) innerhalb einer Gegenelektrodenkammer, durch eine lonenaustauschermembran getrennt, angeordnet ist. A particle electrode system in the sense of the present invention refers to an arrangement comprising, in an electrode chamber (1), a particle electrode as described in detail above and at least one counter electrode as described in detail above, wherein the at least one counter electrode is arranged within the particle electrode. The latter means that one or more counter electrodes are introduced into a continuous particle electrode comprising the entire electrode space or the entire reactor diameter. The electrode systems according to the invention thus differ from conventional electrode systems or reactors in which the counter electrode(s) is arranged outside the particle electrode, i.e. is not surrounded by the particle bed of the particle electrode, such as in the conventional electrode systems described above, in which in cylindrical arrangements an inner electrode chamber (working electrode chamber) is usually arranged within a counter electrode chamber, separated by an ion exchange membrane.
Das Partikelelektrodensystem wiederum bildet den Kernbestandteil eines Reaktors in welchem die elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Partikelelektrodensystems durchgeführt werden. The particle electrode system in turn forms the core component of a reactor in which the electrochemical or electrobiotechnological processes are carried out using the particle electrode system according to the invention.
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem weist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei Gegenelektroden in Form eines Hohlstabs auf. Darin ist mindestens eine der Gegenelektroden als Kühl-Gegenelektrode ausgebildet und mindestens eine der Gegenelektroden ist als Verteil-Gegenelektrode ausgebildet, wobei die Kühl- und Verteil-Gegenelektroden jeweils vorstehend im Detail beschrieben sind. Bevorzugt ist, je nach Größe des Elektrodensystems, das dieses mehr als eine als Kühl- Gegenelektrode ausgebildete Gegenelektrode aufweist. In a preferred embodiment, the electrode system according to the invention has at least two counter electrodes in the form of a hollow rod. At least one of the counter electrodes is designed as a cooling counter electrode and at least one of the counter electrodes is designed as a distribution counter electrode, the cooling and distribution counter electrodes each being described in detail above. Depending on the size of the electrode system, it is preferred that it has more than one counter electrode designed as a cooling counter electrode.
Grundsätzlich ist die Art und Anzahl der jeweiligen funktionellen Gegenelektroden in Abhängigkeit von der Größe der Elektrodenkammer bzw. des Reaktors und der darin durchgeführten Reaktionen zu wählen. Basically, the type and number of the respective functional counter electrodes must be selected depending on the size of the electrode chamber or reactor and the reactions carried out therein.
Der neuartige erfindungsgemäße Aufbau, mit der dreidimensional verflochtenen Anordnung von Arbeits- und Gegenelektroden, ermöglicht einen Elektrodenbetrieb bei dem die innerhalb des Partikelbetts und der Elektrolyten zurückgelegte maximale Strompfadlänge nur wenige Zentimeter beträgt. Durch die modular und variabel kombinierbaren Bauteile des Elektrodensystems besteht die Möglichkeit der Ausstattung von Reaktoren unabhängig von den Reaktordimensionen sowie deren Kombination mit einer Vielzahl externer Bauteile und Komponenten. Durch die Integration der notwendigen Reaktorkühlung in das Konzept des modularen Gegenelektrodenaufbaus, ist auch die pro Reaktorvolumen eingebrachte Kühlleistung unabhängig von der Skalierung, so dass auch für große Reaktorvolumina mit hohem Energieeintrag keine Überhitzungsgefahr besteht. Besonders im Falle von elektrochemischen Reaktoren mit temperatursensitiven, immobilisierten Biokatalysatoren ist dies ein wichtiger Vorteil. Schließlich liefert das erfindungsgemäße modulare Gegenelektroden-Konzept auch den Vorteil einer einfachen und gleichmäßigen Handhabung der Elektrodenpartikel , insbesondere solcher mit immobilisierten Biokatalysatoren. Die Anzahl der Positionen im Reaktor an denen ein Elektrodenpartikelaustausch erfolgt kann mit einer Skalierung des Reaktors einfach erweitert werden, ohne dass zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich werden. Die einfache und bei Bedarf kontinuierliche Erneuerung von Elektrodenpartikeln mit erschöpften Biokatalysatoren, macht den Einsatz von Biokatalysatoren mit Standzeiten weniger Tage oder sogar Stunden möglich. Damit werden auch Anwendungen zugänglich, in denen der Biokatalysator in externen Reaktionsgefäßen unter geänderten Bedingungen, die bei der eigentlichen Synthesereaktion nicht realisierbar sind, wieder regeneriert und in den elektrochemischen Reaktor zurückgeführt werden kann. The novel structure according to the invention, with the three-dimensionally interwoven arrangement of working and counter electrodes, enables electrode operation in which the maximum current path length covered within the particle bed and the electrolyte is only a few centimeters. The modular and variably combinable components of the electrode system make it possible to equip reactors regardless of the reactor dimensions and to combine them with a large number of external parts and components. By integrating the necessary reactor cooling into the concept of the modular counter electrode structure, the cooling power introduced per reactor volume is also independent of the scaling, so that there is no risk of overheating even for large reactor volumes with high energy input. This is an important advantage, especially in the case of electrochemical reactors with temperature-sensitive, immobilized biocatalysts. Finally, the modular counter electrode concept according to the invention also offers the advantage of simple and uniform handling of the electrode particles, especially those with immobilized biocatalysts. The number of positions in the reactor at which electrode particles can be exchanged can be easily expanded by scaling the reactor, without additional design measures being required. The simple and, if necessary, continuous renewal of electrode particles with exhausted biocatalysts makes it possible to use biocatalysts with a service life of a few days or even hours. This also opens up applications in which the biocatalyst can be regenerated in external reaction vessels under changed conditions that cannot be realized in the actual synthesis reaction and can be returned to the electrochemical reactor.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass in einem erfindungsgemäßen Elektrodensystem die Anzahl an Verteil- und Kühl- Gegenelektroden so gewählt wird, dass diese in einem Verhältnis Verteil-Gegenelektroden zu Kühl-Gegenelektroden von 1 : 4 bis 1 : 20, bevorzugt von 1 : 6 eingesetzt werden. It has been found to be advantageous that in an electrode system according to the invention the number of distribution and cooling counter electrodes is selected such that they are used in a ratio of distribution counter electrodes to cooling counter electrodes of 1:4 to 1:20, preferably 1:6.
Die Gegenelektroden werden bevorzugt gleichmäßig und symmetrisch verteilt innerhalb der Partikelelektrode angeordnet. Wichtig ist dabei, dass durch die gewählte Verteilung einerseits gleichmäßige und kontinuierliche Elektronentransportwege sowie eine gleichmäßige und hinreichend homogene Temperatureinstellung ermöglicht wird. Der Abstand zwischen den Mittelachsen der Gegenelektroden beträgt idealerweise zwischen 1 bis 30 cm, bevorzugt zwischen 2 bis 10 cm. The counter electrodes are preferably arranged evenly and symmetrically distributed within the particle electrode. It is important that the selected distribution enables uniform and continuous electron transport paths as well as a uniform and sufficiently homogeneous temperature setting. The distance between the central axes of the counter electrodes is ideally between 1 to 30 cm, preferably between 2 to 10 cm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems, werden die sich durch die Elektrodenkammer (d.h. durch das Partikelbett) erstreckenden leitfähigen Elemente (8) mit den Aussparungen (8a), wie vorstehend im Detail beschrieben, und die Gegenelektroden in der Elektrodenkammer so angeordnet, dass die Gegenelektroden die Aussparungen der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente durchdringen bzw. von diesen teilweise oder vollständig zirkulär umschlossen werden, wie oben näher beschrieben, so dass eine dreidimensional ineinandergreifende Anordnung aus Gegenelektroden und leitfähigen Elementen bzw. elektrischer Kontaktierung der Partikelelektrode bzw. gebildet wird. In a particularly preferred embodiment of an electrode system according to the invention, the conductive elements (8) extending through the electrode chamber (i.e. through the particle bed) with the recesses (8a), as described in detail above, and the counter electrodes in the electrode chamber are arranged such that the counter electrodes penetrate the recesses of the conductive elements extending through the electrode chamber or are partially or completely circularly enclosed by them, as described in more detail above, so that a three-dimensionally interlocking arrangement of counter electrodes and conductive elements or electrical contacting of the particle electrode or is formed.
Durch ein solches dreidimensionales Kontaktierungssystem, welches aus der Anordnung von Stromzuführung (7) und der damit konnektierten leitfähigen Elemente (8) gebildet wird, ist eine nahezu beliebige Skalierung von Partikelelektroden in den industriellen Maßstab möglich. Schüttungen aus leitfähigen Materialien besitzen eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als z.B. ein durchgängiger Metalldraht, was dazu führt, dass eine Stromleitung in reinen Partikelschüttungen bereits nach wenigen Zentimetern Leitungslänge zu erheblichen Energieeinbußen aufgrund ohmscher Verluste führt. Durch die erfindungsgemäße dreidimensionale elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode wird eine effiziente elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode über das gesamte Arbeitselektrodenvolumen ermöglicht. Such a three-dimensional contact system, which is formed from the arrangement of the power supply (7) and the conductive elements (8) connected to it, enables almost any scaling of particle electrodes to an industrial scale. Fillings made of conductive materials have a significantly lower conductivity than, for example, a continuous metal wire, which means that a power line in pure particle fillings leads to considerable energy losses due to ohmic losses after just a few centimeters of line length. The three-dimensional electrical contacting of the particle electrode according to the invention enables efficient electrical contacting of the particle electrode over the entire working electrode volume.
Wie oben bereits ausgeführt und wie aus den nachfolgenden Beschreibungen konkreter bevorzugter Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Elektrodensysteme ersichtlich, können diese außerdem Vorrichtungen für die Zu- und Abführung von Reaktionslösungen, bzw. Dispergier- oder Arbeitslösung aus der Partikelelektrode bzw. Arbeitskammer, sowie von Gegenelektroden-Elektrolyt und/oder Kühlmittel und/oder Gasen aufweisen. Solche Vorrichtungen umfassen beispielsweise Ablauföffnungen, Zulauföffnungen, Kammern zum Verteilen und Sammeln von Reaktionslösungen, Dispergierlösung, Elektrolytlösung oder Kühlmittel, Kammern, die einen Ausgleich des Expansionsvolumens der Partikelelektrode ermöglichen, sowie sonstige Vorrichtungen zum Schutz gegen unerwünschten Partikelaustrag, Absperrvorrichtungen, Ventile, Pumpen, etc.. Reaktor As already explained above and as can be seen from the following descriptions of specific preferred embodiments of electrode systems according to the invention, these can also have devices for the supply and removal of reaction solutions, or dispersing or working solution from the particle electrode or working chamber, as well as counter electrode electrolyte and/or coolant and/or gases. Such devices include, for example, drain openings, inlet openings, chambers for distributing and collecting reaction solutions, dispersing solution, electrolyte solution or coolant, chambers that enable compensation of the expansion volume of the particle electrode, as well as other devices for protection against undesired particle discharge, shut-off devices, valves, pumps, etc. reactor
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem einen Reaktor, welcher unter Verwendung des hierin beschriebenen Elektrodensystems mit der hierin beschriebenen Partikelelektrode und den hierin beschriebenen Gegenelektroden betrieben wird. The present invention also includes a reactor operated using the electrode system described herein with the particle electrode described herein and the counter electrodes described herein.
In einer besonderen Ausführungsform kann ein erfindungsgemäßer Reaktor außerdem außerhalb des Elektrodengehäuses Magnete aufweisen, über die Magnetfelder in der Partikelelektrode angelegt werden können. Solche Magnete können Magnetspule(n) oder Permanentmagnet(e) sein. Eine solche Ausgestaltung ist für Ausführungen geeignet in denen der Reaktor bzw. die darin verbaute Partikelelektrode mit Elektrodenpartikeln mit magnetischen Eigenschaften betrieben werden soll. In a particular embodiment, a reactor according to the invention can also have magnets outside the electrode housing, via which magnetic fields can be applied in the particle electrode. Such magnets can be magnetic coil(s) or permanent magnet(s). Such a design is suitable for versions in which the reactor or the particle electrode installed therein is to be operated with electrode particles with magnetic properties.
Das Anlegen eines Magnetfelds führt dann zu einer Magnetisierung der Elektrodenpartikel. Die magnetisierten Elektrodenpartikel bilden an gegenüberliegenden Seiten einen lokalen magnetischen Nord- bzw. Südpol aus. Als Folge kommt es zu einer magnetischen Anziehung der Elektrodenpartikel untereinander und hierdurch zu einer Ausbildung von Partikelketten. Durch die intensive gegenseitige Kontaktierung der Partikel in solchen Ketten kann die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Partikelbetts nochmals verbessert werden, indem es zu einem verringerten Spannungsabfall innerhalb des Partikelbetts und somit letztendlich zu einer verbesserten Leistungseffizienz des elektrochemischen Reaktors kommt. Applying a magnetic field then leads to a magnetization of the electrode particles. The magnetized electrode particles form a local magnetic north or south pole on opposite sides. As a result, the electrode particles are magnetically attracted to one another, resulting in the formation of particle chains. The intensive mutual contact of the particles in such chains can further improve the electrical conductivity within the particle bed by reducing the voltage drop within the particle bed and thus ultimately improving the performance efficiency of the electrochemical reactor.
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem und der Reaktor mit der hierin beschriebenen Bauteilen oder Modulen, wie der erfindungsgemäßen Partikelelektrode und den erfindungsgemäßen Gegenelektroden eignen sich für den Einsatz und die Verwendung in elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Verfahren. Solche umfassen insbesondere elektrochemische Reaktions- und Syntheseverfahren, elektroenzymatische Reaktions- und Syntheseverfahren sowie elektromikrobielle Reaktions- und Syntheseverfahren. Konkrete Beispiele umfassen die elektroenzymatische Co-Faktor Regenerierung, Substitution durch direkten und indirekten Elektronentransfer und die elektrochemische Generierung von Substrat für Enzyme. In Kombination mit einem aeroben oder anaeroben Mikroorganismus wird eine direkter Elektronentransfer zwischen Partikelelektrode sowie ein mediierter Elektronentransport über elektrochemisch generierte Substrate wie Wasserstoff und Formiat umfasst. Rein elektrochemische Verfahren umfassen Elektrosorption, Elektrodeposition und die Entfernung von organischen sowie metallischen Verunreinigungen. The electrode system according to the invention and the reactor with the components or modules described herein, such as the particle electrode according to the invention and the counter electrodes according to the invention, are suitable for use in electrochemical or electrobiotechnological processes. These include in particular electrochemical reaction and synthesis processes, electroenzymatic reaction and synthesis processes and electromicrobial reaction and synthesis processes. Specific examples include electroenzymatic co-factor regeneration, substitution by direct and indirect electron transfer and the electrochemical generation of substrate for enzymes. In combination with an aerobic or anaerobic microorganism, a direct electron transfer between the particle electrode and a mediated electron transport via electrochemically generated substrates such as hydrogen and formate are included. Purely electrochemical processes include electrosorption, electrodeposition and the removal of organic and metallic contaminants.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum kontinuierlichen Betrieb eines elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Reaktors, umfassend The present invention also includes a method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor, comprising
(A) die Bereitstellung eines Reaktors wie hierin beschrieben, welcher mit einem Elektrodensystem wie hierin beschrieben ausgestattet ist, welches insbesondere mit einer oder mehreren der hierin beschriebenen Kühl- und Verteil-Gegenelektroden, sowie gegebenenfalls mit einer oder mehreren Zustrom- und/oder Rückstrom-Gegenelektroden, ausgestattet ist; (A) providing a reactor as described herein equipped with an electrode system as described herein which in particular, it is equipped with one or more of the cooling and distribution counter electrodes described herein, and optionally with one or more inflow and/or return flow counter electrodes;
(B) Beschickung der Partikelelektrode des Elektrodensystems zum Betrieb als Fluidbett-Partikelelektrode oder als Festbett-Partikelelektrode; (B) feeding the particle electrode of the electrode system for operation as a fluidized bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode;
(C) kontinuierliches oder zyklisches Pumpen einer Kühllösung aus einem externen Kühlwassersystem durch die Kühl-Gegenelektrode(n) des Elektrodensystems zur Temperaturkontrolle im Elektrodenraum (Partikelbett); (C) continuous or cyclic pumping of a cooling solution from an external cooling water system through the cooling counter electrode(s) of the electrode system to control the temperature in the electrode chamber (particle bed);
(D) zyklischer oder kontinuierlicher Austausch von Gegenelektroden-Elektrolyt durch den Ringspalt der Gegenelektroden; (D) cyclic or continuous exchange of counter electrode electrolyte through the annular gap of the counter electrodes;
(E) bei Bedarf Austausch der Elektrodenpartikel im Elektrodensystem durch(E) if necessary, replacement of the electrode particles in the electrode system by
Drosseln oder Schließen der Ablaufvorrichtung für die Reaktionslösung der Partikelelektrode und Throttling or closing the drain device for the reaction solution of the particle electrode and
Öffnen der Zu- und Abführvorrichtung der Verteil-Gegenelektrode und einströmen lassen von Reaktionslösung über die Zulaufvorrichtungen durch die Öffnung im Verteilstück der Verteil-Gegenelektrode in das Innere der Verteil-Gegenelektrode; und Opening the supply and discharge device of the distribution counter electrode and allowing reaction solution to flow via the supply devices through the opening in the distribution piece of the distribution counter electrode into the interior of the distribution counter electrode; and
- Abführen der mitgerissenen Elektroden-Partikel über Zu- und Abführvorrichtungen aus dem Reaktor, anschließend Zuführung frischer Elektrodenpartikel in den Reaktor über Zu- und Abführvorrichtungen in das Innere der Verteil-Gegenelektrode und durch Öffnungen in die Partikelelektrode, wobei der Austausch der Elektrodenpartikel bei laufendem Reaktorbetrieb erfolgt. - Removal of the entrained electrode particles from the reactor via supply and removal devices, subsequent feeding of fresh electrode particles into the reactor via supply and removal devices into the interior of the distribution counter electrode and through openings in the particle electrode, whereby the exchange of the electrode particles takes place during ongoing reactor operation.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem die Zuführung, Rückführung oder Umleitung von Elektrolytlösung durch die als Zustrom- oder Rückstrom- Gegenelektroden gestalteten Gegenelektroden umfassen, beispielsweise zur Zuleitung, Rückleitung oder Umleitung von Komponenten an ausgewählte Zu- oder Abläufe oder Konnektierungspunkte zu angeschlossenen Bauteilen oder externen Komponenten. The method according to the invention can also comprise the supply, return or diversion of electrolyte solution through the counter electrodes designed as inflow or return flow counter electrodes, for example for supplying, returning or diverting components to selected inlets or outlets or connection points to connected components or external components.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem eine Begasung des Reaktors und/oder die Zuführung weiterer Reaktionslösungen, jeweils durch eine oder mehrere Gegenelektroden umfassen. The process according to the invention can also comprise gassing the reactor and/or supplying further reaction solutions, each through one or more counter electrodes.
Eine solche Zuführung, Rückführung oder Umleitung sowie eine solche Begasung kann ebenfalls kontinuierlich und im laufenden Reaktorbetrieb erfolgen. Dabei sei klarstellend angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung eine kontinuierliche Verfahrensführung bzw. ein kontinuierlicher Betrieb eines Reaktors auch dann als kontinuierlich bezeichnet wird, wenn der Durchfluss gedrosselt bzw. die Flußrichtung umgekehrt wird, um die verbrauchten Partikel auszutauschen. Zum einen sind die Bedingungen im Reaktor bei einem (teilweisen) Partikelaustausch nicht streng stationär. Zum anderen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Reaktorsystem der Reaktor so betrieben werden, dass die Strom- und Lösungszufuhr nicht vollständig gestoppt werden muss, was ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist. Entsprechend kann eine erfindungsgemäße Verfahrensführung und ein erfindungsgemäßer Reaktorbetrieb als kontinuierlich bezeichnet werden. Such supply, return or diversion as well as such gassing can also take place continuously and during ongoing reactor operation. It should be noted for the sake of clarity that, in the sense of the present invention, a continuous process or continuous operation of a reactor is also referred to as continuous if the flow is throttled or the flow direction is reversed in order to exchange the used particles. On the one hand, the conditions in the reactor are not strictly stationary during a (partial) particle exchange. On the other hand, the process and reactor system according to the invention can be operated in such a way that the supply of electricity and solution does not have to be completely stopped, which is a particular advantage of the present invention. Accordingly, a process and reactor operation according to the invention can be referred to as continuous.
Grundsätzlich sind die vorstehend beschriebenen Bauteile sowie die Verfahrensschritte des vorgenannten Verfahrens nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern die einzelnen hierin beschriebenen Module oder Bauteile, wie Partikelelektrode, Gegenelektroden, Elektrodensystem oder Reaktor können selbstverständlich weitere Komponenten umfassen, die für den Betrieb derselben erforderlich sind und einem Fachmann in der Regel bekannt sind. Dies gilt auch für den dargestellten Verfahrensablauf, der durch weitere Schritte oder Verfahrenskomponenten ergänzt werden kann, sofern die Verfahrensführung dies erfordert oder sinnvoll macht. In principle, the components described above and the process steps of the aforementioned process are not to be understood as an exhaustive list, but the individual modules or components described here, such as particle electrodes, counter electrodes, electrode systems or reactors, can of course include further components that are required for their operation and are generally known to a person skilled in the art. This also applies to the process sequence shown, which can be supplemented by further steps or process components if the process management requires this or makes sense.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN DESCRIPTION OF THE FIGURES
Fig. 1 schematische Darstellung des Grundaufbaus eines erfindungsgemäßen Reaktors Fig. 1 schematic representation of the basic structure of a reactor according to the invention
Fig. 2 Querschnittsansicht des Reaktors auf Höhe der Achse A - A der Figur 1Fig. 2 Cross-sectional view of the reactor at the level of the axis A - A of Figure 1
Fig. 3 Detailansicht des unteren Bereichs einer erfindungsgemäßen Verteil- Gegenelektrode Fig. 3 Detailed view of the lower area of a distribution counter electrode according to the invention
Fig. 4 Querschnittsansicht auf Höhe der Linie B - B der Figur 3 Fig. 4 Cross-sectional view at the level of line B - B of Figure 3
Fig. 5 schematische Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Reaktors mit Magneten Fig. 5 schematic representation of an embodiment of a reactor according to the invention with magnets
Fig. 6 Details eines in COMSOL erstellten digitalen Reaktorzwillings eines erfindungsgemäßen Reaktors Fig. 6 Details of a digital reactor twin of a reactor according to the invention created in COMSOL
Fig. 7 Stromdichteverteilungen innerhalb eines Reaktors im Simulationstest Fig. 7 Current density distributions within a reactor in the simulation test
Fig. 8 schematische Darstellung einer internen Zuführung von Fig. 8 schematic representation of an internal supply of
(1) Arbeitselektrodenelektrolyt in die Arbeitselektrodenkammer und (1) Working electrode electrolyte into the working electrode chamber and
(2) Gegenelektrodenelektrolyt in den Ringspalt über Gegenelektroden im Betrieb als Zustrom-Gegenelektroden (18c) (2) Counter electrode electrolyte in the annular gap via counter electrodes in operation as inflow counter electrodes (18c)
BEZUGSZEICHEN REFERENCE SIGN
(1) (Arbeits-)Elektrodenkammer / Arbeitselektrode (1) (Working) electrode chamber / working electrode
(1a) Gehäuse der Elektrodenkammer (1a) Housing of the electrode chamber
(2) Partikelelektrode (2a) Elektrodenpartikel (2) Particle electrode (2a) Electrode particles
(2b) Füllhöhe der Elektrodenpartikel in der Elektrodenkammer (2b) Filling level of the electrode particles in the electrode chamber
(2c) (horizontale) Ausdehnung (Querschnittsfläche) der Elektrodenpartikel in der Elektrodenkammer (2c) (horizontal) extension (cross-sectional area) of the electrode particles in the electrode chamber
(3) Ablauf für abzuleitenden Gegenelektroden-Elektrolyt aus der oberen Verteilkammer (25) (3) Drain for counter electrode electrolyte to be drained from the upper distribution chamber (25)
(4) Auslauföffnung aus der Sammelkammer (23) für abzuführende Reaktionslösung der Partikelelektrode (4) Outlet opening from the collection chamber (23) for the reaction solution of the particle electrode to be discharged
(5) Zulauf für Reaktionslösung der Partikelelektrode (5) Inlet for reaction solution of the particle electrode
(6) Zulauf für Fluidiksystem / Gegenelektroden-Elektrolyt der Gegenelektrode (18)(6) Inlet for fluidic system / counter electrode electrolyte of the counter electrode (18)
(7) Stromzuführung(en) (7) Power supply(s)
(8) leitfähige Elemente im Kontakt mit der Stromzuführung (7), die sich ausgehend von einer Stromzuführung (7) in den Arbeitselektrodenraum erstrecken(8) conductive elements in contact with the power supply (7), which extend from a power supply (7) into the working electrode space
(8a) Aussparungen in einem leitfähigen Element (8) (8a) Recesses in a conductive element (8)
(9) elektrische Kontaktierung der Gegenelektrode (18) (9) electrical contact of the counter electrode (18)
(10) Ablauf für Kühlmittel aus der Kühl-Gegenelektrode (18a) (10) Drain for coolant from the cooling counter electrode (18a)
(11) obere Öffnung der Verteil-Gegenelektrode (18b) zum Abführen verbrauchter oder Zuführung frischer Elektrodenpartikel über den Hohlraum der Verteil- Gegenelektrode (18b) (11) upper opening of the distribution counter electrode (18b) for removing used or supplying fresh electrode particles via the cavity of the distribution counter electrode (18b)
(12) Zulauf für Kühlmittel aus der Kühl-Gegenelektrode (18a) (12) Inlet for coolant from the cooling counter electrode (18a)
(13) (Zulauf-)Öffnung(en) für Gegenelektroden-Elektrolyt aus der unteren Verteilkammer (24) in den Ringspalt (26) (13) (Inlet) opening(s) for counter electrode electrolyte from the lower distribution chamber (24) into the annular gap (26)
(14) (Ablauf-)Öffnung(en) für Gegenelektroden-Elektrolyt aus dem Ringspalt (26) aus der oberen Verteilkammer (25) (14) (Drain) opening(s) for counter electrode electrolyte from the annular gap (26) from the upper distribution chamber (25)
(15) Zulauföffnung(en) zwischen Verteilkammer (21) und Partikelelektrodenraum der Arbeitselektrode (1) (15) Inlet opening(s) between distribution chamber (21) and particle electrode chamber of the working electrode (1)
(16) Abdeckvorrichtungen (z.B. Gitter, Netze oder Membranen) (16) Covering devices (e.g. grids, nets or membranes)
(17) Auslauföffnung(en) zwischen freiem Flüssigkeitsbereich (22) und Sammelkammer (23) für austretende Reaktionslösung der Partikelelektrode(17) Outlet opening(s) between free liquid area (22) and collection chamber (23) for escaping reaction solution of the particle electrode
(18) Gegenelektrode(n) / Gegenelektrodenmodul(e) (18) Counter electrode(s) / counter electrode module(s)
(18a) Kühl-Gegenelektrode(n) (18a) Cooling counter electrode(s)
(18b) Verteil-Gegenelektrode(n) (18b) Distribution counter electrode(s)
(18c) Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektrode(n) (18c) Inflow or return current counter electrode(s)
(19a) leitfähiger Stab oder Draht der Gegenelektrode(n) (19a) conductive rod or wire of the counter electrode(s)
(19b) Ummantelung der Gegenelektrode(n) / Umhüllungsstruktur um die Gegenelektrode(n) (18) (19b) Sheath of the counter electrode(s) / sheath structure around the counter electrode(s) (18)
(20) Öffnung am Endstück der Verteil-Gegenelektrode (18b) zwischen Hohlraum der Verteil-Gegenelektrode und Partikelbett der Arbeitselektrode (1) (20) Opening at the end piece of the distribution counter electrode (18b) between the cavity of the distribution counter electrode and the particle bed of the working electrode (1)
(21) Verteilkammer für Reaktionslösung der Partikelelektrode (21) Distribution chamber for reaction solution of the particle electrode
(22) freier Flüssigkeitsbereich zum Ausgleich des Expansionsvolumens der Partikelelektrode (23) Sammelkammer für Reaktionslösung der Partikelelektrode (22) free liquid area to compensate for the expansion volume of the particle electrode (23) Collection chamber for reaction solution of the particle electrode
(24) untere Verteilkammer für Fluidiksystem / Gegenelektroden-Elektrolyt der Gegenelektrode (18) (24) lower distribution chamber for fluidic system / counter electrode electrolyte of the counter electrode (18)
(25) obere Verteilkammer für Fluidiksystem / Gegenelektroden-Elektrolyt der Gegenelektrode (18) (25) upper distribution chamber for fluidic system / counter electrode electrolyte of the counter electrode (18)
(26) Ringspalt zwischen Gegenelektrode (18) und Ummantelung (19b) (26) Annular gap between counter electrode (18) and sheath (19b)
(27) Innenbereich / Hohlraum bei Hohlstab-Gegenelektrode(n) (27) Interior / cavity of hollow rod counter electrode(s)
(28) (dicht abschließendes) Endstück als Aufnahme der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der Umhüllungsstruktur (19b) (28) (tightly closing) end piece for receiving the distribution counter electrode (18b) and the sheath structure (19b)
(29) nichtleitendes Verteilstück der Verteil-Gegenelektrode (18b) (29) non-conductive distributor of the distribution counter electrode (18b)
(30) nichtleitendes Rohr zur Fixierung des Verteilstücks (29) und zur Zufuhr von Gegenelektroden-Elektrolyt (30) non-conductive tube for fixing the distributor (29) and for supplying counter electrode electrolyte
(31) Boden der Partikelelektrodenkammer (31) Bottom of the particle electrode chamber
(32) Teilkanäle in Form eines Ringspaltsegments innerhalb des Verteilstücks (29) zur Zufuhr von Gegenelektroden-Elektrolyt aus dem Rohr (30) in den Ringspalt (26) (32) Partial channels in the form of an annular gap segment within the distributor piece (29) for supplying counter electrode electrolyte from the tube (30) into the annular gap (26)
(33) Magnete (z.B. Magnetspule(n) oder Permanentmagnet(e)) (33) Magnets (e.g. magnetic coil(s) or permanent magnet(s))
BEISPIELE EXAMPLES
Die Erfindung wird durch die folgenden beispielhaften Ausführungsformen näher beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein. The invention is described in more detail by the following exemplary embodiments, without being limited thereto.
Aufbau eines elektrochemischen Reaktors mit skalierbarem
Figure imgf000036_0001
Construction of an electrochemical reactor with scalable
Figure imgf000036_0001
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen beispielhaften Grundaufbau einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Reaktorsystems. Figure 1 shows a section through an exemplary basic structure of a possible embodiment of an electrochemical reactor system according to the invention.
In dem zylindrischen Gehäuse (1a) der Arbeitselektrodenkammer (1) ist beispielhaft eine (es können auch mehrere vorgesehen werden) stabförmige Stromzuführung (7) dargestellt, an der in regelmäßigen Abständen leitfähige Elemente (8) in Form grobmaschiger Metallgitter angebracht sind. Die Maschenweite der Metallgitter (8) beträgt dabei ein Vielfaches der Partikelgröße der Partikel (2a) der Partikelelektrode (2). Hierdurch können die Partikel der Partikelelektrode (2) bei einem Partikelaustausch die Metallgitter (8) praktisch ungehindert passieren. Dennoch ermöglichen die Metallgitter (8) eine effiziente elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode (2) über das gesamte Arbeitselektrodenvolumen. In the cylindrical housing (1a) of the working electrode chamber (1), an example of a rod-shaped power supply (7) (several can be provided) is shown, to which conductive elements (8) in the form of coarse-mesh metal grids are attached at regular intervals. The mesh size of the metal grids (8) is a multiple of the particle size of the particles (2a) of the particle electrode (2). This allows the particles of the particle electrode (2) to pass through the metal grids (8) practically unhindered during a particle exchange. Nevertheless, the metal grids (8) enable efficient electrical contact of the particle electrode (2) over the entire working electrode volume.
In der dargestellten beispielhaften Ausführung werden mehrere leitfähige Elemente (8) in Form von Metallgittern parallel zueinander auf verschiedenen Ebenen der Partikelelektrode angeordnet (quasi übereinander gestapelt) und erstrecken sich jeweils über die gesamte Querschnittsfläche der Elektrodenkammer durch das Partikelbett. Die leitfähigen Elemente (hier die Metallgitter) weisen in regelmäßigen Abständen kreisförmige Aussparungen (8a) auf, die jeweils so auf den Gittern positioniert sind, dass sie parallel übereinander positioniert sind. Durch diese Aussparungen (8a) werden vor der Befüllung der Partikelelektrode mit den Elektrodenpartikeln stabförmige Gegenelektroden (18) eingeschoben, die sich durch die gesamte Füllhöhe (2b) der Elektrode erstrecken. Hierdurch wird erreicht, dass auch bei großen Arbeitselektrodenvolumina, die für die Stromleitung ebenfalls benötigten Strompfade innerhalb des Partikelbetts ebenfalls überall kurzgehalten werden. Durch die ineinander verschränkte dreidimensionale Anordnung von leitfähigen Elementen der Kontaktierung der Partikelelektrode (hier die Metallgitter), Partikelelektrode und innerhalb der Partikelelektrode gleichmäßig verteilten Gegenelektrodenmodulen ergeben sich auch für Arbeitselektrodenvolumen von z.B. mehreren Kubikmetern lokale Strompfade zwischen Arbeits- und Gegenelektrode von maximal wenigen Zentimetern. In the exemplary embodiment shown, several conductive elements (8) in the form of metal grids are arranged parallel to each other on different levels of the particle electrode (stacked one on top of the other) and each extend across the entire cross-sectional area of the electrode chamber through the particle bed. The conductive elements (here the metal grids) have circular recesses (8a) at regular intervals, which are each positioned on the grids in such a way that they are positioned parallel one above the other. Before the particle electrode is filled with the electrode particles, rod-shaped counter electrodes (18) are pushed through these recesses (8a), which extend through the entire filling height (2b) of the electrode. This ensures that even with large working electrode volumes, the current paths within the particle bed that are also required for current conduction are also kept short everywhere. The interlocking three-dimensional arrangement of conductive elements for contacting the particle electrode (here the metal grids), particle electrode and counter electrode modules evenly distributed within the particle electrode results in local current paths between the working and counter electrodes of a maximum of a few centimeters, even for working electrode volumes of, for example, several cubic meters.
Aufbau eines Arbeitselektrodenraums (Partikelelektrode) Construction of a working electrode chamber (particle electrode)
Der Arbeitselektrodenraum ist an zwei Seiten (hier unten und oben) durch fluidische Verteil- und Sammelkammern begrenzt, durch die die Zufuhr und die Abfuhr der Reaktionslösung für die Redoxreaktion an der Arbeitselektrode erfolgt. Die Reaktionslösung strömt hierzu durch den Zulauf (5) in die Verteilkammer (21) und von hier über zahlreiche Zulauföffnungen (15) in das Volumen der Arbeitselektrode (2). Damit durch die Zulauföffnungen (15) keine Elektrodenpartikel nach unten sedimentieren können, sind diese durch eine feinmaschige Abdeckung, z.B. ein Gitter (16) abgedeckt. Am oberen Ende des Partikelbetts (2) ist ein freier Flüssigkeitsbereich (22) vorgesehen, der bei Bedarf während des Reaktorbetriebs eine leichte Expansion des Partikelbetts (2) ermöglicht und quasi als Ausgleichskammer dient. Bei der Durchströmung der Arbeitselektrode verlässt die Reaktionslösung diesen Bereich über Auslauföffnungen (17), sammelt sich in einer Sammelkammer (23) und verlässt den Reaktor über die Auslauföffnung (4). The working electrode space is delimited on two sides (here at the bottom and top) by fluidic distribution and collection chambers through which the reaction solution for the redox reaction at the working electrode is supplied and removed. The reaction solution flows through the inlet (5) into the distribution chamber (21) and from here through numerous inlet openings (15) into the volume of the working electrode (2). To ensure that no electrode particles can sediment downwards through the inlet openings (15), these are covered by a fine-mesh cover, e.g. a grid (16). At the upper end of the particle bed (2) there is a free liquid area (22) which, if required, enables the particle bed (2) to expand slightly during reactor operation and serves as a kind of compensation chamber. When flowing through the working electrode, the reaction solution leaves this area via outlet openings (17), collects in a collection chamber (23) and leaves the reactor via the outlet opening (4).
Aufbau der Gegenelektrodenmodule (Kühl- und Verteil-Gegenelektrode) Structure of the counter electrode modules (cooling and distribution counter electrode)
Die Gegenelektrodenmodule (18) umfassen in der hier dargestellten Ausführungsform die als Hohlstab ausgeführte eigentliche Gegenelektrode in Form eines leitfähigen Stabs (19a), eine elektrische Kontaktierung (9) der Gegenelektrode sowie eine die Gegenelektrode (18) in einem gewissen Abstand zirkulär umhüllende Ummantelung (19b), z.B. ein Gewebe. Der konstante Abstand zwischen der Ummantelung (19b) und der Oberfläche des leitfähigen Gegenelektrodenstabs (19a) kann durch einen offenmaschigen, nichtleitenden Spacer erreicht werden (in Figur 1 nicht dargestellt). Bei der Ummantelung (19b) kann es sich z.B. um nichtleitende, feinmaschige Polymergewebe oder um lonenaustauschermembranen handeln. Die Ummantelung verhindert den direkten Kontakt zwischen der Partikelelektrode (2) und dem leitfähigen Stab der Gegenelektrode (19a). Der durch den Abstand zwischen Ummantelung (19b) und Gegenelektrodenstab (19a) gebildete Ringspalt (26) wird durch den Gegenelektroden-Elektrolyten durchspült. Wird als Ummantelung (19b) eine lonenaustauschermembran eingesetzt, so erfüllt diese zusätzlich die Funktion einer semipermeablen Trennschicht, die entweder Kationen oder Anionen passieren lässt und gleichzeitig den entgegengesetzt geladenen lonentyp an einer Passage hindert. Der Gegenelektroden-Elektrolyt in diesem abgetrennten Ringspalt (26) kann über ein eigenes Fluidiksystem zyklisch oder kontinuierlich ausgetauscht oder im Kreislauf geführt werden. Hierdurch lassen sich z.B. unerwünschte an der Oberfläche des Gegenelektrodenstabs gebildete Gasblasen rasch aus dem System entfernen. Das Fluidiksystem der Gegenelektrode tritt an der Zulauföffnung (6) in eine zweite, untere Verteilkammer (24) in das Elektrodensystem ein. Der Gegenelektroden-Elektrolyt fließt dann über die Öffnungen (13) in den Ringspalt (26), der die leitfähigen Gegenelektrodenstäbe (19a) umgibt. Am oberen Reaktorende fließt der Gegenelektroden-Elektrolyt aus den Öffnungen (14) in eine zweite, obere Sammelkammer (25) und verlässt den Reaktor über den Ablauf (3). In the embodiment shown here, the counter electrode modules (18) comprise the actual counter electrode, designed as a hollow rod in the form of a conductive rod (19a), an electrical contact (9) of the counter electrode and a sheath (19b), e.g. a fabric, that envelops the counter electrode (18) at a certain distance in a circular manner. The constant distance between the sheath (19b) and the surface of the conductive counter electrode rod (19a) can be achieved by an open-mesh, non-conductive spacer (not shown in Figure 1). The sheath (19b) can be, for example, non-conductive, fine-mesh polymer fabric or ion exchange membranes. The sheath prevents direct contact between the particle electrode (2) and the conductive Counter electrode rod (19a). The annular gap (26) formed by the distance between the casing (19b) and the counter electrode rod (19a) is flushed through by the counter electrode electrolyte. If an ion exchange membrane is used as the casing (19b), this also fulfils the function of a semi-permeable separating layer that allows either cations or anions to pass through and at the same time prevents the oppositely charged ion type from passing through. The counter electrode electrolyte in this separated annular gap (26) can be cyclically or continuously exchanged or circulated via its own fluidic system. This allows, for example, unwanted gas bubbles formed on the surface of the counter electrode rod to be quickly removed from the system. The counter electrode fluidic system enters the electrode system at the inlet opening (6) in a second, lower distribution chamber (24). The counter electrode electrolyte then flows through the openings (13) into the annular gap (26) that surrounds the conductive counter electrode rods (19a). At the upper end of the reactor, the counter electrode electrolyte flows from the openings (14) into a second, upper collection chamber (25) and leaves the reactor via the drain (3).
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Gegenelektronenmodule (18) als Hohlstab-Gegenelektroden ausgeführt, die über einen fluidisch vom Gegenelektroden-Elektrolyten im Ringspalt (26) getrennten hohlen Innenbereich (27) aufweisen. Dieser hohle Innenbereich kann erfindungsgemäß je nach Ausführung für eine zusätzliche Funktionalisierung der Gegenelektroden genutzt werden. In preferred embodiments of the invention, the counterelectron modules (18) are designed as hollow rod counterelectrodes, which have a hollow inner region (27) that is fluidically separated from the counterelectrode electrolyte in the annular gap (26). According to the invention, this hollow inner region can be used for additional functionalization of the counterelectrodes, depending on the design.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer sogenannten Kühl- Gegenelektrode (18a) durchdringt der Hohlstab (19a) der Gegenelektrode (18a) sämtliche Kammern des Reaktors und ermöglicht neben der Funktion als Gegenelektrode auch eine Kühlung des Reaktorinneren. Durch Zulauföffnungen (12) sowie Ablauföffnungen (10) wird der innere Hohlraum (27) der Kühl-Gegenelektroden mit einem externen Kühlwassersystem verbunden. Dadurch kann ein fluidisch von den Elektrolytkreisläufen entkoppelter, separater Kühlkreislauf in den Reaktor integriert werden, über den sich die Verweilzeit des Kühlmediums im Reaktor so regeln lässt, dass zwischen Zu- und Ablauf nur eine geringe Temperaturdifferenz entsteht. Die lokale Kühlleistung und damit auch die Temperatur innerhalb des Arbeitselektrodenvolumens (im Partikelbett) lässt sich somit über die gesamte Reaktorhöhe und über den gesamten Reaktorquerschnitt nahezu konstant in einem für die Reaktion optimalen Bereich halten. Dies ist insbesondere für elektroenzymatische Reaktionen wichtig, da diese sehr empfindlich auf Reaktionsunterschiede reagieren und zu hohe Temperaturen rasch zu einer Enzyminaktivierung führen. In an embodiment of a so-called cooling counter electrode (18a) according to the invention, the hollow rod (19a) of the counter electrode (18a) penetrates all chambers of the reactor and, in addition to functioning as a counter electrode, also enables cooling of the reactor interior. The inner cavity (27) of the cooling counter electrodes is connected to an external cooling water system through inlet openings (12) and outlet openings (10). This makes it possible to integrate a separate cooling circuit into the reactor that is fluidically decoupled from the electrolyte circuits, via which the residence time of the cooling medium in the reactor can be regulated so that only a small temperature difference occurs between the inlet and outlet. The local cooling capacity and thus also the temperature within the working electrode volume (in the particle bed) can thus be kept almost constant over the entire reactor height and over the entire reactor cross-section in a range that is optimal for the reaction. This is particularly important for electroenzymatic reactions, since these react very sensitively to reaction differences and temperatures that are too high quickly lead to enzyme inactivation.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer sogenannten Verteil- Gegenelektroden (18b) endet der leitfähige Gegenelektrodenhohlstab (19a) noch innerhalb des Arbeitselektrodenvolumens kurz oberhalb des durch die untere Verteilkammer (21) gebildeten Bodens. Das Endstück ist dabei so ausgeführt, dass zum einen eine gegen die Arbeitselektrode abgedichtete fluidische Verbindung zur unteren Verteilkammer (24) gebildet wird. Zum anderen weist das Endstück aber auch eine Öffnung (20) auf, die das Innere der Gegenelektrode (27) mit dem Partikelbett der Arbeitselektrode (2) verbindet. Damit hierdurch während des Reaktorbetriebs kein elektrischer Kurzschluss zwischen Arbeits- und Gegenelektrode auftritt, ist die Innenwand der Gegenelektrodenhohlstäbe (19a) durch eine Beschichtung oder einen Einschub elektrisch isoliert. Während des normalen Reaktorbetriebs ist die obere Öffnung (11) der Verteil-Gegenelektroden (18b) verschlossen. Dementsprechend ruht die Flüssigkeit im Inneren der Verteil-Gegenelektrode (18b) und es werden keine Elektrodenpartikel (2a) in den Arbeitselektrodenraum zu- oder abgeführt. Erfordert eine abnehmende katalytische Aktivität oder z.B. eine Verschmutzung oder sonstige Inaktivierung der Elektrodenpartikel einen Austausch der Partikel, so kann der Ablauf (11) aus dem Inneren der Verteil-Gegenelektroden (18b) geöffnet und der Ablauf (4) der oberen Sammelkammer (23) gedrosselt oder ganz geschlossen werden. Hierdurch strömt die über den Zulauf (5) und die Verteilöffnungen (15) zulaufende Lösung mit hoher Geschwindigkeit durch die Öffnung (20) in das Innere der Verteil-Gegenelektrode (18b) und reißt damit eine hohe Konzentration an Elektroden partikeln (2a) mit, die den Reaktor über den Ablauf (11) verlassen. Hierdurch ist bei Bedarf ein vollständiges Aus-schleusen der Elektrodenpartikel (2a) möglich. Anschließend können neue Partikel in Form einer Aufschlämmung in den Reaktor gepumpt werden, indem die Öffnung (11) in diesem Fall als Zulauf genutzt wird. Die Partikelsuspension tritt durch die Öffnung (20) in den Arbeitselektrodenraum und verteilt sich dort über den Querschnitt. Die mit der Partikelsuspension zugeführte Lösung wird über die Sammelöffnungen (17) und den Ablauf (4) abgeführt, wobei eine Abdeckvorrichtung in Form eines feinmaschigen Gitters (16) vor den Sammelöffnungen (17) ein unerwünschtes Austragen von Partikeln verhindert. In an embodiment according to the invention of a so-called distribution counter electrode (18b), the conductive counter electrode hollow rod (19a) ends within the working electrode volume just above the floor formed by the lower distribution chamber (21). The end piece is designed in such a way that, on the one hand, a fluidic connection to the lower distribution chamber (24) is formed which is sealed against the working electrode. On the other hand, the end piece also has an opening (20) which connects the interior of the counter electrode (27) with the particle bed of the working electrode (2). To ensure that no electrical short circuit occurs between the working and counter electrodes during reactor operation, the inner wall of the counter electrode hollow rods (19a) is electrically insulated by a coating or an insert. During normal reactor operation, the upper opening (11) of the distribution counter electrodes (18b) is closed. Accordingly, the liquid rests inside the distribution counter electrode (18b) and no electrode particles (2a) are fed into or removed from the working electrode space. If a decrease in catalytic activity or, for example, contamination or other inactivation of the electrode particles requires the particles to be replaced, the outlet (11) from the interior of the distribution counter electrodes (18b) can be opened and the outlet (4) of the upper collection chamber (23) can be throttled or closed completely. As a result, the solution flowing in via the inlet (5) and the distribution openings (15) flows at high speed through the opening (20) into the interior of the distribution counter electrode (18b), entraining a high concentration of electrode particles (2a) which leave the reactor via the outlet (11). This makes it possible to completely remove the electrode particles (2a) if necessary. New particles can then be pumped into the reactor in the form of a slurry, in this case using the opening (11) as the inlet. The particle suspension passes through the opening (20) into the working electrode chamber and is distributed there over the cross-section. The solution supplied with the particle suspension is discharged via the collection openings (17) and the drain (4), whereby a covering device in the form of a fine-mesh grid (16) in front of the collection openings (17) prevents an undesired discharge of particles.
Figur 2 zeigt eine Ansicht des Reaktorquerschnitts auf Höhe der Achse A - A in Fig u r1. Figure 2 shows a view of the reactor cross-section at the level of the axis A - A in Figure 1.
Die Position des Querschnitts wurde so gewählt, dass sie eines der leitfähigen Elemente (8) zeigt, welche hier beispielhaft als grobmaschiges Metallgitter ausgeführt sind. Diese dienen zur gleichmäßigen Kontaktierung der Partikelelektrode (2) über den gesamten Reaktorquerschnitt. Die Metallgitter (8) weisen zur Einführung der Gegenelektroden (18) in den Bereich der Partikelelektrode (2) kreisförmige Aussparungen (8a) auf, deren Durchmesser ca. 5 mm größer ist als der äußere Durchmesser der Gegenelektroden, so dass die Gegenelektroden berührungsfrei durch die leitfähigen Elemente geführt werden können. Die Metallgitter werden durch die Stromführungen (7), z.B. in Form von massiven Metallstäben, mit der Stromquelle verbunden. Die Gegenelektrodenmodule (18) werden gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt (2c) verteilt angeordnet, dabei werden sowohl Kühl-Gegenelektroden (18a) als auch Verteil-Gegenelektroden (18b) vorgesehen. Die jeweilige Anzahl kann in Abhängigkeit von Reaktorgröße und gewünschter Kühl- und Partikelaustauschleistung frei variiert werden. Im dargestellten Beispiel wurde exemplarisch und der Übersichtlichkeit halber eine Anordnung mit nur einer zentralen Verteil-Gegenelektrode (18b) und sechs symmetrisch und gleichmäßig darum herum verteilten Kühl-Gegenelektroden (18a) dargestellt. Solche Anordnungen sind beispielsweise in kleinen Pilotreaktoren von ca. 1 L Arbeitselektrodenvolumen einsetzbar. Größere Reaktoren weisen dementsprechend eine Vielzahl von Verteil- Gegenelektroden (18b) und Kühl-Gegenelektroden (18a) auf, die in einem gleichmäßigen Muster über den Reaktorquerschnitt verteilt angeordnet werden. The position of the cross-section was chosen so that it shows one of the conductive elements (8), which are designed here as a coarse-meshed metal grid. These serve to evenly contact the particle electrode (2) over the entire reactor cross-section. The metal grids (8) have circular recesses (8a) for introducing the counter electrodes (18) into the area of the particle electrode (2), the diameter of which is approximately 5 mm larger than the outer diameter of the counter electrodes, so that the counter electrodes can be guided through the conductive elements without contact. The metal grids are connected to the power source by the current guides (7), e.g. in the form of solid metal rods. The counter electrode modules (18) are arranged evenly distributed over the reactor cross-section (2c), whereby Both cooling counter electrodes (18a) and distribution counter electrodes (18b) are provided. The respective number can be freely varied depending on the size of the reactor and the desired cooling and particle exchange performance. In the example shown, an arrangement with only one central distribution counter electrode (18b) and six cooling counter electrodes (18a) distributed symmetrically and evenly around it was shown as an example and for the sake of clarity. Such arrangements can be used, for example, in small pilot reactors with a working electrode volume of approx. 1 L. Larger reactors accordingly have a large number of distribution counter electrodes (18b) and cooling counter electrodes (18a), which are distributed in a uniform pattern across the reactor cross-section.
In der hier dargestellten Ausführungsform weisen die Gegenelektroden (18), von außen nach innen betrachtet, den folgenden konzentrischen Aufbau auf. Die Abgrenzung (Trennung) zur Partikelelektrode (2) bildet die Ummantelung (19a). Diese kann z.B. in Form eines porösen, nicht leitfähigen Diaphragmas ausgebildet sein, welches durch eine grobmaschige Struktur gestützt wird, so dass das Diaphragma auch unter dem Gewichtsdruck der Partikelelektrode den gewünschten Abstand zu dem metallenen Hohlstab (19a) hält, dessen äußere Oberfläche die eigentliche Gegenelektrode bildet. Durch den über die Ummantelung, ggf. mit Stützstruktur, gebildeten Ringspalt (26) strömt der Gegenelektroden-Elektrolyt im Aufstrom, wodurch eventuell an der Gegenelektrode (18) gebildete Gasblasen rasch ausgetragen werden. Der Innenbereich (27) der als Hohlstab ausgeführten Gegenelektrode ist vom Fluidbereich des Gegenelektroden-Elektrolyten getrennt und kann gesonderte Funktionen übernehmen, die für eine Skalierung und den Betrieb des Reaktors essentiell sind. Im Falle einer Funktionalisierung als Kühl-Gegenelektrode (18a) wird durch diesen Innenbereich ein Kühlmedium geleitet, das die insbesondere durch ohmsche Verluste im Reaktor entstehende Wärmeenergie gleichmäßig ableitet. Im Falle einer Funktionalisierung als Verteil-Gegenelektrode (18b) können über den Innenbereich verbrauchte, verschmutzte oder inaktiv gewordene Elektrodenpartikel (2a) abgezogen sowie in einem zweiten Schritt frische Elektrodenpartikel (2a) zugeführt werden. In the embodiment shown here, the counter electrodes (18) have the following concentric structure, viewed from the outside inwards. The boundary (separation) from the particle electrode (2) is formed by the casing (19a). This can be designed, for example, in the form of a porous, non-conductive diaphragm, which is supported by a coarse-mesh structure, so that the diaphragm maintains the desired distance from the metal hollow rod (19a), the outer surface of which forms the actual counter electrode, even under the weight pressure of the particle electrode. The counter electrode electrolyte flows upstream through the annular gap (26) formed by the casing, possibly with a support structure, whereby any gas bubbles formed on the counter electrode (18) are quickly removed. The inner region (27) of the counter electrode, which is designed as a hollow rod, is separated from the fluid region of the counter electrode electrolyte and can take on separate functions that are essential for scaling and operation of the reactor. In the case of functionalization as a cooling counter electrode (18a), a cooling medium is passed through this inner region, which evenly dissipates the heat energy generated in particular by ohmic losses in the reactor. In the case of functionalization as a distribution counter electrode (18b), used, dirty or inactive electrode particles (2a) can be removed via the inner region and fresh electrode particles (2a) can be added in a second step.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht des unteren Bereichs der Verteil-Gegenelektrode (18b), der durch seine besondere erfindungsgemäße Ausführung ein Abziehen oder Zuführen von Elektrodenpartikeln und zugleich eine Zuführung von Gegenelektroden-Elektrolyt erlaubt, ohne dass es hierbei zu einer Vermischung von Arbeitselektroden- und Gegenelektroden-Elektrolyt kommt. Die Figur 3 zeigt im oberen Bereich den verkürzt dargestellten unteren Bereich des leitfähigen Gegenelektroden-Hohlstabs (19a), der kurz oberhalb des Bodens (31) des Partikelelektrodenbereichs in einem zylindrischen, nichtleitenden Verteilstück (29) endet. Ebenso wie der leitfähige Hohlstab (19a) mündet auch die verkürzte Ummantelung (Diaphragma) (19b) der Verteil-Gegenelektrode (18b) in einem dicht abschließenden Endstück (28). An das untere Ende des Verteilstücks (29) schließt ein nichtleitendes Rohr (30) an, das durch den Boden (31) ragt. Dieses Rohr (30) dient zur Fixierung und Positionierung des Verteilstücks (29) sowie zur Zufuhr des Gegenelektroden-Elektrolyten. In der schematischen Darstellung der Figur 3 verläuft der vertikale Schnitt mittig durch die Verteil-Gegenelektrode (18b) und dadurch durch den Bereich der Öffnungssegmente (20). Dadurch ist in der Darstellung das Verteilstück (29) in der Ansicht unterbrochen und der durchgängige Material bereich hinter der Schnittebene wird gestrichelt angedeutet. Figure 3 shows a detailed view of the lower area of the distribution counter electrode (18b), which, due to its special design according to the invention, allows electrode particles to be removed or added and at the same time counter electrode electrolyte to be added without the working electrode and counter electrode electrolyte mixing. Figure 3 shows the upper area of the shortened lower area of the conductive counter electrode hollow rod (19a), which ends just above the bottom (31) of the particle electrode area in a cylindrical, non-conductive distribution piece (29). Just like the conductive hollow rod (19a), the shortened casing (diaphragm) (19b) of the distribution counter electrode (18b) also ends in a tightly closing end piece (28). At the lower end of the distribution piece (29) is connected to a non-conductive pipe (30) which projects through the base (31). This pipe (30) serves to fix and position the distributor piece (29) and to supply the counter electrode electrolyte. In the schematic representation in Figure 3, the vertical section runs centrally through the distributor counter electrode (18b) and thus through the area of the opening segments (20). As a result, the distributor piece (29) is interrupted in the view in the representation and the continuous material area behind the cutting plane is indicated by dashed lines.
Figur 4 verdeutlicht den geometrischen Aufbau des Verteilstücks (29) über eine Querschnittsansicht auf Höhe der Linie B - B der Figur 3. Die Figur 4 zeigt, dass im mittleren Bereich das Verteilstück (29) aus vier Teilkanälen (32) besteht, die die Form eines Ringspaltsegments haben. Durch diese rundum geschlossenen Teilkanäle (32) wird der Gegenelektroden-Elektrolyt aus dem Rohr (30) in den Ringspalt (26) der Verteil- Gegenelektrode (18b) geleitet, der durch den Gegenelektroden-Hohlstab (19a) und die Ummantelung (Diaphragma) (19b) gebildet wird (wie in Figur 3 gezeigt). Zwischen den Teilkanälen (32) befinden sich die Öffnungen (20), die den Partikelelektrodenbereich (2) mit dem Innenbereich des Hohlstabs (27) verbinden. Durch diese Öffnungen (20) können Elektrodenpartikel (2a) in den Innenbereich des Hohlstabs (27) gefördert werden. Durch Umkehr der Strömungsrichtung im Innenbereich des Hohlstabs (27) können ebenso Elektrodenpartikel (2a) aus einem Reservoir in den Bereich der Arbeitselektrode gepumpt werden. Figure 4 illustrates the geometric structure of the distributor (29) using a cross-sectional view at the level of line B - B in Figure 3. Figure 4 shows that in the middle area the distributor (29) consists of four partial channels (32) which have the shape of an annular gap segment. The counter electrode electrolyte is guided from the tube (30) through these completely closed partial channels (32) into the annular gap (26) of the distributor counter electrode (18b), which is formed by the counter electrode hollow rod (19a) and the casing (diaphragm) (19b) (as shown in Figure 3). Between the partial channels (32) are the openings (20) which connect the particle electrode area (2) with the inner area of the hollow rod (27). Electrode particles (2a) can be conveyed into the inner area of the hollow rod (27) through these openings (20). By reversing the flow direction in the interior of the hollow rod (27), electrode particles (2a) can also be pumped from a reservoir into the area of the working electrode.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Reaktors. Diese Ausführung ist für Partikelelektroden geeignet, welche mit Elektrodenpartikeln (2a) mit hoher Magnetisierbarkeit betrieben werden. Darin wird das Reaktorgehäuse (1a) im Bereich der Partikelelektrode (2) von einer oder mehreren Magnetspulen (33) oder einer Anordnung von einem oder mehreren Permanentmagneten umschlossen durch die sich der Bereich der Partikelelektrode mit einem Magnetfeld überlagern lässt. Figure 5 shows a schematic representation of another possible embodiment of the reactor according to the invention. This embodiment is suitable for particle electrodes which are operated with electrode particles (2a) with high magnetizability. In this embodiment, the reactor housing (1a) in the area of the particle electrode (2) is surrounded by one or more magnetic coils (33) or an arrangement of one or more permanent magnets, by means of which the area of the particle electrode can be superimposed with a magnetic field.
Die übrigen Bauteile in dieser beispielhaften Ausführungsform entsprechen denen des in Beispiel 1 beschriebenen Reaktors. The remaining components in this exemplary embodiment correspond to those of the reactor described in Example 1.
3 - Vorstudie 3 - Preliminary study
Für eine Vorstudie wurde ein Design einer Partikelelektrode mit leitfähigen Elementen (8) in Form grobmaschiger Kontaktierungsgitter im Labormaßstab realisiert. For a preliminary study, a design of a particle electrode with conductive elements (8) in the form of coarse-mesh contact grids was realized on a laboratory scale.
Die folgenden Aspekte wurden untersucht: (i) Ist die Handhabung einer Partikelelektrode auch bei Präsenz des Kontaktierungsgitters möglich oder kommt es trotz der Größe der Gittermaschen zu Verblockungen oder lokalen Freiräumen. The following aspects were examined: (i) Is it possible to handle a particle electrode even in the presence of the contact grid or does blockages or local clearances occur despite the size of the grid mesh?
(ii) Führt die Einführung des leitfähigen Gitters zu der vorhergesagten gleichmäßigen Kontaktierung und zu einer Effizienzsteigerung. (ii) Does the introduction of the conductive grid lead to the predicted uniform contacting and an increase in efficiency?
Für die Vorstudie wurde ein Kontaktierungsgitter verwendet, das aus vier rondenförmigen Titanstreckmetallscheiben bestand, die im Abstand von jeweils 1 cm an einen gemeinsamen Titandraht geschweißt waren. Die Streckmetalle hatten eine Maschenweite von 5 mm. Bei den verwendeten Elektrodenpartikeln handelte es sich Kompositpartikel aus Aktivkohle und Magnetit sowie 5% Polymerbinder. Die Partikel hatten eine Partikelgrößenverteilung von 50 - 400 pm, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 170 pm. Als Gegenelektrode wurde ein platiniertes Titanblech verwendet. Die beiden Elektrodenräume des Arbeits- und Gegenelektrodenraumes wurden mittels einer Kationenaustauschermembran getrennt. In den partikelgefüllten Arbeitselektrodenraum wurde eine 3 mM-Lösung der oxidierten Form von Kaliumhexacyanoferrat und in den Gegenelektrodenraum eine 3 mM-Lösung der reduzierten Form von Kaliumhexacyanoferrat bei einer konstanten Flussrate von 1 bzw. 4 ml/min zugeführt. Der Elektrolyt beider chemischen Lösungen bestand aus einer 1 M Kaliumchlorid-Lösung. Optional konnte mit einer Helmholtz-Spule dem Reaktor ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 20 mT überlagert werden. Die Reaktorwand bestand aus transparentem 3D-gedruckten Material, so dass eine optische Beobachtung des Verhaltens des Partikelbetts möglich war.
Figure imgf000042_0001
For the preliminary study, a contact grid was used that consisted of four round-shaped titanium expanded metal disks that were welded to a common titanium wire at a distance of 1 cm each. The expanded metals had a mesh size of 5 mm. The electrode particles used were composite particles of activated carbon and magnetite and 5% polymer binder. The particles had a particle size distribution of 50 - 400 pm, with an average particle size of 170 pm. A platinum-plated titanium sheet was used as the counter electrode. The two electrode compartments of the working and counter electrode compartment were separated by a cation exchange membrane. A 3 mM solution of the oxidized form of potassium hexacyanoferrate was fed into the particle-filled working electrode compartment and a 3 mM solution of the reduced form of potassium hexacyanoferrate was fed into the counter electrode compartment at a constant flow rate of 1 and 4 ml/min, respectively. The electrolyte of both chemical solutions consisted of a 1 M potassium chloride solution. Optionally, a magnetic field with a magnetic flux density of 20 mT could be superimposed on the reactor using a Helmholtz coil. The reactor wall was made of transparent 3D-printed material, so that optical observation of the behavior of the particle bed was possible.
Figure imgf000042_0001
(i) Hydrodynamisches Verhalten: (i) Hydrodynamic behavior:
Die Befüllung und der Betrieb des Reaktors zeigten, dass die Elektrodenpartikel das mehrlagige Kontaktierungsgitter ohne beobachtbare Beeinträchtigung passierten und in dem zu Beginn flüssigkeitsgefüllten Arbeitselektrodenraum durch Sedimentation bis zum Reaktorboden gelangten. Während des Betriebs wurde der Arbeitselektrodenraum mit einer Flussrate angeströmt, die zu einer ca. 10% Expansion der Partikelelektrode führte, d.h. die Partikelelektrode wurde als Fluidbett betrieben. Auch bei der Einstellung des fluidisierten Zustands zeigte das Kontaktierungsgitter keine negativen Auswirkungen. Filling and operation of the reactor showed that the electrode particles passed through the multi-layer contact grid without observable impairment and reached the bottom of the reactor through sedimentation in the working electrode chamber, which was initially filled with liquid. During operation, the working electrode chamber was supplied with a flow rate that led to an approx. 10% expansion of the particle electrode, i.e. the particle electrode was operated as a fluid bed. Even when the fluidized state was set, the contact grid showed no negative effects.
(ii) Elektrochemische Effizienz: (ii) Electrochemical efficiency:
Durch Anlegen einer Spannung von -0,2 bis-0,8 V gegenüber einer an die Arbeitselektrode angrenzenden Ag/AgCI-Referenzelektrode fand an den Partikeln im Arbeitselektrodenraum die Reduktion von Kaliumferricyanid zu Kaliumferrocyanid statt. Gegenüber einer Kontaktierung des Partikelbetts mit nur einer Streckmetallronde am Reaktorboden ergab der Einsatz des vierlagigen Kontaktierungsgitters bei ansonsten gleichen Reaktionsbedingungen eine Steigerung des Stromflusses um 300%. Hierdurch konnte der Umsatz der einströmenden Kaliumhexacyanoferratlösung von 25% bei einer Streckmetallronde auf ca. 80% bei Einsatz des Kontaktierungsgitters gesteigert werden. By applying a voltage of -0.2 to -0.8 V to an Ag/AgCI reference electrode adjacent to the working electrode, the reduction of potassium ferricyanide to potassium ferrocyanide took place on the particles in the working electrode chamber. In contrast to contacting the particle bed with only one expanded metal disc on the reactor floor, the use of the four-layer contact grid with otherwise the same reaction conditions resulted in an increase in current flow of 300%. This enabled the conversion of the incoming potassium hexacyanoferrate solution to be increased from 25% with an expanded metal disc to approximately 80% when using the contact grid.
Beispiel 4 - Digitaler Zwilling des Reaktoraufbaus Example 4 - Digital twin of the reactor structure
Ausgehend von den experimentellen Ergebnissen der Vorstudie aus Beispiel 3 konnten die mittleren Leitfähigkeiten eines Partikelbetts aus den in Beispiel 3 beschriebenen Kompositpartikeln sowie eines Partikelbetts aus Graphitpartikeln mit ca. 600 pm Durchmesser berechnet werden. Zusätzlich wurden die spezifischen Oberflächen des jeweiligen Partikelbetts sowie die Elektrolytleitfähigkeit gemessen. Daten für den Membranwiderstand sowie die spezifische Leitfähigkeit der Stromzuführungen aus Titan wurden aus Literaturdaten übernommen. Mit Hilfe der Finite-Element Multiphysik Software COMSOL 6.0 wurde anschließend ein detailgetreues dreidimensionales Simulationsmodell für ein erfindungsgemäß aufgebautes, elektrochemisches Reaktionssystem erstellt. Das simulierte Reaktionssystem umfasst ein Arbeitselektrodenvolumen von 1 L, das über eine Anordnung von 10 Streckmetallronden in 15 mm Abstand kontaktiert wird. Der Arbeitselektrodenraum hat einen Durchmesser von 100 mm sowie eine Höhe von 200 mm, von denen 160 mm im sedimentierten Zustand mit der Partikelelektrode gefüllt sind. Innerhalb des Arbeitselektrodenvolumens sind sieben Gegenelektrodenmodule eingetaucht, ein zentrales Verteil- Gegenelektrodenmodul sowie sechs in einem hexagonalen Muster angeordnete Kühl- Gegenelektrodenmodule. Die Hohlstäbe der Gegenelektroden haben einen Außendurchmesser von 20 mm. Der durch die Membran gebildete äußere Durchmesser des Ringspalts für den Gegenelektrodenelektrolyten beträgt 24 mm. Figur 6 zeigt eine Bilderserie mit verschiedenen Details (grau schattiert) des in COMSOL erstellten digitalen Reaktorzwillings. Based on the experimental results of the preliminary study from Example 3, the average conductivities of a particle bed made of the composite particles described in Example 3 and of a particle bed made of graphite particles with a diameter of approximately 600 pm could be calculated. In addition, the specific surface areas of the respective particle bed and the electrolyte conductivity were measured. Data for the membrane resistance and the specific conductivity of the titanium current leads were taken from literature data. Using the finite element multiphysics software COMSOL 6.0, a detailed three-dimensional simulation model for an electrochemical reaction system constructed according to the invention was then created. The simulated reaction system comprises a working electrode volume of 1 L, which is contacted via an arrangement of 10 expanded metal discs at a distance of 15 mm. The working electrode space has a diameter of 100 mm and a height of 200 mm, of which 160 mm are filled with the particle electrode in the sedimented state. Seven counter electrode modules are immersed within the working electrode volume, a central distribution counter electrode module and six cooling counter electrode modules arranged in a hexagonal pattern. The hollow rods of the counter electrodes have an outer diameter of 20 mm. The outer diameter of the annular gap for the counter electrode electrolyte formed by the membrane is 24 mm. Figure 6 shows a series of images with various details (shaded in grey) of the digital reactor twin created in COMSOL.
Simulationsergebnisse für eine Kaliumhexacyanoferratkonzentration von 30 mM mit einem Partikelbett aus Graphitpartikeln zeigen im Zulauf erreichte Stromdichteverteilungen innerhalb des Reaktors. Die Querschnitte zeigen maximale Stromdichten bis über 250.000 A/m3 und eine gemittelte Stromdichte über 100.000 A/m3. Im Längsschnitt ist zu erkennen, dass die Stromdichte zwischen den Kontaktierungsgittern abfällt. Hieraus lässt sich schließen, dass für den gewählten Typ an Elektrodenpartikeln eine Verringerung des Abstands der Ebenen des Kontaktierungsgitters noch eine weitere Steigerung der mittleren Stromdichte erreichen könnte. Der Querschnitt auf halber Reaktorhöhe zeigt eine relativ homogene Stromdichteverteilung im Reaktorbereich zwischen den Gegenelektrodenmodulen. Im Randbereich des Reaktors treten dreiecksförmige Zonen geringerer Stromdichte auf, diese resultieren aber aus dem Umstand, dass an diesen Stellen kein weiter außen liegendes, zusätzliches Gegenelektrodenmodul existiert. Für ein auf größere Umfänge skaliertes Reaktionssystem mit hexagonalem Gegenelektrodenmuster ist bis auf den Randbereich von der im Inneren gezeigten weitgehend homogenen Stromdichteverteilung auszugehen. Die berechnete mittlere Stromdichte von über 100.000 A/m3 ist für eine zuströmende Eduktkonzentration von nur 30 mM ein sehr guter Wert, der die effiziente Nutzung der hohen spezifischen Oberfläche der Partikelelektrode widerspiegelt. Simulation results for a potassium hexacyanoferrate concentration of 30 mM with a particle bed of graphite particles show the current density distributions achieved in the feed within the reactor. The cross sections show maximum current densities of over 250,000 A/m 3 and an average current density of over 100,000 A/m 3 . In the longitudinal section, it can be seen that the current density drops between the contact grids. From this it can be concluded that for the selected type of electrode particles, a reduction in the distance between the planes of the contact grid could achieve a further increase in the average current density. The cross section at half the reactor height shows a relatively homogeneous current density distribution in the reactor area between the counter electrode modules. In the edge area of the reactor, triangular zones of lower current density occur, but these result from the fact that there is no additional counter electrode module further out at these points. For a reaction system scaled to larger dimensions with a hexagonal counter electrode pattern, the current density is almost the same. The largely homogeneous current density distribution shown in the interior can be assumed in the edge area. The calculated average current density of over 100,000 A/m 3 is a very good value for an incoming reactant concentration of only 30 mM, which reflects the efficient use of the high specific surface area of the particle electrode.
Beispiel 5 Example 5
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Reaktors anhand eines Teilausschnitts eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems, worin über Gegenelektroden im Betrieb als Zustrom- Gegenelektroden (18c) eine interne Zuführung von Arbeitselektrodenelektrolyt in die Arbeitselektrodenkammer und von Gegenelektrodenelektrolyt in den Ringspalt der Gegenelektrode erfolgt. Durch diese interne Zuführung können die entsprechend umgeleiteten Elektrolytlösungen über ausgewählte Zulaufpositionen in das System geführt werden. Durch Umkehrung der Richtung des Elektrolytstroms und die gezielte Auswahl der Durchlaufrichtung kann entsprechend auch eine Abführung von Elektrolytlösung an gezielt ausgewählten Positionen im Reaktor ermöglicht werden, beispielsweise unter Einsatz geeigneter Pumpen und Ventile. Figure 8 shows a schematic representation of another possible embodiment of the reactor according to the invention based on a partial section of an electrode system according to the invention, in which an internal supply of working electrode electrolyte into the working electrode chamber and of counter electrode electrolyte into the annular gap of the counter electrode takes place via counter electrodes in operation as inflow counter electrodes (18c). This internal supply allows the correspondingly diverted electrolyte solutions to be fed into the system via selected inflow positions. By reversing the direction of the electrolyte flow and the targeted selection of the flow direction, a discharge of electrolyte solution at specifically selected positions in the reactor can also be made possible, for example by using suitable pumps and valves.
Im Falle von gleichzeitiger Gaszufuhr bzw. Bildung bietet eine Durchströmung von unten nach oben in den Kammern Vorteile, weswegen eine Ausführung wie in Figur 8 illustriert, besonders geeignet ist, wenn alle äußeren Anschlüsse am oberen Reaktordeckel angeordnet sind. Dann werden die Elektrolyte zunächst durch das Innere von Zustromoder Rückstrom-Gegenelektroden-Hohlstäben in den unteren Bereich des Reaktors geleitet. Dort werden sie dann in die partikelgefüllte Arbeitselektrodenkammer bzw. die Ringspalte der Gegenelektroden verteilt und durchströmen diese von unten nach oben. In the case of simultaneous gas supply or formation, a flow from bottom to top in the chambers offers advantages, which is why a design as illustrated in Figure 8 is particularly suitable if all external connections are arranged on the upper reactor cover. The electrolytes are then first fed through the interior of inflow or return flow counter electrode hollow rods into the lower area of the reactor. There they are then distributed into the particle-filled working electrode chamber or the annular gaps of the counter electrodes and flow through them from bottom to top.
Die übrigen Bauteile in dieser beispielhaften Ausführungsform entsprechen denen des in Beispiel 1 beschriebenen Reaktors. The remaining components in this exemplary embodiment correspond to those of the reactor described in Example 1.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
[1] Elektrodensystem umfassend eine Elektrodenkammer (1) mit [1] Electrode system comprising an electrode chamber (1) with
(a) einer Partikelelektrode (2) umfassend a-i. in dem Volumen der Elektrodenkammer verteilte Elektrodenpartikel (2a) und a-ii. eine oder mehrere Stromzuführungen (7) sowie a-iii. ein oder mehrere leitfähige Elemente (8) wobei die Stromzuführungen (7) und die leitfähigen Elemente (8) in direktem Kontakt miteinander stehen und zusammen eine Anordnung bilden, welche sich durch die Füllhöhe (2b) und die horizontale Ausdehnung (2c) der Elektrodenpartikel in der Elektrodenkammer erstreckt; sowie (a) a particle electrode (2) comprising a-i. electrode particles (2a) distributed in the volume of the electrode chamber and a-ii. one or more power supply lines (7) and a-iii. one or more conductive elements (8), wherein the power supply lines (7) and the conductive elements (8) are in direct contact with one another and together form an arrangement which extends through the filling level (2b) and the horizontal extent (2c) of the electrode particles in the electrode chamber; and
(b) mindestens einer Gegenelektrode (18) umfassend b-i. einen leitfähigen Stab oder Draht (19a), b-ii. eine äußere Ummantelung (19b) die so in einem Abstand zur Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) angeordnet ist, dass b-iii. ein den Stab oder Draht (19a) zirkulär umlaufender Ringspalt (26) zwischen Ummantelung (19b) und Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) gebildet ist, und welcher b-iv. eine Zulauföffnung (13) und eine Ablauföffnung (14) aufweist, durch welche Gegenelektroden-Elektrolytlösung durch den den Stab oder Draht (19a) umgebenden Ringspalt (26) geleitet wird, und b-v. eine elektrische Kontaktierung (9); worin die mindestens eine Gegenelektrode (18) innerhalb der Partikelelektrode (2) angeordnet ist, und worin die sich durch das Partikelbett der Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) Aussparungen (8a) aufweisen, innerhalb derer die Gegenelektroden (18) angeordnet werden. (b) at least one counter electrode (18) comprising b-i. a conductive rod or wire (19a), b-ii. an outer casing (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that b-iii. an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the casing (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a), and which b-iv. has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution is passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a), and b-v. an electrical contact (9); wherein the at least one counter electrode (18) is arranged within the particle electrode (2), and wherein the conductive elements (8) extending through the particle bed of the electrode chamber have recesses (8a) within which the counter electrodes (18) are arranged.
[2] Elektrodensystem gemäß Anspruch 1 , worin zwei oder mehr sich durch die Elektrodenkammer erstreckende leitfähige Elemente (8) vorgesehen sind, welche jeweils parallel zueinander und gleichmäßig in der Elektrodenkammer (1) verteilt angeordnet sind, und worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) in Form von leitfähigen Blechen, Bändern, Drähten, Gittern oder porösen Netzen ausgebildet sind. [2] Electrode system according to claim 1, wherein two or more conductive elements (8) extending through the electrode chamber are provided, which are each arranged parallel to one another and evenly distributed in the electrode chamber (1), and wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are designed in the form of conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets.
[3] Elektrodensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) und die mindestens eine Gegenelektrode (18) so angeordnet sind, dass die mindestens eine Gegenelektrode die Aussparungen (8a) der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) durchdringt und so mit diesen eine dreidimensional ineinandergreifende Anordnung bildet. [3] Electrode system according to claim 1 or 2, wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber and the at least one counter electrode (18) are arranged such that the at least one counter electrode penetrates the recesses (8a) of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber and thus forms a three-dimensionally interlocking arrangement with them.
[4] Elektrodensystem gemäß Anspruch 1 , 2 oder 3, welches mindestens zwei Gegenelektroden (18) in Form eines Hohlstabs (19a) aufweist, wobei [4] Electrode system according to claim 1, 2 or 3, which has at least two counter electrodes (18) in the form of a hollow rod (19a), wherein
(i) mindestens eine Gegenelektrode als Kühl-Gegenelektrode (18a) ausgebildet ist, welche eine Ablaufvorrichtung (10) und eine Zulaufvorrichtung (12) aufweist, durch welche Kühlmittel durch den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab- Gegenelektrode (18a) geleitet wird, und (i) at least one counter electrode is designed as a cooling counter electrode (18a) which has a drain device (10) and an inlet device (12) through which coolant is passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a), and
(ii) mindestens eine Gegenelektrode als Verteil-Gegenelektrode (18b) ausgebildet ist, welche eine Vorrichtung (11 , 20) zum Zu- und Abführen von Elektrodenpartikeln in die Elektrodenkammer über den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab- Gegenelektrode (18b) aufweist, und (ii) at least one counter electrode is designed as a distribution counter electrode (18b) which has a device (11, 20) for supplying and removing electrode particles into the electrode chamber via the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18b), and
(iii) gegebenenfalls mindestens eine Gegenelektrode in Form eines Hohlstabs (19a) mit Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Elektrolytlösung, Gasen oder sonstigen Reaktionslösungen aufweist, welche Ventile, Zu- und Ablauföffnungen (3, 6), Leitungen (30, 32) sowie Kammern zum Verteilen (24) und Sammeln (25), sowie Kopplungsvorrichtungen zum Anschluss an externe Komponenten umfassen können. (iii) optionally has at least one counter electrode in the form of a hollow rod (19a) with devices for the continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions, which may comprise valves, inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25), as well as coupling devices for connection to external components.
[5] Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches mindestens eine Gegenelektrode in Form einer Zustrom- oder Rückstrom-Gegenelektrode (18c) aufweist, welche so ausgestaltet ist, dass eine Zuführung, Rückführung oder Umleitung von Elektrolytlösung innerhalb des Reaktorsystems erfolgt. [5] Electrode system according to one of claims 1 to 4, which has at least one counter electrode in the form of an inflow or return flow counter electrode (18c), which is designed such that a supply, return or diversion of electrolyte solution takes place within the reactor system.
[6] Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Gegenelektroden (18) gleichmäßig und symmetrisch innerhalb der Partikelelektrode (2) verteilt angeordnet werden. [6] Electrode system according to one of claims 1 to 5, wherein the counter electrodes (18) are arranged evenly and symmetrically distributed within the particle electrode (2).
[7] Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) so dimensioniert sind, dass sie sich über die gesamte Querschnittsfläche bis zu den Rändern der Elektrodenkammer (1) erstrecken und worin die Aussparungen (8a) so ausgestaltet sind und so in den Elementen (8) positioniert sind, dass jeweils parallel zueinander angeordnete Elemente[7] Electrode system according to one of claims 1 to 6, wherein the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are dimensioned such that they extend over the entire cross-sectional area up to the edges of the electrode chamber (1) and wherein the recesses (8a) are designed and positioned in the elements (8) such that elements arranged parallel to one another
(8) parallel zueinander positionierte Aussparungen (8a) aufweisen, durch die die Gegenelektroden in die Elektrodenkammer (1) eingebracht werden und dabei von den leitfähigen Elementen (8) zirkulär umschlossen werden. (8) have recesses (8a) positioned parallel to one another, through which the counter electrodes are introduced into the electrode chamber (1) and are thereby circularly enclosed by the conductive elements (8).
[8] Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Ummantelung (19b) der Gegenelektroden (18) aus Materialien gebildet ist, die den Durchtritt von Ladung ermöglichen und den Durchtritt und das Eindringen von Elektrodenpartikeln (2a) in den Ringspalt (26) verhindern, bevorzugt ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend mikro- oder nanoporöse Polymernetze und Membranen, sowie lonenaustauschermembranen. [8] Electrode system according to one of claims 1 to 7, wherein the sheath (19b) of the counter electrodes (18) is formed from materials which allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26), preferably selected from the group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes.
[9] Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, worin mindestens eine Gegenelektrode in Form einer Verteil-Gegenelektrode (18b) ausgestaltet ist, welche ein nichtleitendes Verteilstück (29) und Zu- und Abführvorrichtungen (11 , 20) zum Austausch von Elektrodenpartikeln zwischen Partikelelektrode und hohlem Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) aufweist, worin das Verteilstück (29) der Verteil- Gegenelektrode (18b) bevorzugt so ausgebildet ist, dass mehrere separate Teilkanäle (32) in Form separater Teilsegmente des Ringspalts den Durchfluss des Gegenelektroden-Elektrolyts durch den Ringspalt (26) ermöglichen und zwischen diesen Teilkanälen Öffnungen (20) vorgesehen sind, die den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) mit der Partikelelektrode verbinden und durch welche die Elektrodenpartikel zwischen dem Innenbereich der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der Partikelelektrode ausgetauscht werden können. [9] Electrode system according to one of claims 1 to 8, wherein at least one counter electrode is designed in the form of a distribution counter electrode (18b) which has a non-conductive distribution piece (29) and supply and discharge devices (11, 20) for exchanging electrode particles between the particle electrode and the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b), wherein the distribution piece (29) of the distribution counter electrode (18b) is preferably designed such that several separate partial channels (32) in the form of separate partial segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these partial channels which connect the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) to the particle electrode and through which the electrode particles can be exchanged between the inner region of the distribution counter electrode (18b) and the particle electrode.
[10] Partikelelektrode (2) umfassend in einem Gehäuse (1a) Elektrodenpartikel (2a) dispergiert in einer Arbeits- Elektrolytlösung, und eine oder mehrere Stromzuführungen (7) und ein oder mehrere leitfähige Elemente (8) welche eine oder mehrere Aussparungen (8a) aufweisen innerhalb derer Gegenelektroden (18) angeordnet werden können, wobei die Stromzuführungen (7) und die leitfähigen Elemente (8) in direktem Kontakt miteinander stehen und zusammen eine Anordnung bilden, welche sich durch die Füllhöhe (2b) und die horizontale Ausdehnung (2c) der Elektrodenpartikel-Dispersion in der Elektrodenkammer erstreckt, wobei die Partikelelektrode außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen kann: [10] Particle electrode (2) comprising in a housing (1a) electrode particles (2a) dispersed in a working electrolyte solution, and one or more power supply lines (7) and one or more conductive elements (8) which have one or more recesses (8a) within which counter electrodes (18) can be arranged, wherein the power supply lines (7) and the conductive elements (8) are in direct contact with one another and together form an arrangement which extends through the filling level (2b) and the horizontal extent (2c) of the electrode particle dispersion in the electrode chamber, wherein the particle electrode can also have one or more of the following features:
■ in der Partikelelektrode sind zwei oder mehr der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) vorgesehen und diese sind jeweils parallel zueinander und gleichmäßig in der Elektrodenkammer (1) verteilt angeordnet; ■ in the particle electrode, two or more of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are provided and these are arranged parallel to one another and evenly distributed in the electrode chamber (1);
■ die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind in Form von leitfähigen Blechen, Bändern, Drähten, Gittern oder porösen Netzen ausgebildet; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are in the form of conductive sheets, strips, wires, grids or porous nets;
■ die sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind so angeordnet, dass bei Einbringung von mindestens einer Gegenelektrode innerhalb der Aussparungen (8a) der sich durch die Elektrodenkammer erstreckenden leitfähigen Elemente (8) die mindestens eine Gegenelektrode mit diesen eine dreidimensional ineinandergreifende Anordnung bildet; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode chamber are arranged such that when at least one counter electrode is introduced within the recesses (8a) of the conductive elements (8) extending through the electrode chamber, the at least one counter electrode forms a three-dimensionally interlocking arrangement with these;
■ die sich durch die Elektrodenpartikel-Dispersion erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind in Form von leitfähigen Gittern oder porösen Netzen ausgebildet welche für die Elektrodenpartikel (2a) durchlässig sind; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are designed in the form of conductive grids or porous nets which are permeable to the electrode particles (2a);
■ die sich durch die Elektrodenpartikel-Dispersion erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind in Form von leitfähigen Gittern oder porösen Netzen ausgebildet, welche eine Maschenweite aufweisen, die ein Vielfaches der Größe der Elektrodenpartikel (2a) beträgt; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are designed in the form of conductive grids or porous nets, which have a have a mesh size which is a multiple of the size of the electrode particles (2a);
■ die sich durch die Elektrodenpartikel-Dispersion erstreckenden leitfähigen Elemente (8) sind so dimensioniert, dass sie sich über die gesamte Querschnittsfläche bis zu den Rändern des Gehäuses (1a) erstrecken und weisen Aussparungen (8a) auf, vorzugsweise kreisförmige Aussparungen, die so in den Elementen (8) positioniert sind, dass jeweils parallel zueinander angeordnete Elemente (8) parallel zueinander positionierte Aussparungen (8a) aufweisen, durch die Gegenelektroden, vorzugsweise stabförmige Gegenelektroden, besonders bevorzugt solche in Form eines Hohlstabs, in das Gehäuse (1a) eingesetzt werden und damit von den leitfähigen Elementen (8) zirkulär umschlossen werden; ■ the conductive elements (8) extending through the electrode particle dispersion are dimensioned such that they extend over the entire cross-sectional area up to the edges of the housing (1a) and have recesses (8a), preferably circular recesses, which are positioned in the elements (8) such that elements (8) arranged parallel to one another each have recesses (8a) positioned parallel to one another, through which counter electrodes, preferably rod-shaped counter electrodes, particularly preferably those in the form of a hollow rod, are inserted into the housing (1a) and are thus circularly enclosed by the conductive elements (8);
■ die Partikelelektrode ist als Fluidbett-Partikelelektrode oder als Festbett- Partikelelektrode ausgebildet; ■ the particle electrode is designed as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode;
■ die Elektrodenpartikel weisen einen Durchmesser von 5 bis 5.000 pm, bevorzugt 100 bis 1.000 pm auf; ■ the electrode particles have a diameter of 5 to 5,000 pm, preferably 100 to 1,000 pm;
■ die Elektrodenpartikel weisen auf ihrer Oberfläche immobilisierte katalytisch aktive Funktionalitäten auf; ■ the electrode particles have catalytically active functionalities immobilized on their surface;
■ die Elektrodenpartikel weisen magnetische Eigenschaften auf. ■ the electrode particles have magnetic properties.
[11] Gegenelektrode (18) umfassend einen leitfähigen Stab oder Draht (19a), welcher in Form eines Hohlstabs ausgebildet ist, eine äußere isolierende Ummantelung (19b) die so in einem Abstand zur Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) angeordnet ist, dass ein den Stab oder Draht (19a) zirkulär umlaufender Ringspalt (26) zwischen Ummantelung (19b) und Außenfläche des Stabs oder Drahts (19a) gebildet ist, und welcher eine Zulauföffnung (13) und eine Ablauföffnung (14) aufweist, durch welche Gegenelektroden-Elektrolytlösung durch den den Stab oder Draht (19a) umgebenden Ringspalt (26) geleitet werden kann, sowie eine elektrische Kontaktierung (9), wobei die Gegenelektrode außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen kann: die Ummantelung (19b) ist aus Materialien gebildet, die den Durchtritt von Ladung ermöglichen und den Durchtritt und das Eindringen von Elektrodenpartikeln (2a) in den Ringspalt (26) verhindern, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend mikro- oder nanoporöse Polymernetze und Membranen, sowie lonenaustauschermembranen; sie weist außerdem Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Gegenelektroden-Elektrolyt durch den Ringspalt (26) auf, welche Zu- und Ablauföffnungen (3, 6), Leitungen (30, 32) sowie Kammern zum Verteilen (24) und Sammeln (25) umfassen können; sie weist Vorrichtungen zum kontinuierlichen Durchfluss von Elektrolytlösung, Gasen oder sonstigen Reaktionslösungen auf, welche Ventile, Zu- und Ablauföffnungen (3, 6), Leitungen (30, 32) sowie Kammern zum Verteilen (24) und Sammeln (25), sowie Kopplungsvorrichtungen zum Anschluss an externe Komponenten umfassen können. [11] Counter electrode (18) comprising a conductive rod or wire (19a) which is designed in the form of a hollow rod, an outer insulating sheath (19b) which is arranged at a distance from the outer surface of the rod or wire (19a) such that an annular gap (26) which runs circularly around the rod or wire (19a) is formed between the sheath (19b) and the outer surface of the rod or wire (19a), and which has an inlet opening (13) and an outlet opening (14) through which counter electrode electrolyte solution can be passed through the annular gap (26) surrounding the rod or wire (19a), and an electrical contact (9), wherein the counter electrode can also have one or more of the following features: the sheath (19b) is made of materials which allow the passage of charge and prevent the passage and penetration of electrode particles (2a) into the annular gap (26), preferably selected from the Group comprising micro- or nanoporous polymer networks and membranes, as well as ion exchange membranes; it also has devices for the continuous flow of counter electrode electrolyte through the annular gap (26), which can comprise inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25); it has devices for the continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions, which can comprise valves, inlet and outlet openings (3, 6), lines (30, 32) and chambers for distribution (24) and collection (25), as well as coupling devices for connection to external components.
[12] Gegenelektrode gemäß Anspruch 11 , welche in Form einer Kühl-Gegenelektrode (18a) ausgebildet ist und eine Ablaufvorrichtung (10) und eine Zulaufvorrichtung (12) aufweist, durch welche Kühlmittel durch den hohlen Innenbereich (27) der Hohlstab-Gegenelektrode (18a) geleitet werden kann, und/oder welche in Form einer Verteil-Gegenelektrode (18b) ausgebildet ist und ein nichtleitendes Verteilstück (29) und eine Vorrichtung zum Zu- und Abführen (11 , 20) von Elektrodenpartikeln über den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) aufweist, und worin bevorzugt das Verteilstück (29) so ausgebildet ist, dass mehrere separate Teilkanäle (32) in Form separater Teilsegmente des Ringspalts den Durchfluss des Gegenelektroden-Elektrolyts durch den Ringspalt (26) ermöglichen und zwischen diesen Teilkanälen Öffnungen (20) vorgesehen sind, die den hohlen Innenbereich (27) der Verteil-Gegenelektrode (18b) mit der äußeren Umgebung verbinden und durch welche Elektrodenpartikel zwischen Innenbereich der Verteil-Gegenelektrode (18b) und der äußeren Umgebung ausgetauscht werden können. [12] Counter electrode according to claim 11, which is designed in the form of a cooling counter electrode (18a) and has a drain device (10) and an inlet device (12) through which coolant can be passed through the hollow inner region (27) of the hollow rod counter electrode (18a), and/or which is designed in the form of a distribution counter electrode (18b) and has a non-conductive distributor piece (29) and a device for supplying and removing (11, 20) electrode particles via the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b), and wherein preferably the distributor piece (29) is designed such that several separate partial channels (32) in the form of separate partial segments of the annular gap enable the counter electrode electrolyte to flow through the annular gap (26) and openings (20) are provided between these partial channels, which open the hollow inner region (27) of the distribution counter electrode (18b) with the external environment and through which electrode particles can be exchanged between the interior of the distribution counter electrode (18b) and the external environment.
[13] Reaktor umfassend das Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, eine Partikelelektrode gemäß Anspruch 10, eine oder mehrere der Gegenelektroden gemäß Anspruch 11 oder 12 oder Kombinationen davon, wobei der Reaktor außerdem außerhalb des Elektrodengehäuses Magnete aufweisen kann, die das Anlegen von Magnetfeldern in der Partikelelektrode ermöglichen. [13] Reactor comprising the electrode system according to one of claims 1 to 9, a particle electrode according to claim 10, one or more of the counter electrodes according to claim 11 or 12 or combinations thereof, wherein the reactor may further comprise magnets outside the electrode housing which enable the application of magnetic fields in the particle electrode.
[14] Verwendung des Elektrodensystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, einer Partikelelektrode gemäß Anspruch 10, einer oder mehrerer der Gegenelektroden gemäß Anspruch 11 oder 12 und/oder des Reaktors gemäß Anspruch 13 in elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Verfahren umfassend elektrochemische Reaktions- und Syntheseverfahren, elektroenzymatische Reaktions- und Syntheseverfahren, elektromikrobielle Reaktions- und Syntheseverfahren. [14] Use of the electrode system according to one of claims 1 to 9, a particle electrode according to claim 10, one or more of the counter electrodes according to claim 11 or 12 and/or the reactor according to claim 13 in electrochemical or electrobiotechnological processes comprising electrochemical reaction and synthesis processes, electroenzymatic reaction and synthesis processes, electromicrobial reaction and synthesis processes.
[15] Verfahren zum kontinuierlichen Betrieb eines elektrochemischen oder elektrobiotechnologischen Reaktors, umfassend [15] A method for the continuous operation of an electrochemical or electrobiotechnological reactor, comprising
(A) die Bereitstellung eines Reaktors gemäß Anspruch 13 mit einem Elektrodensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; (A) providing a reactor according to claim 13 having an electrode system according to any one of claims 1 to 9;
(B) Beschickung der Partikelelektrode (2) des Elektrodensystems zum Betrieb als Fluidbett-Partikelelektrode oder als Festbett-Partikelelektrode, (C) kontinuierliches oder zyklisches Pumpen einer Kühllösung aus einem externen Kühlwassersystem durch als Kühl-Gegenelektroden (18a) ausgestaltete Gegenelektroden des Elektrodensystems zur Temperaturkontrolle im Elektrodenraum;(B) feeding the particle electrode (2) of the electrode system for operation as a fluid bed particle electrode or as a fixed bed particle electrode, (C) continuous or cyclic pumping of a cooling solution from an external cooling water system through counter electrodes of the electrode system designed as cooling counter electrodes (18a) for temperature control in the electrode chamber;
(D) zyklischer oder kontinuierlicher Austausch von Gegenelektroden-Elektrolyt durch den Ringspalt (26) der Gegenelektroden (18); (D) cyclic or continuous exchange of counter electrode electrolyte through the annular gap (26) of the counter electrodes (18);
(E) bei Bedarf Austausch der Elektrodenpartikel (2a) im Elektrodensystem durch(E) if necessary, replacement of the electrode particles (2a) in the electrode system by
Drosseln oder Schließen der Ablaufvorrichtung (4) der Reaktionslösung der Partikelelektrode und Throttling or closing the drain device (4) of the reaction solution of the particle electrode and
Öffnen der Zu- und Abführvorrichtung (11) der Verteil-Gegenelektrode (18b) und einströmen lassen von Reaktionslösung über die Zulaufvorrichtungen (5, 15) durch die Öffnung (20) des Verteilstücks (29) in das Innere der Verteil-Gegenelektrode (18b) und Opening the supply and discharge device (11) of the distribution counter electrode (18b) and allowing reaction solution to flow via the supply devices (5, 15) through the opening (20) of the distributor piece (29) into the interior of the distribution counter electrode (18b) and
- Abführen der mitgerissenen Elektroden-Partikel über die Zu- und Abführvorrichtung (11) aus dem Reaktor, anschließend Zuführung frischer Elektrodenpartikel in den Reaktor über die Zu- und Abführvorrichtung (11) in das Innere der Verteil-Gegenelektrode (18b) und durch die Öffnung (20) in die Partikelelektrode, gegebenenfalls kontinuierlicher Durchfluss von Elektrolytlösung, Gasen oder sonstigen Reaktionslösungen durch eine oder mehrere der als Hohlkörper ausgebildeten Gegenelektroden, wobei der Austausch der Elektrodenpartikel bei laufendem Reaktorbetrieb erfolgt. - Removal of the entrained electrode particles from the reactor via the feed and discharge device (11), then feeding fresh electrode particles into the reactor via the feed and discharge device (11) into the interior of the distribution counter electrode (18b) and through the opening (20) into the particle electrode, if necessary continuous flow of electrolyte solution, gases or other reaction solutions through one or more of the counter electrodes designed as hollow bodies, whereby the exchange of the electrode particles takes place while the reactor is in operation.
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3180810A (en) 1961-07-31 1965-04-27 Standard Oil Co Electrolytic cell and method of operation
FR1445756A (en) 1965-06-16 1966-07-15 Shell Int Research Method and apparatus for the electrolytic preparation of chemical compounds
US3287249A (en) 1962-08-31 1966-11-22 Nalco Chemical Co Electrochemical cell for the production of organo metallic compounds
GB1048987A (en) * 1962-08-31 1966-11-23 Nalco Chemical Co Electrochemical cell
US3392093A (en) * 1964-06-23 1968-07-09 Du Pont Electrolytic process for producing tetraalkyl lead compounds
US4016044A (en) 1973-01-10 1977-04-05 Battelle Memorial Institute Method and apparatus for governing the reaction rate of enzymatic reactions
US4177116A (en) * 1977-06-30 1979-12-04 Oronzio DeNora Implanti Elettrochimici S.p.A. Electrolytic cell with membrane and method of operation
US4183792A (en) 1979-02-16 1980-01-15 Amax Inc. Method and cell for electrolytic oxidation of Ni(OH)2 with stationary bed electrode
US4206020A (en) 1966-05-24 1980-06-03 National Research Development Corporation Electrochemical process using a fluidized electrode
EP0171478A2 (en) 1984-07-16 1986-02-19 CHLORINE ENGINEERS CORP., Ltd. Electrolyzing process and electrolytic cell employing fluidized bed
US5879522A (en) * 1997-08-22 1999-03-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Electrolysis cell
DE102014112685A1 (en) * 2014-09-03 2016-03-03 Dechema Forschungsinstitut Stiftung Bürgerlichen Rechts Process for the microbiological-electrochemical synthesis of chemical substances by electroactive microorganisms
CN207596570U (en) 2018-04-04 2018-07-10 湖南大学 Three-diemsnional electrode coupling microorganism electrolysis cell processing ammonia nitrogen waste water recycling ammonia device
WO2023094503A1 (en) 2021-11-26 2023-06-01 Paqell B.V. A process to treat a carbon dioxide comprising gas

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3180810A (en) 1961-07-31 1965-04-27 Standard Oil Co Electrolytic cell and method of operation
US3287249A (en) 1962-08-31 1966-11-22 Nalco Chemical Co Electrochemical cell for the production of organo metallic compounds
GB1048987A (en) * 1962-08-31 1966-11-23 Nalco Chemical Co Electrochemical cell
US3392093A (en) * 1964-06-23 1968-07-09 Du Pont Electrolytic process for producing tetraalkyl lead compounds
FR1445756A (en) 1965-06-16 1966-07-15 Shell Int Research Method and apparatus for the electrolytic preparation of chemical compounds
US4206020A (en) 1966-05-24 1980-06-03 National Research Development Corporation Electrochemical process using a fluidized electrode
US4016044A (en) 1973-01-10 1977-04-05 Battelle Memorial Institute Method and apparatus for governing the reaction rate of enzymatic reactions
US4177116A (en) * 1977-06-30 1979-12-04 Oronzio DeNora Implanti Elettrochimici S.p.A. Electrolytic cell with membrane and method of operation
US4183792A (en) 1979-02-16 1980-01-15 Amax Inc. Method and cell for electrolytic oxidation of Ni(OH)2 with stationary bed electrode
EP0171478A2 (en) 1984-07-16 1986-02-19 CHLORINE ENGINEERS CORP., Ltd. Electrolyzing process and electrolytic cell employing fluidized bed
US5879522A (en) * 1997-08-22 1999-03-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Electrolysis cell
DE102014112685A1 (en) * 2014-09-03 2016-03-03 Dechema Forschungsinstitut Stiftung Bürgerlichen Rechts Process for the microbiological-electrochemical synthesis of chemical substances by electroactive microorganisms
CN207596570U (en) 2018-04-04 2018-07-10 湖南大学 Three-diemsnional electrode coupling microorganism electrolysis cell processing ammonia nitrogen waste water recycling ammonia device
WO2023094503A1 (en) 2021-11-26 2023-06-01 Paqell B.V. A process to treat a carbon dioxide comprising gas

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI, H. T ET AL.: "Three-dimensional particle electrode ystem treatment of organic wastewater: A general review based on patents", JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION, 2021, pages 308
TSCHÖPE, A. ET AL.: "A magnetically induced fluidized-bed reactor for intensification of electrochemical reactions", CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL, vol. 385, 2020
TSCHÖPE, A. ET AL.: "Electrical conductivity of magnetically stabilized fluidized-bed electrodes - Chronoamperometric and impedance studies", CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL, 2020, pages 396
TSCHÖPE, AM. FRANZREB: "Influence of non-conducting suspended solids onto the efficiency of electrochemical reactors using fluidized bed electrodes", CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL, 2021, pages 424

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