Karbondioksitin indirgenmesinde bir elektrolizör ve bipolar elektrokimyasal hücre tasarımı

Abstract

Karbondioksit (CO2), fosil yakıtların oksidasyonu sonucu oluşan, atıl bir gazdır. Daha genel bir ifadeyle karbon içeren bileşiklerin son yükseltgenme ürünüdür. Sanayi devriminden sonra fosil yakıtların kullanımının artması sonucu, atmosferdeki CO2 miktarı yüksek seviyelere çıkmıştır. Artan CO2 miktarının hem çevre kirliliğine hem de sahip olduğu sera gazı etkisi nedeniyle küresel ısınmaya neden olduğu belirtilmektedir.Gaz halindeyken kullanımı sınırlı olan karbondioksit, indirgendiğinde kullanılabilir bileşiklere dönüşebilmektedir. Fotosentez, bu dönüşümün doğadaki en tipik örneklerdendir. Değişik yöntemlerin (elektrokimyasal, fotokimyasal, hidrojenasyon, sonokimyasal) uygulanması sonucu, karbondioksiti laboratuar şartlarında indirgemek mümkün olmaktadır. 1980' lerden itibaren karbondioksitin indirgenmesi ilgi odağı olmuş ve farklı yöntemlerle karbondioksit indirgenmeye çalışılmıştır. Bu yöntemler arasında elektrokimyasal indirgemenin en etkili yöntem olduğu belirtilmiştir.Elektrokimyasal indirgeme her ne kadar en etkin yöntem olsa da bir prosesin uygulanabilir olması da büyük önem taşır. Üretim hızı/kapasite pratikte en önemli parametrelerden birisidir. Dolayısıyla üretim sisteminin sürekli çalışıyor (continuous) olması büyük önem taşır. Ancak bilindiği kadarıyla karbondioksitin elektrokimyasal indirgenmesinde henüz sürekli çalışan bir sistem yoktur. Elektrokimyasal reaksiyonlar için tasarlanan sürekli çalışan sistemlerde (elektrolizörler) genellikle bipolar veya monopolar hücreler kullanılır. Bu çalışma kapsamında da bu konuya önem verilmiş ve önce sürekli çalışan bir elektrolizörün tasarımı gerçekleştirilmiştir.Tasarımı gerçekleştirilen elektrolizörle yapılan incelemelerin sonucunda formik asit tek ürün olarak tespit edilmiştir. Artan hücre sayısına bağlı olarak, hem sistemden geçen akım hem de ürün miktarında doğrusal bir artış olduğu görülmüştür. Zamana bağlı yapılan elektrolizler sonucu, 300 dakikadan sonra ürün miktarında bir değişiklik olmadığı ve 300 dakika sonunda 4 hücreli monopolar sistemde yaklaşık 17 mmol formik asit oluştuğu görülmüştür.

Carbon dioxide is an inert gas that is produced by oxidation of fossil fuels. With a more general statement, it is the final oxidation product of carbon-containing compounds. After the industrial revolution, as a result of the increasing use of fossil fuels, the amount of CO2 in the atmosphere increased to high levels. It is suggested that the increasing amount of CO2 causes both environmental pollution and global warming due to its green gas effect.Carbon dioxide has limited usage in gas phase and can be turned into useable compounds when reduced. Photosynthesis is one of the typical examples of this transformation in nature. It has been possible to reduce the carbon dioxide in laboratory conditions with various methods (electrochemical, photochemical, hydrogenation and sonochemical). The reduction of carbon dioxide has been the center of interest since 1980 and carbon dioxide is tried to be reduced with different methods. It has been pointed out that electrochemical reduction is the most effective method among these methods.Although electrochemical reduction is the most effective method, it has a great importance that a process is applicable. Production rate/capacity is one of the most important parameters. Hence, it is important that the production system is running continuously. However, as known, there is not any continuous system in electrochemical reduction of carbon dioxide yet. Bipolar and monopolar cells are usually used in continuous systems that designed for electrochemical reactions (electrolysers). In this study, the attention was paid for this issue and an electrolyser system that work continuously was designed.Formic acid was detected as the only product as a result of the investigations. Both the current passed through the system and the amount of product was increased linearly depending on the increased cell quantity. As a result of the time-based electrolysis, the amount of product was remained constant after 300 minutes and 17 mmol of formic acid was detected after 300 minutes with 4-cells monopolar system.