Experimental and model-based study of gas-liquid-solid flows in pH-shift electrolyzers

Görtz, Jonas Tim; Jupke, Andreas; Hlawitschka, Mark

doi:44590

Experimental and model-based study of gas-liquid-solid flows in pH-shift electrolyzers = Experimentelle und modellgestützte Untersuchung von Gas-flüssig-Fest Strömungen in pH-Shift Elektrolyseuren

Görtz, Jonas Tim^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jonas Tim Görtz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Verfahrenstechnik - Fluidverfahrenstechnik - Dissertationen ; 17

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jupke, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Hlawitschka, Mark (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07292
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017302/files/1017302.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (416310)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Euler-Lagrange (frei) ; electrolyzer (frei) ; gas-liquid flow (frei) ; gas-liquid-solid flow (frei) ; oxygen evolution reaction (frei) ; pH-shift (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Einsatz von elektrochemischen pH-Shift-Trenntechniken stellt eine vielversprechende Alternative für das konventionelle pH-Management durch Additive im Kontext der Kreislaufwirtschaft dar. Durch die Abkehr von fossilen Kohlenstoffquellen kommt dem pH-Management bei z.B. biotechnologischen Herstellungsprozessen sowie in Recyclingprozessen von Carbonsäuren eine zentrale Rolle zu, da während der Aufarbeitung meist wässrige Ströme prozessiert werden. Dabei werden gezielt die Eigenschaften der unterschiedlichen Säurespezies genutzt, um Trennoperationen zu ermöglichen. Zum Beispiel nutzt die elektrochemische Kristallisation die niedrigere Löslichkeit der vollständig protonierten Säurespezies, um eine reaktiv pH-Shift-Kristallisation durchzuführen. Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte Studie der Fluiddynamik in pH-Shift-Elektrolyseuren. Hierfür wird zunächst experimentell die Größe und Geschwindigkeit von elektrolytisch erzeugten Sauerstoff- wie Wasserstoffgasblasen vermessen sowie die örtlich aufgelöste Strömung des Elektrolyten. Hierbei kommt ein eigens für diesen Zweck entwickelter semitransparenter Elektrolyseur zum Einsatz, der neue Einblicke in die Gas-Flüssig-Strömung ermöglicht. Als Nächstes wird ein neues Euler-Lagrange-Modell für die Simulation der Fluiddynamik der Gas-Flüssig-Strömung vorgeschlagen, das die Aufweitung des Gasblasenvorhangs vor der Elektrode mittels Blasen-Blasen-Kollisionen abbilden kann. Für dieses implementierte Modell werden nachfolgend mittels einer Sensitivitätsstudie geeignete Modellparameter für z.B. Gittergröße, Widerstandsbeiwert und Kollisionsmodell ausgewählt. Mit diesen Simulationsparametern wird anschließend der neuartige Elektrolyseur simuliert und das Modell mit experimentellen Daten validiert. Abschließend lässt sich mithilfe des Modells eine Analyse eines neuen Prototyps für die elektrochemische Kristallisation von Carbonsäuren durchführen. Hierbei lässt sich der Einfluss von unterschiedlichen Stromstärken und Elektrolytvolumenströmen auf das Strömungsprofil und die räumliche Verteilung der Gasblasen untersuchen. Des Weiteren können durch die Simulation der Anoden- und Dissoziationsreaktionen die Konzentrations-, pH- sowie Übersättigungsprofile ermittelt werden. Durch die modelltechnische Analyse lassen sich hier kritische Totzonen sowie der Einfluss unterschiedlicher Elektrodenabstände untersuchen und deren Einfluss auf die maximale lokale Übersättigung quantifizieren. Zukünftig ermöglicht die in dieser Arbeit etablierte modellgestützte Analyse die Bewertung sowie Entwicklung neuer Prototypen-Designs für die elektrochemische Kristallisation.

In the context of the circular economy, electrochemical pH shift techniques offer a promising alternative to conventional pH management methods that rely on additives. The transition away from fossil carbon sources leads to pH management playing a central role in processes such as biotechnological production and recycling processes for carboxylic acids, as aqueous streams require processing. The properties of the different acid species, which depend on the pH value, are specifically utilized to enable their separation. For example, electrochemical crystallization takes advantage of the lower solubility of the fully protonated acid species to perform reactive pH shift crystallization. This work presents a detailed study of fluid dynamics in electrochemical separation units. For this purpose, the size and velocity of electrolytically generated oxygen and hydrogen gas bubbles and the spatially resolved, qualitative flow of the electrolyte are measured experimentally. For this purpose, a specially developed semi-transparent electrolyzer is used, which provides new insights into the gas-liquid flow. Next, based on the state of the art, a new Euler-Lagrangian model for the simulation of the fluid dynamics of the gas-liquid flow is proposed, which depicts the expansion of the gas bubble curtain through bubble-bubble collisions. For this implemented model, suitable parameters, e.g., grid size, drag coefficient, and collision model, are selected through a sensitivity study. These simulation parameters are then used to simulate the novel electrolysis apparatus, and the model is validated with experimental data. Finally, the model can be used to analyze a new prototype for the electrochemical crystallization of carboxylic acids. Here, the influence of different current densities and electrolyte volume flows on the flow profile and spatial distribution of the gas bubbles can be investigated. Furthermore, the acid species concentration, pH, and supersaturation profiles can be determined by simulating the anodic and dissociation reactions. This model-based analysis enables the identification of dead zones and the study of different electrode-membrane gaps, quantifying their influence on the maximum local supersaturation. In the future, the model-based analysis established in this work enables the evaluation and development of new prototype designs for electrochemical crystallization.

OpenAccess:
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