Numerieke simulatie van het massatransport in geconcentreerde elektrochemische systemen gebaseerd op de gemiddelde bolbenadering

PROBLEEMSTELLING EN DOELSTELLING
Industriële elektrolytoplossingen zijn doorgaans matig tot sterk geconcentreerd. Dit heeft als gevolg dat de vereenvoudigde fluxvergelijkingen op basis van het model van de oneindig verdunde oplossing niet meer gelden en dat vele industriële processen dus niet nauwkeurig worden gesimuleerd. De onvereenvoudigde fluxvergelijkingen moeten worden gebruikt, maar deze hebben als nadeel dat ze meer parameters (diffusie- en activiteitscoëfficiënten) bevatten die vaak niet gekend zijn. Het model van de gemiddelde bolbenadering laat toe om deze parameters te berekenen, uitgaande van de effectieve diameters van de ionen in de oplossing. De uitdrukkingen voor deze parameters zijn ingewikkelde functies van de concentraties.
De doelstelling van dit project is om het model van de gemiddelde bolbenadering te koppelen aan een simulatieprogramma. Deze nieuwe aanpak zal worden gevalideerd aan de hand van metingen in twee goed gekarakteriseerde elektrochemische systemen. Voortaan kunnen dan ook vele andere industriële elektrochemische systemen worden aangepakt. Verder wordt nagegaan of met dit model ook lokaal verzadigde systemen, waar de concentraties de geldigheid van de gemiddelde bolbenadering overschrijden dicht bij de elektrode, op redelijke wijze kunnen worden gesimuleerd.

METHODIEK EN TECHNOLOGIE
Het realiseren van de doelstellingen gebeurt in 5 werkpakketten. De eerste 3 werkpakketten hebben betrekking op het opzetten van het simulatieprogramma. De laatste 2 werkpakketten beogen de validering van deze nieuwe aanpak en de toepasbaarheid ervan.
In werkpakket 1 wordt een procedure uitgewerkt die de diffusie- en activiteitscoëfficiënten berekent op basis van de gemiddelde bolbenadering. Meteen zal deze procedure worden gecontroleerd door een vergelijking te maken met literatuurgegevens en door conductiviteitsmetingen. De omslachtige uitdrukkingen voor de diffusie- en activiteitscoëfficiënten zitten gecombineerd in de factoren die verschijnen in de onvereenvoudigde fluxvergelijkingen. Daarom worden in werkpakket 2 werkbare uitdrukkingen opgesteld voor deze factoren. In werkpakket 3 wordt een state-of-the-art (Fluctuatieverdeling) simulatieprogramma uitgerust met de onvereenvoudigde fluxvergelijkingen en getest. De validering van de nieuwe aanpak gebeurt in werkpakket 4 door de gesimuleerde responsen van de elektrodepositie van koper en van de reductie van ferricyanide ionen te vergelijken met de gemeten responsen. Dit telkens voor sterk verschillende concentraties. In werkpakket 5 wordt de toepasbaarheid van het model nagegaan in lokaal verzadigde systemen, namelijk het elektrochemisch verspanen van Fe in NaNO3-oplossingen en het wisselstroom elektrochemisch etsen van Al in HCl-oplossingen.

SAMENWERKING
Het doctoraatsonderzoek wordt uitgevoerd binnen de vakgroep Elektrotechniek en Energietechniek aan de VUB die voor numerieke aspecten samenwerkt met het von Karman Instituut voor stromingsmechanica. Voor de metingen van het wisselstroom elektrochemisch etsen van Al wordt samengewerkt met de vakgroep Metallurgie, Elektrochemie en Materialenkennis aan de VUB. Voor de metingen van het elektrochemisch verspanen van Fe wordt samengewerkt met het Institut für Physikalische Chemie aan de Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.