Distributions du potentiel et de la densité de courant dans les électrodes fluidisées en présence de réactions multiples

Laboratoire des Sciences du Génie Chimique, CNRS-ENSIC-INPL, 1, rue Grandville, 54042 Nancy Cedex, France.

Résumé

Cet article présente les plus récents résultats concernant la simulation du comportement des électrodes poreuses à circulation forcée de l'électrolyte.

On présente plus particulièrement les principes de la modélisation fondée sur l’assimilation du milieu poreux réel à deux phases pseudo-continues et sur l'écriture des bilans de conservation de la charge électrique et de la matière, dans le cas général où des lois cinétiques mixtes électrochimique/physique caractérisent les diverses réactions électrochimiques se produisant simultanément à l'électrode de travail.

La confrontation avec les résultats expérimentaux relatifs à la récupération de cuivre à partir de solutions acides diluées permet de valider la modélisation proposée.

Abstract

The operating selectivity of a porous electrode with forced electrolyte circulation depends especially on the control of the maximum range of variations of the electrochemical overvoltage inside the electrode.

In this article, we propose a general model capable of predicting the spatial distributions of the electrode potential, the electrochemical overvoltage, the current density and the concentrations of the electro-active species, and allowing the fixing of the optimal operating conditions of a fluidized-bed cell.

The electric charge balance together with the mass balance for the dissolved ionic species form a system of non-linear differential equations. The solution of these equations may be simplified by assuming the electrode to be represented by a series of CSTR's.

The main hypotheses underlying the model are as follows :

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  the porous electrode may be represented by two pseudo-continuous phases each having a different electrical conductivity;

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  the kinetics of the various electrochemical reactions occurring in the cell may be expressed in the form of Butler-Volmer type equations;

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  the Nernst film model allows diffusion limitations to be taken into account.

The validity of the model and of the simplified method of solution proposed, have been verified by comparison of the predicted distributions of the potential inside a fluidised-bed electrode in which three simultaneous electrochemical reactions (viz. the cathodic deposition of copper, the reduction of the dissolved oxygen, and the generation of hydrogen) occur with the corresponding experimentally-determined distributions.