Cellule électrochimique

La cellule électrochimique de RedElec Technologie SA

Le cœur, et la véritable innovation de la cellule électrochimique proposée par RedElec Technologie SA, est une électrode tridimensionnelle formée de particules de carbone. L’utilisation d’un lit de particules est très favorable à la transformation, puisque la surface de contact entre l’électrode tridimensionnelle et le substrat est nettement supérieure à celle qui pourrait être obtenue avec une électrode planaire classique. Dans le cas particulier de la réduction d’un substrat insoluble, ce contact est favorisé par une filtration de la suspension au travers du lit de carbone.

Le matériel carboné utilisé se distingue des matériaux constituant habituellement les électrodes dans les cellules électrochimiques. Le carbone est activé de manière à présenter à sa surface un maximum de fonctions oxygénées possédant des structures similaires aux quinones. Par l’apport d’électrons fournis par la source de courant, elles peuvent être transformées en structures similaires aux hydroquinones. Ces dernières possèdent un caractère réducteur qui est régénéré continuellement par l’apport de nouveaux électrons. Elles peuvent ainsi être considérées comme des groupes médiateurs immobilisés à la surface du carbone. La figure ci-dessous représente de manière schématisée les structures présentes à la surface du carbone et leur transformation par réduction (consommation d’électrons) ou oxydation (libération d’électrons).

En variant la tension appliquée à l’électrode, il est possible de varier le potentiel redox des fonctions oxygénées de surface et ainsi contrôler très précisément le déroulement de la transformation électrochimique. La possibilité pour ces fonctions oxygénées d’interagir directement avec le substrat à transformer ajoute encore à la sélectivité de la transformation.

Le matériel carboné utilisé présente une grande stabilité qui lui permet de conserver une activité identique sur plusieurs mois d’opération. De plus, son coût est très modeste en comparaison avec les matériaux d’électrode habituellement mis en œuvre dans les procédés électrochimiques (ex : métaux nobles). Ces caractéristiques permettent au procédé proposé par RedElec Technologie SA de se distinguer avantageusement des autres procédés électrochimiques disponibles dans l’industrie.

La structure de la cellule électrochimique adoptée par RedElec Technologie SA est représentée schématiquement ci-dessous en prenant pour exemple d’application la réduction de l’indigo. La cellule est partagée en deux compartiments : le compartiment cathodique dans lequel se déroule la réaction de réduction et le compartiment anodique où est réalisée une réaction d’oxydation. Les deux compartiments, chacun constitué d’un cadre plastique, sont séparés par une membrane. Afin de garantir la neutralité des charges entre les deux compartiments, cette membrane permet le passage des ions, tout en empêchant le passage et le mélange des autres constituants de la catholyte et de l’anolyte. La cathode est constituée d’un lit de particules de carbone en contact avec une amenée de courant. Les particules sont maintenues à l’intérieur du réacteur au moyen de grilles placées à l’entrée et à la sortie de ce compartiment.

La figure suivante présente une vue éclatée simplifiée de la cellule électrochimique développée par RedElec. Cette dernière est principalement composée de deux électrodes en acier inox, entre lesquelles sont pressés deux cadres en polypropylène et une membrane échangeuse d'ions.
Un système complexe de distribution hydraulique intégré aux cadres garantit l'homogénéité du flux à l'intérieur des compartiments anodiques et cathodiques. Un développement mécanique conséquent a été mis en oeuvre afin de permettre à cette cellule d'être totalement indépendante du point de vue de l'étanchéité.

Un réacteur électrochimique est généralement composé de plusieurs cellules. La productivité d’un tel réacteur dépend du nombre de cellules électrochimiques qui le constituent. La figure ci-dessous illustre un réacteur composé de cinq cellules. Un bac en inox accueille ces cellules ainsi que le système de distribution hydraulique. Selon les besoins du procédé électrochimique, le flux peut être distribué en série ou en parallèle sur chaque cellule.
La maintenance de ce système est grandement facilitée par le fait que chacune de ces cellules est mécaniquement, électriquement et hydrauliquement indépendante. Ainsi, la révision de l’éventuel élément perturbateur ne nécessite pas l’arrêt complet du système et donc de la production.