Inżynieria elektrochemiczna

Inżynieria elektrochemiczna jest działem inżynierii chemicznej zajmującym się technologicznymi zastosowaniami zjawisk elektrochemicznych , takich jak elektrosynteza chemikaliów, elektrolityczne otrzymywanie i rafinacja metali, baterie przepływowe i ogniwa paliwowe , modyfikacja powierzchni przez osadzanie elektrolityczne, separacja elektrochemiczna i korozja .

Według IUPAC termin inżynieria elektrochemiczna jest zarezerwowany dla procesów energochłonnych do zastosowań przemysłowych lub magazynowania energii i nie należy go mylić z elektrochemią stosowaną , która obejmuje małe baterie, czujniki amperometryczne , urządzenia mikroprzepływowe , mikroelektrody , urządzenia półprzewodnikowe , woltamperometria na elektrodach dyskowych itp.

Ponad 6% energii elektrycznej jest zużywane w operacjach elektrochemicznych na dużą skalę w USA.

Zakres

Ten schemat pokazuje związek między inżynierią elektrochemiczną a innymi dyscyplinami.

Inżynieria elektrochemiczna łączy badanie heterogenicznego przenoszenia ładunku na interfazach elektroda / elektrolit z rozwojem praktycznych materiałów i procesów. Podstawowe rozważania obejmują materiały elektrod i kinetykę redoks . Rozwój technologii obejmuje badanie reaktorów elektrochemicznych, ich potencjał i rozkład prądu , warunki transportu masy , hydrodynamikę , geometrię i komponenty, a także kwantyfikację jego ogólnej wydajności pod względem wydajności reakcji , wydajności konwersji i efektywności energetycznej. Rozwój przemysłowy wymaga dalszego projektowania reaktorów i procesów, metod wytwarzania, testowania i opracowywania produktów.

Inżynieria elektrochemiczna uwzględnia rozkład prądu, przepływ płynu , przenoszenie masy i kinetykę reakcji elektrochemicznych w celu zaprojektowania wydajnych reaktorów elektrochemicznych.

Większość operacji elektrochemicznych przeprowadza się w reaktorach z prasą filtracyjną z równoległymi elektrodami płytowymi lub rzadziej w mieszalnikach z obracającymi się elektrodami cylindrycznymi. Ogniwa paliwowe i stosy akumulatorów przepływowych to typy reaktorów z prasą filtracyjną. Większość z nich to operacje ciągłe.

Historia

Hala elektrolizy instalacji chloro-alkalicznej ok. 1920

Ta gałąź inżynierii wyłoniła się stopniowo z inżynierii chemicznej, gdy źródła energii elektrycznej stały się dostępne w połowie XIX wieku. Michael Faraday opisał swoje prawa elektrolizy w 1833 roku, odnosząc po raz pierwszy ilość ładunku elektrycznego i przekształconą masę. W 1886 roku Charles Martin Hall opracował tani elektrochemiczny proces ekstrakcji aluminium z jego rudy w stopionych solach, co stanowiło pierwszy prawdziwy przemysł elektrochemiczny na dużą skalę. Później Hamilton Castner udoskonalił proces produkcji aluminium i opracował elektrolizę solanki w dużych elektrolizerach rtęciowych do produkcji chloru i sody kaustycznej, skutecznie zakładając przemysł chloro-alkaliczny wraz z Karlem Kellnerem w 1892 roku. W następnym roku Paul L. Hulin opatentował ogniwa elektrochemiczne typu prasa filtracyjna we Francji. Charles Frederick Burgess opracował elektrolityczną rafinację żelaza ok. 1904, a później prowadził odnoszącą sukcesy firmę akumulatorową. Burgess opublikował jeden z pierwszych tekstów w tej dziedzinie w 1920 r. W pierwszych trzech dekadach XX wieku elektrochemia przemysłowa opierała się na podejściu empirycznym.

Po II wojnie światowej zainteresowanie skupiło się na podstawach reakcji elektrochemicznych. Między innymi potencjostat ( 1937) umożliwił takie badania. Krytyczny postęp przyniosły prace Carla Wagnera i Veniamina Levicha w 1962 r., którzy połączyli hydrodynamikę przepływającego elektrolitu w kierunku obracającej się elektrody dyskowej z kontrolą transportu masy w reakcji elektrochemicznej poprzez rygorystyczne traktowanie matematyczne. W tym samym roku Wagner po raz pierwszy opisał „Zakres inżynierii elektrochemicznej” jako odrębną dyscyplinę z perspektywy fizykochemicznej. W latach 60. i 70. Charles W. Tobias, uważany przez Towarzystwo Elektrochemiczne za „ojca inżynierii elektrochemicznej” , zajmował się transportem jonów na drodze dyfuzji, migracji i konwekcji, dokładnymi rozwiązaniami problemów związanych z dystrybucją potencjału i prądu, przewodnictwem w heterogenicznych media, ilościowy opis procesów zachodzących w elektrodach porowatych. Również w latach 60. John Newman zapoczątkował badanie wielu praw fizykochemicznych rządzących systemami elektrochemicznymi, pokazując, jak złożone procesy elektrochemiczne można analizować matematycznie, aby prawidłowo formułować i rozwiązywać problemy związane z bateriami, ogniwami paliwowymi, elektrolizerami i powiązanymi technologiami. W Szwajcarii Norbert Ibl przyczynił się do eksperymentalnych i teoretycznych badań przenoszenia masy i rozkładu potencjału w elektrolizach, zwłaszcza na porowatych elektrodach. Firma Fumio Hine przeprowadziła równoważne prace rozwojowe w Japonii. Kilka osób, w tym Kuhn, Kreysa, Rousar, Fleischmann, Alkire, Coeuret, Pletcher i Walsh, założyło wiele innych ośrodków szkoleniowych i wraz ze swoimi kolegami opracowało ważne eksperymentalne i teoretyczne metody badań. Obecnie główne zadania inżynierii elektrochemicznej to opracowywanie wydajnych, bezpiecznych i zrównoważonych technologii produkcji chemikaliów, technologii odzyskiwania metali, remediacji i odkażania oraz projektowanie ogniw paliwowych, baterii przepływowych i przemysłowych reaktorów elektrochemicznych.

Historię inżynierii elektrochemicznej podsumowali Wendt, Lapicque i Stankovic.

Aplikacje

Inżynieria elektrochemiczna jest stosowana w przemysłowej elektrolizie wody , elektrolizie , elektrosyntezie, galwanizacji , ogniwach paliwowych , bateriach przepływowych , odkażaniu ścieków przemysłowych, elektrorafinacji, elektrolitycznym otrzymywaniu itp. Głównym przykładem procesu opartego na elektrolizie jest proces chloroalkaliczny do produkcji sody kaustycznej i chlor. Inne nieorganiczne chemikalia wytwarzane przez elektrolizę obejmują:

Konwencje

Ustalone kryteria wydajności, definicje i nomenklaturę dla inżynierii elektrochemicznej można znaleźć w Kreysa i in. oraz raport IUPAC.

Nagrody

Zobacz też

Bibliografia

TF Fuller, John N. Harb, Inżynieria elektrochemiczna , John Wiley & Sons, 2018.
H. Wright (red.), Inżynieria elektrochemiczna: nowe technologie i zastosowania , Willford Press, 2016.
D. Stolten, B. Emonts, Nauka i inżynieria ogniw paliwowych: materiały, procesy, systemy i technologia , John Wiley & Sons, 2012.
DD Macdonald, P. Schmuki (red.), Inżynieria elektrochemiczna , w Encyklopedii elektrochemii , tom. 5, Wiley-VCH, 2007.
J. Newman, KE Thomas-Alyea, Electrochemical Systems , 3rd ed., John Wiley & Sons, Hoboken NJ, 2004. (1st ed. 1973).
VM Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik , Wiley-VCH, 2003.
H. Pütter, Industrial Electroorganic Chemistry , in Organic Electrochemistry , wyd. 4, H. Lund, O. Hammerich (red.), Marcel Dekker, Nowy Jork, 2001.
FC Walsh, Un Primer Curso de Ingeniería Electroquímica , Editorial Club Universitario, Alicante, Hiszpania, 2000.
MP Grotheer, Electrochemical Processing, Inorganic , w Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology , wyd. 5, tom. 9, s. 618, John Wiley & Sons, 2000.
H. Wendt, G. Kreysa, Inżynieria elektrochemiczna: nauka i technologia w przemyśle chemicznym i innych , Springer, Berlin 1999.
RF Savinell, Samouczki z inżynierii elektrochemicznej — modelowanie matematyczne , Pennington, The Electrochemical Society, 1999.
A. Geoffrey, Zasady inżynierii elektrochemicznej , Prentice Hall, 1997.
F. Goodrige, K. Scott Elektrochemiczna inżynieria procesowa - przewodnik po projektowaniu instalacji elektrolitycznych , Plenum Press, Nowy Jork i Londyn, 1995.
J. Newman, RE White (red.), Proceedings of the Douglas N. Bennon Memorial Symposium. Tematy z inżynierii elektrochemicznej , The Electrochemical Society, Proceedings, tom. 94-22, 1994.
F. Lapicque, A. Storck, AA Wragg, Inżynieria elektrochemiczna i energia , Springer, 1994.
FC Walsh, pierwszy kurs inżynierii elektrochemicznej , The Electrochemical Consultancy, Romsey UK, 1993.
F. Coeuret, A. Storck, Eléments de Génie Électrochimique , wyd. 2, Éditions TEC et DOC / Lavoisier, Paryż, 1993. (wyd. 1 1984)
F. Coeuret, Introducción a la Ingeniería Electroquímica , Editorial Reverté, Barcelona, 1992.
K. Scott, Electrochemical Reaction Engineering , Academic Press, Londyn, 1991.
G. Prentice, Zasady inżynierii elektrochemicznej , Prentice Hall, 1991.
D. Pletcher, FC Walsh, Industrial Electrochemistry , wyd. 2, Chapman and Hall, Londyn, 1990.
JD Genders, D. Pletcher, Electrosynthesis - From Laboratory, to Pilot, to Production , The Electrosynthesis Company, Nowy Jork, 1990.
MI Ismail, Reaktory elektrochemiczne, ich nauka i technologia - część A: podstawy, elektrolizery, baterie i ogniwa paliwowe , Elsevier, Amsterdam, 1989.
TR Beck, Industrial Electrochemical Processes , in Techniques of Electrochemistry , E. Yeager, AJ Salkind (red.), Wiley, Nowy Jork, 1987.
E. Heitz, G. Kreysa, Zasady inżynierii elektrochemicznej , John Wiley & Sons, 1986.
I. Roušar, A. Kimla, K. Micka, Electrochemical Engineering , Elsevier, Amsterdam, 1986.
TZ Fahidy, Zasady analizy reaktorów elektrochemicznych , Elsevier, Amsterdam, 1985.
F. Hine, Procesy elektrodowe i inżynieria elektrochemiczna , Springer, Boston, 1985.
RE White, (red.), Electrochemical Cell Design , Springer, 1984.
P. Horsman, BE Conway, S. Sarangapani (red.), Kompleksowy traktat o elektrochemii. Tom. 6 Elektronika: transport , Plenum Press, Nowy Jork, 1983.
D. Pletcher, Industrial Electrochemistry , wyd. 1, Chapman and Hall, Londyn, 1982.
J.O'M. Bockris, BE Conway, E. Yeager, RE White, (red.) Kompleksowy traktat o elektrochemii. Tom. 2: Przetwarzanie elektrochemiczne , Plenum Press, Nowy Jork, 1981.
DJ Pickett, Projekt reaktora elektrochemicznego , wyd. 2, Elsevier, Amsterdam, 1979.
P. Gallone, Trattato di Ingegneria Elettrochimica , Tamburini, Mediolan, 1973.
A. Kuhn, Przemysłowe procesy elektrochemiczne , Elsevier, Amsterdam, 1971.
CL Mantell, Electrochemical Engineering , wyd. 4, McGraw-Hill, Nowy Jork, 1960.
CL Mantell, Industrial Electrochemistry , wyd. 2, McGraw-Hill, Nowy Jork, 1940.
CF Burgess, HB Pulsifer, BB Freud, Applied Electrochemistry and Metallurgy , American Technical Society, Chicago, 1920.
AJ Hale, Wytwarzanie chemikaliów metodą elektrolizy , Van Nostrand Co., Nowy Jork, 1919.

Linki zewnętrzne