Elektrochemické inženýrství - Electrochemical engineering

Elektrochemické inženýrství je obor chemického inženýrství zabývající se technologickými aplikacemi elektrochemických jevů, jako je elektrosyntéza chemikálií, elektroléčba a rafinace kovů, průtokových baterií a palivové články, povrchové úpravy elektrolytickým nanášením, elektrochemické separace a koroze. Tato disciplína se překrývá elektrochemie a chemické inženýrství.

Podle IUPAC, termín elektrochemické inženýrství je vyhrazen pro procesy náročné na elektřinu pro průmyslové nebo energetické aplikace a neměl by být zaměňován s aplikovaná elektrochemie, který zahrnuje malé baterie, amperometrické senzory, mikrofluidní zařízení, mikroelektrody, polovodičová zařízení, voltametrii na diskových elektrodách atd.

Více než 6% elektřiny je spotřebováno velkými elektrochemickými provozy v USA.[1]

Rozsah

Tento diagram ukazuje vztah mezi elektrochemickým inženýrstvím a dalšími obory.

Elektrochemické inženýrství kombinuje studium přenosu heterogenního náboje na rozhraní elektrod / elektrolytů s vývojem praktických materiálů a procesů. Mezi základní úvahy patří elektrodové materiály a kinetika redoxních druhů. Vývoj technologie zahrnuje studium elektrochemických reaktorů, jejich potenciálu a distribuce proudu, podmínek hromadného transportu, hydrodynamiky, geometrie a komponent, jakož i kvantifikaci jejich celkového výkonu z hlediska výtěžku reakce, účinnosti přeměny a energetické účinnosti. Průmyslový vývoj vyžaduje další návrh reaktorů a procesů, výrobní metody, testování a vývoj produktů.

Elektrochemické inženýrství bere v úvahu distribuci proudu, tok tekutin, přenos hmoty a kinetiku elektrolytických reakcí, aby bylo možné navrhnout účinné elektrochemické reaktory.[2]

Většina elektrochemických operací se provádí v kalolisových reaktorech s paralelními deskovými elektrodami nebo méně často v míchaných nádržích s rotujícími válcovými elektrodami. Zásobníky palivových článků a průtokových baterií jsou typy reaktorů s filtračním lisem. Většina z nich je nepřetržitý provoz.

Dějiny

Buněčná místnost zařízení na výrobu chloru a alkálií ca. 1920

Toto odvětví strojírenství vzniklo postupně z chemického inženýrství, protože zdroje elektrické energie byly k dispozici v polovině 19. století. Michael Faraday popsal své zákony elektrolýzy v roce 1833, které se poprvé týkaly množství elektrického náboje a přeměněné hmoty. V roce 1886 Charles Martin Hall vyvinul levný elektrochemický proces pro těžbu hliníku z jeho rudy v roztavených solích, což představuje první skutečný rozsáhlý elektrochemický průmysl. Později, Hamilton Castner zdokonalil proces výroby hliníku a navrhl elektrolýzu solanky ve velkých rtuťových článcích pro výrobu chloru a hydroxidu sodného, ​​čímž se v roce 1892 účinně založil s Karlem Kellnerem průmysl chlor-alkálií. Příští rok patentoval Paul L. Hulin typ filtračního lisu elektrochemické články ve Francii. Charles Frederick Burgess vyvinul elektrolytickou rafinaci železa ca. 1904 a později provozovala úspěšnou bateriovou společnost. Burgess vydal jeden z prvních textů o této oblasti v roce 1920. Během prvních tří desetiletí 20. století se průmyslová elektrochemie řídila empirickým přístupem.[3]

Po druhé světové válce se zájem soustředil na základy elektrochemických reakcí. Mezi další vývoj patří potenciostat (1937) takové studie umožnil. Zásadní pokrok poskytla práce Carl Wagner a Veniamin Levich v roce 1962, který důsledným matematickým zpracováním spojil hydrodynamiku proudícího elektrolytu směrem k rotující diskové elektrodě s řízením transportu hmoty elektrochemické reakce. Ve stejném roce Wagner poprvé popsal „Rozsah elektrochemického inženýrství“ jako samostatnou disciplínu z fyzikálně-chemického hlediska.[4] V průběhu 60. a 70. let Charles W. Tobias, který je považován za "otce elektrochemického inženýrství" Elektrochemická společnost, se zabýval iontovým transportem difúzí, migrací a konvekcí, přesným řešením problémů distribuce potenciálu a proudu, vodivostí v heterogenních médiích, kvantitativním popisem procesů v porézních elektrodách. Také v 60. letech, John Newman propagoval studium mnoha fyzikálně-chemických zákonů, kterými se řídí elektrochemické systémy, a demonstroval, jak lze matematicky analyzovat složité elektrochemické procesy, aby bylo možné správně formulovat a řešit problémy spojené s bateriemi, palivovými články, elektrolyzéry a souvisejícími technologiemi. Ve Švýcarsku přispěl Norbert Ibl experimentálními a teoretickými studiemi přenosu hmoty a distribuce potenciálu v elektrolyzách, zejména na porézních elektrodách. Fumio Hine provedl obdobný vývoj v Japonsku. Několik jednotlivců, včetně Kuhna, Kreysy, Rousara, Fleischmanna, Alkira, Coeureta, Pletchera a Walsha, založilo mnoho dalších výcvikových středisek a se svými kolegy vyvinulo důležité experimentální a teoretické metody studia. V současné době hlavní úkoly elektrochemického inženýrství spočívají ve vývoji účinných, bezpečných a udržitelných technologií pro výrobu chemikálií, technologií rekuperace a dekontaminace kovů, jakož i v konstrukci palivových článků, průtokových baterií a průmyslových elektrochemických reaktorů.

Dějiny elektrochemického inženýrství shrnul Wendt,[5] Lapicque,[6] a Stankovic.[7]

Aplikace

Elektrochemické inženýrství se používá v průmyslu vodní elektrolýza, elektrolýza, elektrosyntéza, galvanické pokovování, palivové články, průtokové baterie,[8] dekontaminace průmyslových odpadních vod, elektrolytická rafinace, elektrolytické čištění atd. Hlavním příkladem procesu založeného na elektrolýze je Chloralkali proces pro výrobu hydroxidu sodného a chloru. Mezi další anorganické chemikálie vyrobené elektrolýzou patří:

Konvence

Stanovená výkonnostní kritéria, definice a nomenklatura pro elektrochemické inženýrství lze nalézt v Kreysa et al.[9] a zpráva IUPAC.[10]

Ocenění

Viz také

Reference

  1. ^ Bebelis, S .; Bouzek, K .; Cornell, A .; Ferreira, M.G.S .; Kelsall, G.H .; Lapicque, F .; Ponce de León, C .; Rodrigo, M. A.; Walsh, FC (Říjen 2013). "Hlavní body během vývoje elektrochemického inženýrství". Výzkum a design chemického inženýrství. 91 (10): 1998–2020. doi:10.1016 / j.cherd.2013.08.029.
  2. ^ Newman, John (1968). "Inženýrský design elektrochemických systémů". Průmyslová a inženýrská chemie. 60 (4): 12–27. doi:10.1021 / ie50700a005.
  3. ^ „Seznam elektrochemických knih vydaných před rokem 1950“. Elektrochemická společnost.
  4. ^ Wagner, C. (1962). "Rozsah elektrochemického inženýrství". Pokroky v elektrochemii a elektrochemickém inženýrství. 2: 1–14.
  5. ^ Wendt, H .; Kreysa, G. (1999). „Rozsah a historie elektrochemického inženýrství“. Elektrochemické inženýrství: 1–7. doi:10.1007/978-3-662-03851-2_1. ISBN  978-3-642-08406-5.
  6. ^ Lapicque, F. (2004). „Elektrochemické inženýrství: přehled jeho příspěvků a slibných funkcí“. Výzkum a design chemického inženýrství. 82 (12): 1571–1574. doi:10.1205 / cerd.82.12.1571.58046.
  7. ^ Stankovic, V. (2012). „Elektrochemické inženýrství - jeho vzhled, vývoj a současný stav. Blíží se výročí“. Journal of Electrochemical Science and Engineering. 2: 1–14. doi:10.5599 / jese.2012.0011.
  8. ^ Arenas, L.F .; Ponce de León, C .; Walsh, FC (Červen 2017). „Inženýrské aspekty designu, konstrukce a výkonu modulárních redoxních baterií pro skladování energie“ (PDF). Journal of Energy Storage. 11: 119–153. doi:10.1016 / j.est.2017.02.007.
  9. ^ Kreysa, G. (1985). "Výkonnostní kritéria a nomenklatura v elektrochemickém inženýrství". Journal of Applied Electrochemistry. 15 (2): 175–179. doi:10.1007 / BF00620931. S2CID  106022706.
  10. ^ Gritzner, G .; Kreysa, G. „Nomenklatura, symboly a definice v elektrochemickém inženýrství“. Čistá a aplikovaná chemie. 65 (5): 1009–1020. doi:10.1351 / pac199365051009.

Bibliografie

  • T.F. Fuller, John N. Harb, Elektrochemické inženýrství, John Wiley & Sons, 2018.
  • H. Wright (ed.), Elektrochemické inženýrství: vznikající technologie a aplikace, Willford Press, 2016.
  • D. Stolten, B. Emonts, Věda a technika pro palivové články: Materiály, procesy, systémy a technologie, John Wiley & Sons, 2012.
  • D.D. Macdonald, P. Schmuki (eds.), Elektrochemické inženýrství, v Encyclopedia of Electrochemistry, Sv. 5, Wiley-VCH, 2007.
  • J. Newman, K.E. Thomas-Alyea, Elektrochemické systémy, 3. vyd., John Wiley & Sons, Hoboken NJ, 2004. (1. vyd. 1973).
  • V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik, Wiley-VCH, 2003.
  • H. Pütter, Průmyslová elektroorganická chemie, v Organická elektrochemie, 4. vydání, H. Lund, O. Hammerich (eds.), Marcel Dekker, New York, 2001.
  • F.C. Walsh, Un Primer Curso de Ingeniería Electroquímica, Editorial Club Universitario, Alicante, España, 2000.
  • M.P. Grotheer, Elektrochemické zpracování, anorganické, v Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5. vydání, sv. 9, str. 618, John Wiley & Sons, 2000.
  • H. Wendt, G. Kreysa, Elektrochemické inženýrství: Věda a technologie v chemickém a jiném průmysluSpringer, Berlín 1999.
  • R.F. Savinell, Cvičení z elektrochemického inženýrství - matematické modelování, Pennington, The Electrochemical Society, 1999.
  • A. Geoffrey, Principy elektrochemického inženýrství, Prentice Hall, 1997.
  • F. Goodrige, K. Scott Elektrochemické procesní inženýrství - Průvodce po konstrukci elektrolytické elektrárny, Plenum Press, New York & London, 1995.
  • J. Newman, R.E. White (eds.), Proceedings of the Douglas N. Bennon Memorial Symposium. Témata v elektrochemickém inženýrství, The Electrochemical Society, Proceedings Vol. 94-22, 1994.
  • F. Lapicque, A. Storck, A.A. Wragg, Elektrochemické inženýrství a energetika, Springer, 1994.
  • F.C. Walsh, První kurz v elektrochemickém inženýrství, The Electrochemical Consultancy, Romsey UK, 1993.
  • F. Coeuret, A. Storck, Eléments de Génie Électrochimique, 2. vydání, Éditions TEC et DOC / Lavoisier, Paříž, 1993. (1. vydání, 1984)
  • F. Coeuret, Introducción a la Ingeniería Electroquímica, Redakční reverté, Barcelona, ​​1992.
  • K. Scott, Elektrochemické reakční inženýrství, Academic Press, London, 1991.
  • G. Prentice, Principy elektrochemického inženýrství, Prentice Hall, 1991.
  • D. Pletcher, F.C. Walsh, Průmyslová elektrochemie, 2. vyd., Chapman and Hall, London, 1990.
  • J.D. Genders, D. Pletcher, Elektrosyntéza - od laboratoře, přes pilot, po výrobu, The Electrosynthesis Company, New York, 1990.
  • M.I. Ismail, Elektrochemické reaktory, jejich věda a technologie - Část A: Základy, elektrolyzéry, baterie a palivové články, Elsevier, Amsterdam, 1989.
  • T.R. Kývnutí, Průmyslové elektrochemické procesy, v Techniky elektrochemie, E. Yeager, A.J. Salkind (eds.), Wiley, New York, 1987.
  • E. Heitz, G. Kreysa, Principy elektrochemického inženýrství, John Wiley & Sons, 1986.
  • I. Roušar, A. Kimla, K. Micka, Elektrochemické inženýrství, Elsevier, Amsterdam, 1986.
  • T.Z. Fahidy, Principy analýzy elektrochemických reaktorů, Elsevier, Amsterdam, 1985.
  • F. Hine, Elektrodové procesy a elektrochemické inženýrstvíSpringer, Boston, 1985.
  • RE. White, (ed.), Návrh elektrochemického článku, Springer, 1984.
  • P. Horsman, B.E. Conway, S. Sarangapani (eds.), Komplexní pojednání o elektrochemii. Sv. 6 Electrodics: Transport, Plenum Press, New York, 1983.
  • D. Pletcher, Průmyslová elektrochemie, 1. vyd., Chapman and Hall, London, 1982.
  • J.O’M. Bockris, B.E. Conway, E. Yeager, R.E. White (eds.) Komplexní pojednání o elektrochemii. Sv. 2: Elektrochemické zpracování, Plenum Press, New York, 1981.
  • D.J. Pickett, Návrh elektrochemického reaktoru, 2. vyd., Elsevier, Amsterdam, 1979.
  • P. Gallone, Trattato di Ingegneria Elettrochimica, Tamburini, Milán, 1973.
  • A. Kuhn, Průmyslové elektrochemické procesy, Elsevier, Amsterdam, 1971.
  • C.L. Mantell, Elektrochemické inženýrství, 4. vydání, McGraw-Hill, New York, 1960.
  • C.L. Mantell, Průmyslová elektrochemie, 2. vyd., McGraw-Hill, New York, 1940.
  • C.F. Burgess, H.B. Pulsifer, B.B. Freud, Aplikovaná elektrochemie a metalurgie, American Technical Society, Chicago, 1920.
  • AJ. Zdravý, Výroba chemických látek elektrolýzou, Van Nostrand Co., New York, 1919.

externí odkazy