Электрохимическая инженерия

Электрохимическая инженерия — это отрасль химической инженерии, занимающаяся технологическим применением электрохимических явлений, таких как электросинтез химических веществ, электрохимическое получение и очистка металлов, проточные батареи и топливные элементы , модификация поверхности путем электроосаждения, электрохимическое разделение и коррозия .

Согласно IUPAC , термин «электрохимическая инженерия» зарезервирован для энергоемких процессов в промышленности или для хранения энергии, и его не следует путать с прикладной электрохимией , которая включает в себя небольшие батареи, амперометрические датчики, микрофлюидные устройства, микроэлектроды , твердотельные устройства, вольтамперометрию. на дисковых электродах и т.п.

Более 6% электроэнергии потребляется крупными электрохимическими предприятиями в США. ^[1]

Область применения [ править ]

Электрохимическая инженерия сочетает изучение гетерогенного заряда переноса на границе раздела электрод / электролит с разработкой практических материалов и процессов. Фундаментальные соображения включают материалы электродов и кинетику окислительно-восстановительных соединений. Разработка технологии включает изучение электрохимических реакторов, их потенциала и распределения тока , массопереноса условий , гидродинамики , геометрии и компонентов, а также количественную оценку его общей производительности с точки зрения выхода реакции , эффективности преобразования и энергоэффективности. Промышленные разработки требуют дальнейшего проектирования реакторов и процессов, методов изготовления, испытаний и разработки продукции.

Электрохимическая инженерия учитывает распределение тока, поток жидкости , массоперенос и кинетику электрореакций для разработки эффективных электрохимических реакторов. ^[2]

Большинство электрохимических операций осуществляют в реакторах-фильтр-прессах с параллельными пластинчатыми электродами или, реже, в емкостях с вращающимися цилиндрическими электродами. Батареи топливных элементов и проточных батарей представляют собой типы реакторов-фильтр-прессов. Большинство из них работают непрерывно.

История [ править ]

Эта отрасль техники постепенно возникла из химической инженерии, когда в середине 19 века стали доступны источники электроэнергии. Майкл Фарадей описал свои законы электролиза в 1833 году, впервые связав количество электрического заряда и преобразованную массу. В 1886 году Чарльз Мартин Холл разработал дешевый электрохимический процесс извлечения алюминия из руды в расплавленных солях, что стало первой по-настоящему крупномасштабной электрохимической промышленностью. Позже Гамильтон Кастнер усовершенствовал процесс производства алюминия и разработал электролиз рассола в больших ртутных элементах для производства хлора и каустической соды, по сути основав хлор-щелочную промышленность вместе с Карлом Келлнером в 1892 году. В следующем году Пол Л. Хулин запатентовал электрохимические элементы типа фильтр-пресс во Франции. Чарльз Фредерик Берджесс разработал электролитическое рафинирование железа ок. 1904 г. и позже руководил успешной компанией по производству аккумуляторов. Берджесс опубликовал один из первых текстов в этой области в 1920 году. Промышленная электрохимия следовала эмпирическому подходу в течение первых трех десятилетий 20-го века. ^[3]

После Второй мировой войны интерес сосредоточился на основах электрохимических реакций. Среди других разработок потенциостат (1937 г.) позволил провести такие исследования. Критический прогресс был обеспечен работой Карла Вагнера и Вениамина Левича в 1962 году, которые связали гидродинамику текущего электролита по направлению к вращающемуся дисковому электроду с контролем массопереноса электрохимической реакции посредством строгой математической обработки. В том же году Вагнер впервые описал «Область электрохимической инженерии» как отдельную дисциплину с физико-химической точки зрения. ^[4] считает «отцом электрохимической инженерии» В 60-е и 70-е годы Чарльз В. Тобиас, которого Электрохимическое общество , занимался транспортом ионов путем диффузии, миграции и конвекции, точными решениями проблем распределения потенциала и тока, проводимостью в гетерогенные среды, количественное описание процессов в пористых электродах. Также в 60-х годах Джон Ньюман стал пионером в изучении многих физико-химических законов, управляющих электрохимическими системами, продемонстрировав, как сложные электрохимические процессы можно анализировать математически, чтобы правильно формулировать и решать проблемы, связанные с батареями, топливными элементами, электролизером и связанными с ними технологиями. В Швейцарии Норберт Ибл участвовал в экспериментальных и теоретических исследованиях массопереноса и распределения потенциала при электролизе, особенно на пористых электродах. Фумио Хайн проводил аналогичные разработки в Японии. Кроме того, несколько человек, в том числе Кун, Крейса, Русар, Флейшманн, Алкире, Кере, Плетчер и Уолш, основали множество других учебных центров и вместе со своими коллегами разработали важные экспериментальные и теоретические методы исследования. В настоящее время основными задачами электрохимической инженерии являются разработка эффективных, безопасных и устойчивых технологий производства химических веществ, технологий восстановления, восстановления и обеззараживания металлов, а также проектирование топливных элементов, проточных батарей и промышленных электрохимических реакторов. .

Историю электрохимической техники изложил Вендт. ^[5] Лапик, ^[6] и Станкович. ^[7]

Приложения [ править ]

Электрохимическая технология применяется в промышленном электролизе воды , электролизе , электросинтезе, гальванике , топливных элементах , проточных батареях , ^[8] обеззараживание промышленных сточных вод, электроочистка, электролиз и т. д. Основным примером процесса, основанного на электролизе, является хлорщелочной процесс производства каустической соды и хлора. Другие неорганические химические вещества, полученные электролизом, включают:

Соглашения [ править ]

Установленные критерии эффективности, определения и номенклатуру электрохимической техники можно найти в Kreysa et al. ^[9] и отчет ИЮПАК. ^[10]

Награды [ править ]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Бебелис, С.; Бузек, К.; Корнелл, А.; Феррейра, MGS; Келсолл, GH; Лапик, Ф.; Понсе де Леон, К.; Родриго, Массачусетс; Уолш, ФК (октябрь 2013 г.). «Основные моменты развития электрохимической техники». Химические инженерные исследования и проектирование . 91 (10): 1998–2020. дои : 10.1016/j.cherd.2013.08.029 .
^ Ньюман, Джон (1968). «Инженерное проектирование электрохимических систем». Промышленная и инженерная химия . 60 (4): 12–27. дои : 10.1021/ie50700a005 .
^ «Список книг по электрохимии, изданных до 1950 г.» . Электрохимическое общество.
^ Вагнер, К. (1962). «Область электрохимической техники». Достижения в области электрохимии и электрохимической техники . 2 : 1–14.
^ Вендт, Х.; Крейса, Г. (1999). «Объем и история электрохимической инженерии». Электрохимическая инженерия . стр. 1–7. дои : 10.1007/978-3-662-03851-2_1 . ISBN 978-3-642-08406-5 .
^ Лапик, Ф. (2004). «Электрохимическая инженерия: обзор ее вклада и многообещающих особенностей». Химические инженерные исследования и проектирование . 82 (12): 1571–1574. дои : 10.1205/cerd.82.12.1571.58046 .
^ Станкович, В. (2012). «Электрохимическая технология – ее возникновение, эволюция и современное состояние. Приближается юбилей» . Журнал электрохимической науки и техники . 2 : 1–14. дои : 10.5599/jese.2012.0011 .
^ Аренас, LF; Понсе де Леон, К.; Уолш, ФК (июнь 2017 г.). «Инженерные аспекты проектирования, изготовления и эксплуатации модульных проточных окислительно-восстановительных батарей для хранения энергии» (PDF) . Журнал хранения энергии . 11 : 119–153. дои : 10.1016/j.est.2017.02.007 .
^ Крейса, Г. (1985). «Критерии эффективности и терминология в электрохимической технике». Журнал прикладной электрохимии . 15 (2): 175–179. дои : 10.1007/BF00620931 . S2CID 106022706 .
^ Грицнер, Г.; Крейса Г. «Номенклатура, символы и определения в электрохимической технике» . Чистая и прикладная химия . 65 (5): 1009–1020. дои : 10.1351/pac199365051009 .

Библиография [ править ]

Т. Ф. Фуллер, Джон Н. Харб, Электрохимическая инженерия , John Wiley & Sons, 2018.
Х. Райт (редактор), Электрохимическая инженерия: новые технологии и приложения , Willford Press, 2016.
Д. Столтен, Б. Эмонтс, Наука и техника топливных элементов: материалы, процессы, системы и технологии , John Wiley & Sons, 2012.
Д. Д. Макдональд, П. Шмуки (ред.), Электрохимическая инженерия , в Энциклопедии электрохимии , Vol. 5, Вили-ВЧ, 2007.
Дж. Ньюман, К.Э. Томас-Алиа, Электрохимические системы , 3-е изд., John Wiley & Sons, Хобокен, штат Нью-Джерси, 2004 г. (1-е изд. 1973 г.).
В.М. Шмидт, Электрохимические процессы , Wiley-VCH, 2003.
Х. Пюттер, Промышленная электроорганическая химия , в органической электрохимии , 4-е изд., Х. Лунд, О. Хаммерих (ред.), Марсель Деккер, Нью-Йорк, 2001.
Ф. К. Уолш, Первый курс электрохимической инженерии , Университетский редакционный клуб, Аликанте, Испания, 2000 г.
М. П. Гротер, Электрохимическая обработка неорганических веществ , в Энциклопедии химической технологии Кирка-Отмера , 5-е изд., Vol. 9, стр. 618, John Wiley & Sons, 2000.
Х. Вендт, Г. Крейса, Электрохимическая инженерия: наука и технологии в химической и других отраслях промышленности , Springer, Берлин, 1999.
РФ Савинелл, Учебные пособия по электрохимической инженерии - математическое моделирование , Пеннингтон, Электрохимическое общество, 1999.
А. Джеффри, Принципы электрохимической инженерии , Прентис Холл, 1997.
Ф. Гудридж, К. Скотт Разработка электрохимических процессов - Руководство по проектированию электролитической установки , Plenum Press, Нью-Йорк и Лондон, 1995.
Дж. Ньюман, Р.Э. Уайт (ред.), Труды симпозиума памяти Дугласа Н. Беннона. Темы электрохимической инженерии , Электрохимическое общество, Proceedings Vol. 94-22, 1994.
Ф. Лапик, А. Сторк, А. А. Рэгг, Электрохимическая инженерия и энергетика , Springer, 1994.
Ф. К. Уолш, Первый курс электрохимической инженерии , Консультационная компания по электрохимии, Ромси, Великобритания, 1993.
Ф. Кере, А. Шторк, Элементы электрохимической техники , 2-е изд., Éditions TEC et DOC / Лавуазье, Париж, 1993. (1-е изд. 1984 г.)
Ф. Кере, Введение в электрохимическую инженерию , Editorial Reverté, Барселона, 1992.
К. Скотт, Инженерия электрохимических реакций , Academic Press, Лондон, 1991.
Г. Прентис, Принципы электрохимической инженерии , Прентис Холл, 1991.
Д. Плетчер, Ф. К. Уолш, Промышленная электрохимия , 2-е изд., Чепмен и Холл, Лондон, 1990.
Дж. Д. Гендерс, Д. Плетчер, Электросинтез - от лаборатории к пилотному проекту и к производству , Компания Электросинтез, Нью-Йорк, 1990.
М. И. Исмаил, Электрохимические реакторы, их наука и технология. Часть A: Основы, электролизеры, батареи и топливные элементы , Elsevier, Амстердам, 1989.
Т. Р. Бек, Промышленные электрохимические процессы , в книге «Техника электрохимии» , Э. Йегер, А. Дж. Солкинд (ред.), Вили, Нью-Йорк, 1987.
Э. Хейтц, Г. Крейса, Принципы электрохимической инженерии , John Wiley & Sons, 1986.
И. Роушар, А. Кимла, К. Мика, Электрохимическая инженерия , Elsevier, Амстердам, 1986.
Т.З. Фахиди, Принципы анализа электрохимических реакторов , Elsevier, Амстердам, 1985.
Ф. Хайн, Электродные процессы и электрохимическая технология , Спрингер, Бостон, 1985.
Р. Э. Уайт (редактор), Проектирование электрохимических ячеек , Springer, 1984.
П. Хорсман, Б.Е. Конвей, С. Сарангапани (ред.), Всеобъемлющий трактат по электрохимии. Том. 6 Электроника: Транспорт , Plenum Press, Нью-Йорк, 1983.
Д. Плетчер, Промышленная электрохимия , 1-е изд., Чепмен и Холл, Лондон, 1982.
ДЖО'М. Бокрис, Б.Е. Конвей, Э. Йегер, Р.Э. Уайт, (ред.) Всеобъемлющий трактат по электрохимии. Том. 2: Электрохимическая обработка , Plenum Press, Нью-Йорк, 1981.
DJ Пикетт, Проектирование электрохимического реактора , 2-е изд., Elsevier, Амстердам, 1979.
П. Галлоне, Трактат по электрохимической инженерии , Тамбурини, Милан, 1973.
А. Кун, Промышленные электрохимические процессы , Elsevier, Амстердам, 1971.
К. Л. Мантелл, Электрохимическая инженерия , 4-е изд., МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1960.
К. Л. Мантелл, Промышленная электрохимия , 2-е изд., МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1940.
К.Ф. Берджесс, Х.Б. Пульсифер, Б.Б. Фрейд, Прикладная электрохимия и металлургия , Американское техническое общество, Чикаго, 1920.
А. Дж. Хейл, Производство химикатов методом электролиза , Van Nostand Co., Нью-Йорк, 1919.

Внешние ссылки [ править ]

[1] Бебелис, С.; Бузек, К.; Корнелл, А.; Феррейра, MGS; Келсолл, GH; Лапик, Ф.; Понсе де Леон, К.; Родриго, Массачусетс; Уолш, ФК (октябрь 2013 г.). «Основные моменты развития электрохимической техники». Химические инженерные исследования и проектирование . 91 (10): 1998–2020. дои : 10.1016/j.cherd.2013.08.029 .

[2] Ньюман, Джон (1968). «Инженерное проектирование электрохимических систем». Промышленная и инженерная химия . 60 (4): 12–27. дои : 10.1021/ie50700a005 .

[3] «Список книг по электрохимии, изданных до 1950 г.» . Электрохимическое общество.

[4] Вагнер, К. (1962). «Область электрохимической техники». Достижения в области электрохимии и электрохимической техники . 2 : 1–14.

[5] Вендт, Х.; Крейса, Г. (1999). «Объем и история электрохимической инженерии». Электрохимическая инженерия . стр. 1–7. дои : 10.1007/978-3-662-03851-2_1 . ISBN 978-3-642-08406-5 .

[6] Лапик, Ф. (2004). «Электрохимическая инженерия: обзор ее вклада и многообещающих особенностей». Химические инженерные исследования и проектирование . 82 (12): 1571–1574. дои : 10.1205/cerd.82.12.1571.58046 .

[7] Станкович, В. (2012). «Электрохимическая технология – ее возникновение, эволюция и современное состояние. Приближается юбилей» . Журнал электрохимической науки и техники . 2 : 1–14. дои : 10.5599/jese.2012.0011 .

[8] Аренас, LF; Понсе де Леон, К.; Уолш, ФК (июнь 2017 г.). «Инженерные аспекты проектирования, изготовления и эксплуатации модульных проточных окислительно-восстановительных батарей для хранения энергии» (PDF) . Журнал хранения энергии . 11 : 119–153. дои : 10.1016/j.est.2017.02.007 .

[9] Крейса, Г. (1985). «Критерии эффективности и терминология в электрохимической технике». Журнал прикладной электрохимии . 15 (2): 175–179. дои : 10.1007/BF00620931 . S2CID 106022706 .

[10] Грицнер, Г.; Крейса Г. «Номенклатура, символы и определения в электрохимической технике» . Чистая и прикладная химия . 65 (5): 1009–1020. дои : 10.1351/pac199365051009 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]