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电化学工程

电化学工程（英语：electrochemical engineering）是化学工程的一个分支，涉及电化学现象的技术应用，例如化学物质的电合成、金属电解沉积（英语：Electrowinning）及精炼、液流电池及燃料电池、电沉积表面改质、电化学分离以及腐蚀等。该学科是电化学与化学工程之间的重叠领域。

根据IUPAC，“电化学工程”一词是指电力密集型工业或能源储存应用，不应与“应用电化学”相混淆，后者包含小型电池、安培传感器、微流体装置、微电极、固态装置、伏安圆盘电极等领域。[来源请求]

在美国，超过6%电力应用在大规模电化学操作上[1]。

范围

 
该图显示了电化学工程与其他学科之间的关系。

电化学工程将电极/电解质界面的非均相电荷转移的研究与实际材料和工艺的发展结合起来。基本考虑因素包括电极材料和氧化还原物质的动力学。该技术的发展涉及到对电化学反应器，其电势和电流分布、传质条件、流体力学、几何形状和组成的研究，以及在反应产率、转化效率和能源效率方面对其整体性能的量化。工业发展需要进一步的反应器和工艺设计、制造方法、测试和产品开发。[来源请求]

电化学工程考虑电流分布、流体流动、传质和电反应动力学，以设计高效的电化学反应器[2]。

大多数电化学操作是在带有平行板电极的压滤反应器中进行的，或者在具有旋转圆柱电极的搅拌釜中进行的操作较少。燃料电池和液流电池堆是压滤反应堆的类型。它们大多数是连续操作。[来源请求]

历史

 
1920年氯碱电解工厂

19世纪中叶，随着电源的出现，工程学的这一分支逐渐从化学工程学中脱颖而出。[来源请求]麦可·法拉第于1833年描述了他的电解定律，首次涉及电荷量和换算质量。 1886年，查尔斯·马丁·霍尔开发了一种廉价的电化学方法，从熔融盐中的矿石中提取铝，这是第一个真正的大规模电化学工业。后来，汉密尔顿·卡斯特纳（英语：Hamilton Castner）改进了铝的生产工艺，并设计了大型汞电解槽中盐水的电解以生产氯和苛性钠，从而在1892年与卡尔·凯尔纳（英语：Karl Kellner）一起有效地建立了氯碱工业。法国的压滤式电化学电池。查尔斯·弗雷德里克·伯吉斯（英语：Charles Frederick Burgess）开发了铁的电解精炼工艺。 1904年，后来经营了一家成功的电池公司。伯吉斯于1920年发表了该领域的第一批著作之一。在20世纪的前三十年中，工业电化学遵循了经验方法[3]。

第二次世界大战后，人们[谁？]的兴趣集中在电化学反应的基础上。[来源请求]除其他发展外，恒电位仪（1937年）使此类研究成为可能。卡尔·瓦格纳（Carl Wagner）和威尼敏·列维奇（Veniam Levich）于1962年的工作取得了重要进展，他们通过严格的数学处理将流动的电解质流向旋转圆盘电极的流体动力学与电化学反应的传质控制联系在一起。同年，瓦格纳从物理化学的角度首次将“电化学工程的范围”描述为一门独立的学科[4]。在20世纪60年代和70年代，查尔斯·托比亚斯（Charles W. Tobias）被电化学学会视为“电化学工程之父”，他关注的是通过扩散，迁移和对流进行的离子迁移，电势和电流分布问题的精确解决方案，非均质电导介质，多孔电极过程的定量描述。同样在60年代，约翰·纽曼（John Newman）率先研究了许多控制电化学系统的物理化学定律，证明了如何用数学方法分析复杂的电化学过程，以正确地制定和解决与电池，燃料电池，电解槽及相关技术有关的问题。在瑞士，诺伯特·伊布（Norbert Ibl）为电解中尤其是在多孔电极上的传质和电势分布的实验和理论研究做出了贡献。 Fumio Hine在日本取得了同等的发展。包括库恩（Kuhn），克雷萨（Kreysa），鲁萨尔（Rousar），弗莱施曼（Fleischmann），阿尔克雷（Alkire），库埃雷特（Coeuret），普莱彻（Pletcher）和沃尔什（Walsh）在内的几个人建立了许多其他培训中心，并与他们的同事一起开发了重要的实验和理论研究方法。当前，电化学工程的主要任务包括开发高效，安全和可持续的化学生产技术，金属回收，修复和净化技术以及燃料电池，液流电池和工业电化学反应器的设计。[来源请求]

应用

电化学工程应用于工业水电解、电解、电合成、电镀、燃料电池、液流电池[5]、工业废水净化、电精制、电解沉积等。基于电解的工艺的主要实例是氯碱生产烧碱和氯。电解产生的其他无机化学物质包括：

惯例

奖项

参见

参考文献

  1. ^ Bebelis, S.; Bouzek, K.; Cornell, A.; Ferreira, M.G.S.; Kelsall, G.H.; Lapicque, F.; Ponce de León, C.; Rodrigo, M.A.; Walsh, F.C. Highlights during the development of electrochemical engineering. Chemical Engineering Research and Design. October 2013, 91 (10): 1998–2020. doi:10.1016/j.cherd.2013.08.029. 
  2. ^ Newman, John. Engineering design of electrochemical systems. Industrial & Engineering Chemistry. 1968, 60 (4): 12–27. doi:10.1021/ie50700a005. 
  3. ^ List of Electrochemistry Books Published Before 1950. The Electrochemical Society. [2020-09-17]. （原始内容存档于2020-09-26）. 
  4. ^ Wagner, C. The scope of electrochemical engineering. Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering. 1962, 2: 1–14. 
  5. ^ Arenas, L.F.; Ponce de León, C.; Walsh, F.C. Engineering aspects of the design, construction and performance of modular redox flow batteries for energy storage (PDF). Journal of Energy Storage. June 2017, 11: 119–153 [2020-09-17]. doi:10.1016/j.est.2017.02.007. （原始内容 (PDF)存档于2021-04-12）. 

书目

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外部链接

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