電化學工程

電化學工程（英語：electrochemical engineering）是化學工程的一個分支，涉及電化學現象的技術應用，例如化學物質的電合成、金屬電解沉積（英语：Electrowinning）及精煉、液流電池及燃料電池、電沉積表面改質、電化學分離以及腐蝕等。該學科是電化學與化學工程之間的重疊領域。

根據IUPAC，「電化學工程」一詞是指電力密集型工業或能源儲存應用，不應與「應用電化學」相混淆，後者包含小型電池、安培傳感器、微流體裝置、微電極、固態裝置、伏安圓盤電極等領域。^{[來源請求]}

在美國，超過6%電力應用在大規模電化學操作上^[1]。

範圍

 

該圖顯示了電化學工程與其他學科之間的關係。

電化學工程將電極/電解質界面的非均相電荷轉移的研究與實際材料和工藝的發展結合起來。基本考慮因素包括電極材料和氧化還原物質的動力學。該技術的發展涉及到對電化學反應器，其電勢和電流分佈、傳質條件、流體力學、幾何形狀和組成的研究，以及在反應產率、轉化效率和能源效率方面對其整體性能的量化。工業發展需要進一步的反應器和工藝設計、製造方法、測試和產品開發。^{[來源請求]}

電化學工程考慮電流分佈、流體流動、傳質和電反應動力學，以設計高效的電化學反應器^[2]。

大多數電化學操作是在帶有平行板電極的壓濾反應器中進行的，或者在具有旋轉圓柱電極的攪拌釜中進行的操作較少。燃料電池和液流電池堆是壓濾反應堆的類型。它們大多數是連續操作。^{[來源請求]}

歷史

 

1920年氯鹼電解工廠

19世紀中葉，隨著電源的出現，工程學的這一分支逐漸從化學工程學中脫穎而出。^{[來源請求]}麥可·法拉第於1833年描述了他的電解定律，首次涉及電荷量和換算質量。 1886年，查爾斯·馬丁·霍爾開發了一種廉價的電化學方法，從熔融鹽中的礦石中提取鋁，這是第一個真正的大規模電化學工業。後來，漢密爾頓·卡斯特納（英语：Hamilton Castner）改進了鋁的生產工藝，並設計了大型汞電解槽中鹽水的電解以生產氯和苛性鈉，從而在1892年與卡爾·凱爾納（英语：Karl Kellner）一起有效地建立了氯鹼工業。法國的壓濾式電化學電池。查爾斯·弗雷德里克·伯吉斯（英语：Charles Frederick Burgess）開發了鐵的電解精煉工藝。 1904年，後來經營了一家成功的電池公司。伯吉斯於1920年發表了該領域的第一批著作之一。在20世紀的前三十年中，工業電化學遵循了經驗方法^[3]。

第二次世界大戰後，人們^[谁？]的興趣集中在電化學反應的基礎上。^{[來源請求]}除其他發展外，恆電位儀（1937年）使此類研究成為可能。卡爾·瓦格納（Carl Wagner）和威尼敏·列維奇（Veniam Levich）於1962年的工作取得了重要進展，他們通過嚴格的數學處理將流動的電解質流向旋轉圓盤電極的流體動力學與電化學反應的傳質控制聯繫在一起。同年，瓦格納從物理化學的角度首次將“電化學工程的範圍”描述為一門獨立的學科^[4]。在20世紀60年代和70年代，查爾斯·托比亞斯（Charles W. Tobias）被電化學學會視為“電化學工程之父”，他關注的是通過擴散，遷移和對流進行的離子遷移，電勢和電流分佈問題的精確解決方案，非均質電導介質，多孔電極過程的定量描述。同樣在60年代，約翰·紐曼（John Newman）率先研究了許多控制電化學系統的物理化學定律，證明瞭如何用數學方法分析複雜的電化學過程，以正確地制定和解決與電池，燃料電池，電解槽及相關技術有關的問題。在瑞士，諾伯特·伊布（Norbert Ibl）為電解中尤其是在多孔電極上的傳質和電勢分佈的實驗和理論研究做出了貢獻。 Fumio Hine在日本取得了同等的發展。包括庫恩（Kuhn），克雷薩（Kreysa），魯薩爾（Rousar），弗萊施曼（Fleischmann），阿爾克雷（Alkire），庫埃雷特（Coeuret），普萊徹（Pletcher）和沃爾什（Walsh）在內的幾個人建立了許多其他培訓中心，並與他們的同事一起開發了重要的實驗和理論研究方法。當前，電化學工程的主要任務包括開發高效，安全和可持續的化學生產技術，金屬回收，修復和淨化技術以及燃料電池，液流電池和工業電化學反應器的設計。^{[來源請求]}

應用

電化學工程應用於工業水電解、電解、電合成、電鍍、燃料電池、液流電池^[5]、工業廢水淨化、電精製、電解沉積等。基於電解的工藝的主要實例是氯鹼生產燒鹼和氯。電解產生的其他無機化學物質包括：

• 氯
• 氟
• 氯酸鈉
• 過硫酸銨
• 過硫酸鈉
• 次氯酸鈉
• 高錳酸鉀
• 重鉻酸鉀
• 過氧化氫
• 臭氧
• 二氧化錳
• 硝酸銀
• 基本鉛化名稱“白鉛”
• 使用電化學方法生產或精製了幾種金屬，請參見電解沉積。

慣例

獎項

• 卡斯特納獎章（英语：Castner Medal）
• 卡爾·瓦格納勳章
• 維托里奧·諾拉獎

參見

• 氯鹼過程
• 電化電池
• 電化學能量轉換（英语：Electrochemical energy conversion）
• 電去離子（英语：Electrodeionization）
• 電滲析
• 電過濾（英语：Electrofiltration）
• 液流電池
• 燃料電池
• 伽凡尼電池
• 同位素電化學（英语：Isotope electrochemistry）
• 磁電化學（英语：Magnetoelectrochemistry）
• 光電化學（英语：Photoelectrochemistry）

參考文獻

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. 
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3. . 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. (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）. 

書目

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外部連結

• Working Party on Electrochemical Engineering - WPEE （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• SCI Castner Medal on Industrial Electrochemistry （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Carl Wagner Medal of Excellence in Electrochemical Engineering （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• ECS Vittorio de Nora Award （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• IEEE H.H. Dow Memorial Student Achievement Award （页面存档备份，存于互联网档案馆）