الهندسة الكهروكيميائية Electrochemical engineering

(تم التحويل من Electrochemical engineering)

الهندسة الكهروكيميائية (Electrochemical engineering)، هي فرع من الهندسة الكيميائية يتعامل مع التطبيقات التكنولوجية لظواهر الكيمياء الكهربائية، مثل التركيب الكهربائي للمواد الكيميائية، الاستخلاص الكهربائي وتكرير الفلزات، بطاريات التدفق وخلايا الوقود، وتعديل السطح عن طريق الترسيب الكهربائي، والفصل الكهروكيميائي والتآكل.

بحسب الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية، فإن مصطلح الهندسة الكهروكيميائية محجوز للعمليات كثيفة الكهرباء للتطبيقات الصناعية أو تخزين الطاقة ولا ينبغي الخلط بينه وبين الكيمياء الكهربائية التطبيقية، والتي تتألف من بطاريات صغيرة، وأجهزة استشعار قياس الأمبير، وأجهزة الموائع الدقيقة، والأقطاب الكهربائية الدقيقة، وأجهزة الحالة الصلبة، والقياس الڤولتي في أقطاب القرص، وما إلى ذلك.

يُستهلك أكثر من 6% من الكهرباء في العمليات الكهروكيميائية واسعة النطاق في الولايات المتحدة.[1]

النطاق

يوضح هذا المخطط العلاقة بين الهندسة الكهروكيميائية والتخصصات الأخرى.

تجمع الهندسة الكهروكيميائية بين دراسة انتقال الشحنات غير المتجانسة عند الطور البيني بين القطب الكهربائي والكهرل، وتطوير المواد والعمليات العملية. تشمل الاعتبارات الأساسية مواد الأقطاب الكهربائية وحركية أنواع الاختزال. يتضمن تطوير هذه التقنية دراسة المفاعلات الكهروكيميائية، وتوزيعها للكمون والتيار، وظروف نقل الكتلة، وديناميكا الموائع، والهندسة، ومكوناتها، بالإضافة إلى تحديد أدائها العام من حيث نتاج التفاعل، وكفاءة التحويل، وكفاءة الطاقة. تتطلب التطورات الصناعية مزيداً من تصميم المفاعلات والعمليات، وطرق التصنيع، والاختبار، وتطوير المنتجات.

تدرس الهندسة الكهروكيميائية توزيع التيار، وتدفق الموائع، ونقل الكتلة، وحركية التفاعلات الكهربائية لتصميم مفاعلات كهروكيميائية فعالة.[2]

تُجرى معظم العمليات الكهروكيميائية في مفاعلات ترشيح الضغط ذات أقطاب كهربائية متوازية الصفائح، أو -في حالات نادرة- في خزانات مُحرَّكة ذات أقطاب كهربائية أسطوانية دوارة. تُعدّ مداخن خلايا الوقود وبطاريات التدفق من أنواع مفاعلات الترشيح الضغط. معظمها عمليات مستمرة.

التاريخ

غرفة خلايا في مصنع كلور-قلوي حوالي عام 1920.

نشأ هذا الفرع من الهندسة تدريجياً من الهندسة الكيميائية مع توفر مصادر الطاقة الكهربائية في منتصف القرن التاسع عشر. وصف مايكل فاراداي قوانين التحليل الكهربائي عام 1833، متعلقاً لأول مرة بكمية الشحنة الكهربائية والكتلة المحولة. عام 1886، طور تشارلز مارتن هول عملية كهروكيميائية رخيصة لاستخراج الألومنيوم من خامه في الأملاح المنصهرة، مما شكل أول صناعة كهروكيميائية حقيقية واسعة النطاق. في وقت لاحق، قام هاملتون كاستنر بتحسين عملية تصنيع الألومنيوم وابتكر التحليل الكهربائي للماء الأجاج في بطاريات الزئبق الكبيرة لإنتاج الكلور والصودا الكاوية، مؤسساً فعلياً صناعة الكلور-القلوي مع كارل كلنر عام 1892. في العام التالي، حصل پول هولين على براءة اختراع لبطاريات كهروكيميائية من أحد أنواع مكابس الترشيح في فرنسا.

طوّر تشارلز فردريك بورگيس عملية التكرير الكهربائي للحديد حوالي عام 1904، ثم أدار لاحقاً شركة بطاريات ناجحة. نشر بورگيس أحد أوائل الكتب في هذا المجال عام 1920. اتبعت الكيمياء الكهربائية الصناعية نهجاً تجريبياً خلال العقود الثلاثة الأولى من القرن العشرين.[3]

بعد الحرب العالمية الثانية، تركز الاهتمام على أساسيات التفاعلات الكهروكيميائية. ومن بين التطورات الأخرى، مكّن جهاز Potentiostat (1937) من إجراء مثل هذه الدراسات. وقد حقق عمل كارل ڤاگنر وڤنيامين لڤيتش عام 1962 تقدماً هاماً، حيث ربطا هيدروديناميكية الكهرل المتدفق نحو قطب قرصي دوار بالتحكم في نقل الكتلة للتفاعل الكهروكيميائي من خلال معالجة رياضية دقيقة. وفي العام نفسه، وصف ڤاگنر "نطاق الهندسة الكهروكيميائية" لأول مرة كتخصص منفصل من منظور فيزيائي كيميائي.[4] خلال الستينيات والسبعينيات، اهتم تشارلز توبياس، الذي تُعتبره جمعية الكيمياء الكهربائية "أب الهندسة الكهروكيميائية"، بالنقل الأيوني بالانتشار والهجرة والحمل الحراري، وبالحلول الدقيقة لمسائل توزيع الجهد والتيار، والموصلية في الأوساط غير المتجانسة، والوصف الكمي للعمليات في الأقطاب الكهربائية المسامية. وفي الستينيات أيضاً، كان جون نيومان رائداً في دراسة العديد من القوانين الفيزيائية الكيميائية التي تحكم الأنظمة الكهروكيميائية، موضحًا كيفية تحليل العمليات الكهروكيميائية المعقدة رياضياً لصياغة وحل المشكلات المتعلقة بالبطاريات وخلايا الوقود والمحلل الكهربائي والتقنيات ذات الصلة بشكل صحيح. وفي سويسرا، ساهم نوربرت إبل في الدراسات التجريبية والنظرية لانتقال الكتلة وتوزيع الجهد في عمليات التحليل الكهربائي، وخاصةً في الأقطاب الكهربائية المسامية. أجرى فوميو هاين تطويرات مماثلة في اليابان. إضافة إلى ذلك، أنشأ العديد من الأفراد، منهم كون، وكريسا، وروسار، وفليشمان، وألكاير، وكوري، وپلتشر، ووالش، مراكز تدريب أخرى عديدة، وطوّروا مع زملائهم مناهج دراسية تجريبية ونظرية مهمة. حاليًا، تتمثل المهام الرئيسية للهندسة الكهروكيميائية في تطوير تقنيات فعّالة وآمنة ومستدامة لإنتاج المواد الكيميائية، وتقنيات استعادة المعادن، والمعالجة، وإزالة التلوث، بالإضافة إلى تصميم خلايا الوقود، وبطاريات التدفق، والمفاعلات الكهروكيميائية الصناعية.

لقد تم تلخيص تاريخ الهندسة الكهروكيميائية بواسطة وندت،،[5] لاپيك،[6] وتانكوڤيتش.[7]

التطبيقات

تُطبق الهندسة الكهروكيميائية في التحليل الكهرباء الصناعي للماء، التحليل الكهربائي، التركيب الكهربائي، الطلاء الكهربائي، خلايا الوقود، بطاريات التدفق،[8] إزالة الملوثات من النفايات الصناعية، التكرير الكهربائي، الاستخلاص الكهربائي، وغيرها. ومن الأمثلة الرئيسية على العمليات القائمة على التحليل الكهربائي عملية الكلور-القلوي لإنتاج الصودا الكاوية والكلور. وتشمل المواد الكيميائية غير العضوية الأخرى الناتجة عن التحليل الكهربائي ما يلي:

الاتفاقيات

يمكن العثور على معايير الأداء المحددة والتعريفات والتسميات الخاصة بالهندسة الكهروكيميائية في كريسا وزملائه.[9] وتقريب الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية.[10]

جوائز

انظر أيضاً

المصادر

  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. (October 2013). "Highlights during the development of electrochemical engineering". Chemical Engineering Research and Design. 91 (10): 1998–2020. Bibcode:2013CERD...91.1998B. doi:10.1016/j.cherd.2013.08.029.
  2. ^ Newman, John (1968). "Engineering design of electrochemical systems". Industrial & Engineering Chemistry. 60 (4): 12–27. doi:10.1021/ie50700a005.
  3. ^ "Electrochemical Science and Technology Information Resource (ESTIR) -- Old Books". knowledge.electrochem.org. Retrieved 2025-04-09.
  4. ^ Wagner, C. (1962). "The scope of electrochemical engineering". Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering. 2: 1–14.
  5. ^ Wendt, H.; Kreysa, G. (1999). "The Scope and History of Electrochemical Engineering". Electrochemical Engineering. pp. 1–7. doi:10.1007/978-3-662-03851-2_1. ISBN 978-3-642-08406-5.
  6. ^ Lapicque, F. (2004). "Electrochemical Engineering: An Overview of its Contributions and Promising Features". Chemical Engineering Research and Design. 82 (12): 1571–1574. Bibcode:2004CERD...82.1571L. doi:10.1205/cerd.82.12.1571.58046.
  7. ^ Stankovic, V. (2012). "Electrochemical Engineering - its appearance, evolution, and present status. Approaching an anniversary". Journal of Electrochemical Science and Engineering. 2: 1–14. doi:10.5599/jese.2012.0011.
  8. ^ Arenas, L.F.; Ponce de León, C.; Walsh, F.C. (June 2017). "Engineering aspects of the design, construction and performance of modular redox flow batteries for energy storage" (PDF). Journal of Energy Storage. 11: 119–153. Bibcode:2017JEnSt..11..119A. doi:10.1016/j.est.2017.02.007.
  9. ^ Kreysa, G. (1985). "Performance criteria and terminology in electrochemical engineering". Journal of Applied Electrochemistry. 15 (2): 175–179. doi:10.1007/BF00620931. S2CID 106022706.
  10. ^ Gritzner, G.; Kreysa, G. "Nomenclature, symbols and definitions in electrochemical engineering". Pure and Applied Chemistry. 65 (5): 1009–1020. doi:10.1351/pac199365051009.

المراجع

  • T.F. Fuller, John N. Harb, Electrochemical Engineering, John Wiley & Sons, 2018.
  • H. Wright (ed.), Electrochemical Engineering: Emerging Technologies and Applications, Willford Press, 2016.
  • D. Stolten, B. Emonts, Fuel Cell Science and Engineering: Materials, Processes, Systems and Technology, John Wiley & Sons, 2012.
  • D.D. Macdonald, P. Schmuki (eds.), Electrochemical Engineering, in Encyclopedia of Electrochemistry, Vol. 5, Wiley-VCH, 2007.
  • J. Newman, K.E. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems, 3rd ed., John Wiley & Sons, Hoboken NJ, 2004. (1st ed. 1973).
  • V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik, Wiley-VCH, 2003.
  • H. Pütter, Industrial Electroorganic Chemistry, in Organic Electrochemistry, 4th ed., 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, Electrochemical Processing, Inorganic, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th ed., Vol. 9, P. 618, John Wiley & Sons, 2000.
  • H. Wendt, G. Kreysa, Electrochemical Engineering: Science and Technology in Chemical and Other Industries, Springer, Berlin 1999.
  • R.F. Savinell, Tutorials in Electrochemical Engineering - Mathematical Modeling, Pennington, The Electrochemical Society, 1999.
  • A. Geoffrey, Electrochemical Engineering Principles, Prentice Hall, 1997.
  • F. Goodrige, K. Scott Electrochemical Process Engineering - A Guide to the Design of Electrolytic Plant, Plenum Press, New York & London, 1995.
  • J. Newman, R.E. White (eds.), Proceedings of the Douglas N. Bennon Memorial Symposium. Topics in Electrochemical Engineering, The Electrochemical Society, Proceedings Vol. 94-22, 1994.
  • F. Lapicque, A. Storck, A.A. Wragg, Electrochemical Engineering and Energy, Springer, 1994.
  • F.C. Walsh, A First Course in Electrochemical Engineering, The Electrochemical Consultancy, Romsey UK, 1993.
  • F. Coeuret, A. Storck, Eléments de Génie Électrochimique, 2nd ed., Éditions TEC et DOC / Lavoisier, Paris, 1993. (1st ed. 1984)
  • F. Coeuret, Introducción a la Ingeniería Electroquímica, Editorial Reverté, Barcelona, 1992.
  • K. Scott, Electrochemical Reaction Engineering, Academic Press, London, 1991.
  • G. Prentice, Electrochemical Engineering Principles, Prentice Hall, 1991.
  • D. Pletcher, F.C. Walsh, Industrial Electrochemistry, 2nd ed., Chapman and Hall, London, 1990.
  • J.D. Genders, D. Pletcher, Electrosynthesis - From Laboratory, to Pilot, to Production, The Electrosynthesis Company, New York, 1990.
  • M.I. Ismail, Electrochemical Reactors Their Science and Technology - Part A: Fundamentals, Electrolysers, Batteries, and Fuel Cells, Elsevier, Amsterdam, 1989.
  • T.R. Beck, Industrial Electrochemical Processes, in Techniques of Electrochemistry, E. Yeager, A.J. Salkind (eds.), Wiley, New York, 1987.
  • E. Heitz, G. Kreysa, Principles of Electrochemical Engineering, John Wiley & Sons, 1986.
  • I. Roušar, A. Kimla, K. Micka, Electrochemical Engineering, Elsevier, Amsterdam, 1986.
  • T.Z. Fahidy, Principles of Electrochemical Reactor Analysis, Elsevier, Amsterdam, 1985.
  • F. Hine, Electrode Processes and Electrochemical Engineering, Springer, Boston, 1985.
  • R.E. White, (ed.), Electrochemical Cell Design, Springer, 1984.
  • P. Horsman, B.E. Conway, S. Sarangapani (eds.), Comprehensive Treatise of Electrochemistry. Vol. 6 Electrodics: Transport, Plenum Press, New York, 1983.
  • D. Pletcher, Industrial Electrochemistry, 1st ed., Chapman and Hall, London, 1982.
  • J.O’M. Bockris, B.E. Conway, E. Yeager, R.E. White, (eds.) Comprehensive Treatise of Electrochemistry. Vol. 2: Electrochemical Processing, Plenum Press, New York, 1981.
  • D.J. Pickett, Electrochemical Reactor Design, 2nd ed., Elsevier, Amsterdam, 1979.
  • P. Gallone, Trattato di Ingegneria Elettrochimica, Tamburini, Milan, 1973.
  • A. Kuhn, Industrial Electrochemical Processes, Elsevier, Amsterdam, 1971.
  • C.L. Mantell, Electrochemical Engineering, 4th ed., McGraw-Hill, New York, 1960.
  • C.L. Mantell, Industrial Electrochemistry, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1940.
  • C.F. Burgess, H.B. Pulsifer, B.B. Freud, Applied Electrochemistry and Metallurgy, American Technical Society, Chicago, 1920.
  • A.J. Hale, The Manufacture of Chemicals by Electrolysis, Van Nostrand Co., New York, 1919.

وصلات خارجية

This article contains content from Wikimedia licensed under CC BY-SA 4.0. Please comply with the license terms.
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=الهندسة_الكهروكيميائية&oldid=4110204"