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Ingeniería electroquímica

Agosto 10, 2021

La ingeniería electroquímica es la rama de la ingeniería química que se ocupa de las aplicaciones tecnológicas de los fenómenos electroquímicos, como la electrosíntesis de productos químicos, la electrodeposición y el refinado de metales, baterías de flujo y celdas de combustible, modificación de la superficie por electrodeposición, separaciones electroquímicas y corrosión. Esta disciplina es una superposición entre la electroquímica y la ingeniería química.

Según la IUPAC, el término ingeniería electroquímica está reservado para procesos intensivos en electricidad para aplicaciones industriales o de almacenamiento de energía, y no debe confundirse con la electroquímica aplicada, que comprende baterías pequeñas, sensores amperométricos, dispositivos microfluídicos, microelectrodos, dispositivos de estado sólido, voltamperometría en los electrodos de disco, etc.

Más del 6% de la electricidad es consumida por operaciones electroquímicas a gran escala en los Estados Unidos.[1]​

Alcance

 
Este diagrama muestra la relación entre la ingeniería electroquímica y otras disciplinas.

La ingeniería electroquímica combina el estudio de la transferencia de carga heterogénea en las interfases de electrodos/electrolitos con el desarrollo de materiales y procesos prácticos. Las consideraciones fundamentales incluyen materiales de electrodos y la cinética de especies redox. El desarrollo de la tecnología implica el estudio de los reactores electroquímicos, su distribución potencial y actual, las condiciones de transporte de masa, la hidrodinámica, la geometría y los componentes, así como la cuantificación de su rendimiento general en términos de rendimiento de reacción, eficiencia de conversión y eficiencia energética. Los desarrollos industriales requieren más diseño de reactores y procesos, métodos de fabricación, pruebas y desarrollo de productos.

La ingeniería electroquímica considera la distribución de corriente, el flujo de fluidos, la transferencia de masa y la cinética de las electro reacciones para diseñar reactores electroquímicos eficientes.[2]​

La mayoría de las operaciones electroquímicas se realizan en reactores de filtro prensa con electrodos de placa paralelos o, con menos frecuencia, en tanques agitados con electrodos de cilindro giratorio. La pila de combustible y las pilas de flujo son tipos de reactores de filtro prensa. La mayoría de ellos son operaciones continuas.

Historia

 
Cuarto de celdas de una planta de cloro-álcali, 1920

Esta rama de la ingeniería surgió gradualmente de la ingeniería química a medida que las fuentes de energía eléctrica estuvieron disponibles a mediados del siglo XIX. Michael Faraday describió sus leyes de electrólisis en 1833, relatando por primera vez la cantidad de carga eléctrica y la masa convertida. En 1886, Charles Martin Hall desarrolló un proceso electroquímico barato para la extracción de aluminio de su mineral en sales fundidas, constituyendo la primera industria electroquímica a gran escala. Más tarde, Hamilton Castner mejoró el proceso de fabricación de aluminio e ideó la electrólisis de salmuera en grandes celdas de mercurio para la producción de cloro y sosa cáustica, fundando efectivamente la industria del cloro-álcali con Karl Kellner en 1892. Al año siguiente, Paul L. Hulin patentó las células electroquímicas de filtro prensa en Francia. Charles Frederick Burgess desarrolló el refinado electrolítico del hierro ca. 1904 y más tarde dirigió una exitosa compañía de baterías. Burgess publicó uno de los primeros textos sobre el terreno en 1920. Durante las primeras tres décadas del siglo XX, la electroquímica industrial siguió un enfoque empírico.[3]​

Después de la Segunda Guerra Mundial, el interés se centró en los fundamentos de las reacciones electroquímicas. Entre otros desarrollos, el potenciostato (1937) permitió tales estudios. El trabajo de Carl Wagner y Veniamin Levich en 1962 proporcionó un avance crítico que vinculó la hidrodinámica de un electrolito que fluye hacia un electrodo de disco giratorio con el control de transporte de masa de la reacción electroquímica a través de un riguroso tratamiento matemático. El mismo año, Wagner describió por primera vez "El alcance de la ingeniería electroquímica" como una disciplina separada desde una perspectiva fisicoquímica.[4]​ Durante los años 60 y 70 Charles W. Tobias, considerado como el "padre de la ingeniería electroquímica" por la Sociedad Electroquímica, se preocupó por el transporte iónico por difusión, migración y convección, soluciones exactas de problemas de distribución de corriente y potencial, conductancia heterogénea. medios, descripción cuantitativa de procesos en electrodos porosos. También en los años 60, John Newman fue pionero en el estudio de muchas de las leyes fisicoquímicas que rigen los sistemas electroquímicos, demostrando cómo los procesos electroquímicos complejos pueden analizarse matemáticamente para formular y resolver correctamente los problemas asociados con baterías, celdas de combustible, electrolizadores y tecnologías relacionadas. En Suiza, Norbert Ibl contribuyó con estudios experimentales y teóricos de transferencia de masa y distribución de potencial en electrólisis, especialmente en electrodos porosos. Fumio Hine realizó desarrollos equivalentes en Japón. Varios individuos, incluidos Kuhn, Kreysa, Rousar, Fleischmann, Alkire, Coeuret, Pletcher y Walsh, establecieron muchos otros centros de capacitación y, con sus colegas, desarrollaron importantes métodos experimentales y teóricos de estudio. Actualmente, las tareas principales de la ingeniería electroquímica consisten en el desarrollo de tecnologías eficientes, seguras y sostenibles para la producción de productos químicos, tecnologías de recuperación, descontaminación y descontaminación de metales, así como el diseño de celdas de combustible, baterías de flujo y reactores electroquímicos industriales.

La historia de la ingeniería electroquímica ha sido resumida por Wendt,[5]​ Lapicque,[6]​ y Stankovic.[7]​

Aplicaciones

La ingeniería electroquímica se aplica en la electrólisis industrial del agua, electrólisis, electrosíntesis, galvanoplastia, celdas de combustible, baterías de flujo,[8]​ descontaminación de efluentes industriales, electrorefinación, electrodeposición, etc. El principal ejemplo de un proceso basado en electrólisis es el proceso de cloralkali para la producción de sosa cáustica y cloro. Otros productos químicos inorgánicos producidos por electrólisis incluyen:

Convenciones

Los criterios de desempeño establecidos, las definiciones y la nomenclatura para la ingeniería electroquímica se pueden encontrar en Kreysa et al.[9]​ y un informe IUPAC.[10]​

Premios

  • Medalla Castner
  • Medalla Carl Wagner
  • Premio Vittorio de Nora

Véase también

Referencias

  1. Bebelis, S.; Bouzek, K.; Cornell, A.; Ferreira, M.G.S.; Kelsall, G.H.; Lapicque, F.; Ponce de León, C.; Rodrigo, M.A. et al. (October 2013). «Highlights during the development of electrochemical engineering». Chemical Engineering Research and Design 91 (10): 1998-2020. 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. «List of Electrochemistry Books Published Before 1950». The Electrochemical Society. 
  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: 1-7. ISBN 978-3-642-08406-5. doi:10.1007/978-3-662-03851-2_1. 
  6. Lapicque, F. (2004). «Electrochemical Engineering: An Overview of its Contributions and Promising Features». Chemical Engineering Research and Design 82 (12): 1571-1574. 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». Journal of Energy Storage 11: 119-153. doi:10.1016/j.est.2017.02.007. 
  9. Kreysa, G. (1985). «Performance criteria and nomenclature in electrochemical engineering». Journal of Applied Electrochemistry 15 (2): 175-179. doi:10.1007/BF00620931. 
  10. Gritzner, G.; Kreysa, G. «Nomenclature, symbols and definitions in electrochemical engineering». Pure and Applied Chemistry 65 (5): 1009-1020. doi:10.1351/pac199365051009. 

Bibliografía

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Enlaces externos

  • Grupo de Trabajo sobre Ingeniería Electroquímica - WPEE
  • Medalla SCI Castner en Electroquímica Industrial
  • Medalla de excelencia Carl Wagner en ingeniería electroquímica
  • Premio ECS Vittorio de Nora
  • Premio al Logro Estudiantil IEEE HH Dow Memorial
  •   Datos: Q2474620

Agosto 10, 2021
ingeniería, electroquímica, ingeniería, electroquímica, rama, ingeniería, química, ocupa, aplicaciones, tecnológicas, fenómenos, electroquímicos, como, electrosíntesis, productos, químicos, electrodeposición, refinado, metales, baterías, flujo, celdas, combust. La ingenieria electroquimica es la rama de la ingenieria quimica que se ocupa de las aplicaciones tecnologicas de los fenomenos electroquimicos como la electrosintesis de productos quimicos la electrodeposicion y el refinado de metales baterias de flujo y celdas de combustible modificacion de la superficie por electrodeposicion separaciones electroquimicas y corrosion Esta disciplina es una superposicion entre la electroquimica y la ingenieria quimica Segun la IUPAC el termino ingenieria electroquimica esta reservado para procesos intensivos en electricidad para aplicaciones industriales o de almacenamiento de energia y no debe confundirse con la electroquimica aplicada que comprende baterias pequenas sensores amperometricos dispositivos microfluidicos microelectrodos dispositivos de estado solido voltamperometria en los electrodos de disco etc Mas del 6 de la electricidad es consumida por operaciones electroquimicas a gran escala en los Estados Unidos 1 Indice 1 Alcance 2 Historia 3 Aplicaciones 4 Convenciones 5 Premios 6 Vease tambien 7 Referencias 8 Bibliografia 9 Enlaces externosAlcance Editar Este diagrama muestra la relacion entre la ingenieria electroquimica y otras disciplinas La ingenieria electroquimica combina el estudio de la transferencia de carga heterogenea en las interfases de electrodos electrolitos con el desarrollo de materiales y procesos practicos Las consideraciones fundamentales incluyen materiales de electrodos y la cinetica de especies redox El desarrollo de la tecnologia implica el estudio de los reactores electroquimicos su distribucion potencial y actual las condiciones de transporte de masa la hidrodinamica la geometria y los componentes asi como la cuantificacion de su rendimiento general en terminos de rendimiento de reaccion eficiencia de conversion y eficiencia energetica Los desarrollos industriales requieren mas diseno de reactores y procesos metodos de fabricacion pruebas y desarrollo de productos La ingenieria electroquimica considera la distribucion de corriente el flujo de fluidos la transferencia de masa y la cinetica de las electro reacciones para disenar reactores electroquimicos eficientes 2 La mayoria de las operaciones electroquimicas se realizan en reactores de filtro prensa con electrodos de placa paralelos o con menos frecuencia en tanques agitados con electrodos de cilindro giratorio La pila de combustible y las pilas de flujo son tipos de reactores de filtro prensa La mayoria de ellos son operaciones continuas Historia Editar Cuarto de celdas de una planta de cloro alcali 1920 Esta rama de la ingenieria surgio gradualmente de la ingenieria quimica a medida que las fuentes de energia electrica estuvieron disponibles a mediados del siglo XIX Michael Faraday describio sus leyes de electrolisis en 1833 relatando por primera vez la cantidad de carga electrica y la masa convertida En 1886 Charles Martin Hall desarrollo un proceso electroquimico barato para la extraccion de aluminio de su mineral en sales fundidas constituyendo la primera industria electroquimica a gran escala Mas tarde Hamilton Castner mejoro el proceso de fabricacion de aluminio e ideo la electrolisis de salmuera en grandes celdas de mercurio para la produccion de cloro y sosa caustica fundando efectivamente la industria del cloro alcali con Karl Kellner en 1892 Al ano siguiente Paul L Hulin patento las celulas electroquimicas de filtro prensa en Francia Charles Frederick Burgess desarrollo el refinado electrolitico del hierro ca 1904 y mas tarde dirigio una exitosa compania de baterias Burgess publico uno de los primeros textos sobre el terreno en 1920 Durante las primeras tres decadas del siglo XX la electroquimica industrial siguio un enfoque empirico 3 Despues de la Segunda Guerra Mundial el interes se centro en los fundamentos de las reacciones electroquimicas Entre otros desarrollos el potenciostato 1937 permitio tales estudios El trabajo de Carl Wagner y Veniamin Levich en 1962 proporciono un avance critico que vinculo la hidrodinamica de un electrolito que fluye hacia un electrodo de disco giratorio con el control de transporte de masa de la reaccion electroquimica a traves de un riguroso tratamiento matematico El mismo ano Wagner describio por primera vez El alcance de la ingenieria electroquimica como una disciplina separada desde una perspectiva fisicoquimica 4 Durante los anos 60 y 70 Charles W Tobias considerado como el padre de la ingenieria electroquimica por la Sociedad Electroquimica se preocupo por el transporte ionico por difusion migracion y conveccion soluciones exactas de problemas de distribucion de corriente y potencial conductancia heterogenea medios descripcion cuantitativa de procesos en electrodos porosos Tambien en los anos 60 John Newman fue pionero en el estudio de muchas de las leyes fisicoquimicas que rigen los sistemas electroquimicos demostrando como los procesos electroquimicos complejos pueden analizarse matematicamente para formular y resolver correctamente los problemas asociados con baterias celdas de combustible electrolizadores y tecnologias relacionadas En Suiza Norbert Ibl contribuyo con estudios experimentales y teoricos de transferencia de masa y distribucion de potencial en electrolisis especialmente en electrodos porosos Fumio Hine realizo desarrollos equivalentes en Japon Varios individuos incluidos Kuhn Kreysa Rousar Fleischmann Alkire Coeuret Pletcher y Walsh establecieron muchos otros centros de capacitacion y con sus colegas desarrollaron importantes metodos experimentales y teoricos de estudio Actualmente las tareas principales de la ingenieria electroquimica consisten en el desarrollo de tecnologias eficientes seguras y sostenibles para la produccion de productos quimicos tecnologias de recuperacion descontaminacion y descontaminacion de metales asi como el diseno de celdas de combustible baterias de flujo y reactores electroquimicos industriales La historia de la ingenieria electroquimica ha sido resumida por Wendt 5 Lapicque 6 y Stankovic 7 Aplicaciones EditarLa ingenieria electroquimica se aplica en la electrolisis industrial del agua electrolisis electrosintesis galvanoplastia celdas de combustible baterias de flujo 8 descontaminacion de efluentes industriales electrorefinacion electrodeposicion etc El principal ejemplo de un proceso basado en electrolisis es el proceso de cloralkali para la produccion de sosa caustica y cloro Otros productos quimicos inorganicos producidos por electrolisis incluyen Cloro Fluor Clorato de sodio Persulfato de amonio Persulfato de sodio Hipoclorito de sodio Permanganato de potasio Dicromato de potasio Peroxido de hidrogeno Ozono Dioxido de manganeso Nitrato de plataConvenciones EditarLos criterios de desempeno establecidos las definiciones y la nomenclatura para la ingenieria electroquimica se pueden encontrar en Kreysa et al 9 y un informe IUPAC 10 Premios EditarMedalla Castner Medalla Carl Wagner Premio Vittorio de NoraVease tambien EditarProceso de cloralkali Celda electroquimica Conversion de energia electroquimica Electrodesionizacion Electrodialisis Electrofiltracion Bateria de flujo Pila de combustible Celda galvanica Electroquimica de isotopos Magnetoelectroquimica FotoelectroquimicaReferencias Editar Bebelis S Bouzek K Cornell A Ferreira M G S Kelsall G H Lapicque F Ponce de Leon C Rodrigo M A et al October 2013 Highlights during the development of electrochemical engineering Chemical Engineering Research and Design 91 10 1998 2020 doi 10 1016 j cherd 2013 08 029 Se sugiere usar numero autores ayuda Newman John 1968 Engineering design of electrochemical systems Industrial amp Engineering Chemistry 60 4 12 27 doi 10 1021 ie50700a005 List of Electrochemistry Books Published Before 1950 The Electrochemical Society Wagner C 1962 The scope of electrochemical engineering Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering 2 1 14 Wendt H Kreysa G 1999 The Scope and History of Electrochemical Engineering Electrochemical 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