الهندسة الكهروكيميائية

الهندسة الكهروكيميائية هي فرع من فروع الهندسة الكيميائية التي تتعامل مع التطبيقات التكنولوجية للظواهر الكهروكيميائية ، مثل التخليق الكهربائي للمواد الكيميائية، والاستخلاص الكهربائي وتكرير المعادن، وبطاريات التدفق وخلايا الوقود ، وتعديل الأسطح عن طريق الترسيب الكهربائي، والفصل الكهروكيميائي والتآكل .

وفقًا للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) ، فإن مصطلح الهندسة الكهروكيميائية مخصص للعمليات كثيفة الاستهلاك للكهرباء لتطبيقات الصناعة أو تخزين الطاقة، ولا ينبغي الخلط بينه وبين الكيمياء الكهربائية التطبيقية ، والتي تشمل البطاريات الصغيرة، وأجهزة الاستشعار الأمبيرومترية ، وأجهزة الموائع الدقيقة ، والأقطاب الكهربائية الدقيقة ، وأجهزة الحالة الصلبة ، والفولتامترية عند أقطاب القرص، وما إلى ذلك.

تستهلك العمليات الكهروكيميائية واسعة النطاق في الولايات المتحدة أكثر من 6% من الكهرباء. ^{[ 1 ]}

يجمع الهندسة الكهروكيميائية بين دراسة انتقال الشحنات غير المتجانس عند أسطح التماس بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت، وتطوير مواد وعمليات عملية. تشمل الاعتبارات الأساسية مواد الأقطاب الكهربائية وحركية أنواع الأكسدة والاختزال . يتضمن تطوير هذه التقنية دراسة المفاعلات الكهروكيميائية، وتوزيع الجهد والتيار فيها ، وظروف نقل الكتلة ، والديناميكا المائية ، والهندسة، والمكونات، بالإضافة إلى قياس أدائها الكلي من حيث مردود التفاعل ، وكفاءة التحويل، وكفاءة الطاقة. تتطلب التطورات الصناعية مزيدًا من تصميم المفاعلات والعمليات، وطرق التصنيع، والاختبار، وتطوير المنتجات.

يأخذ علم الهندسة الكهروكيميائية في الاعتبار توزيع التيار، وتدفق السوائل ، وانتقال الكتلة، وحركية التفاعلات الكهربائية لتصميم مفاعلات كهروكيميائية فعالة. ^{[ 2 ]}

تُجرى معظم العمليات الكهروكيميائية في مفاعلات الترشيح والضغط ذات الأقطاب الكهربائية المتوازية، أو في حالات أقل شيوعًا، في خزانات مُحَرَّكة ذات أقطاب كهربائية أسطوانية دوارة. وتُعد خلايا الوقود وبطاريات التدفق من أنواع مفاعلات الترشيح والضغط. ومعظمها عمليات مستمرة.

نشأ هذا الفرع من الهندسة تدريجيًا من الهندسة الكيميائية مع توفر مصادر الطاقة الكهربائية في منتصف القرن التاسع عشر. وصف مايكل فاراداي قوانينه للتحليل الكهربائي عام ١٨٣٣، رابطًا لأول مرة بين كمية الشحنة الكهربائية والكتلة المحولة. وفي عام ١٨٨٦، طور تشارلز مارتن هول عملية كهروكيميائية رخيصة لاستخلاص الألومنيوم من خامه في الأملاح المنصهرة، مشكلاً بذلك أول صناعة كهروكيميائية حقيقية واسعة النطاق. لاحقًا، حسّن هاميلتون كاستنر عملية تصنيع الألومنيوم وابتكر التحليل الكهربائي للمحلول الملحي في خلايا زئبقية كبيرة لإنتاج الكلور والصودا الكاوية، مؤسسًا بذلك صناعة الكلور القلوي مع كارل كيلنر عام ١٨٩٢. وفي العام التالي، حصل بول ل. هولين على براءة اختراع للخلايا الكهروكيميائية من نوع مكبس الترشيح في فرنسا. طور تشارلز فريدريك بورغيس التكرير الإلكتروليتي للحديد حوالي عام ١٩٠٤، وأدار لاحقًا شركة ناجحة للبطاريات. نشر بورغيس أحد أوائل النصوص في هذا المجال عام 1920. واتبعت الكيمياء الكهربائية الصناعية نهجًا تجريبيًا خلال العقود الثلاثة الأولى من القرن العشرين. ^{[ 3 ]}

بعد الحرب العالمية الثانية، انصبّ الاهتمام على أساسيات التفاعلات الكهروكيميائية. ومن بين التطورات الأخرى، مكّن جهاز قياس الجهد (1937) من إجراء مثل هذه الدراسات. وقدّم كارل فاغنر وفينيامين ليفيتش في عام 1962 تقدماً بالغ الأهمية، حيث ربطا ديناميكيات الموائع للإلكتروليت المتدفق نحو قطب قرص دوار بالتحكم في نقل الكتلة للتفاعل الكهروكيميائي من خلال معالجة رياضية دقيقة. وفي العام نفسه، وصف فاغنر "نطاق الهندسة الكهروكيميائية" لأول مرة كتخصص مستقل من منظور فيزيائي كيميائي. ^{[ 4 ]} وخلال الستينيات والسبعينيات، انصبّ اهتمام تشارلز دبليو توبياس، الذي تعتبره الجمعية الكهروكيميائية "أبو الهندسة الكهروكيميائية" ، على النقل الأيوني عن طريق الانتشار والهجرة والحمل الحراري، والحلول الدقيقة لمشاكل توزيع الجهد والتيار، والتوصيل في الأوساط غير المتجانسة، والوصف الكمي للعمليات في الأقطاب المسامية. في ستينيات القرن الماضي، كان جون نيومان رائدًا في دراسة العديد من القوانين الفيزيائية والكيميائية التي تحكم الأنظمة الكهروكيميائية، مُبينًا كيف يُمكن تحليل العمليات الكهروكيميائية المعقدة رياضيًا لصياغة وحل المشكلات المتعلقة بالبطاريات وخلايا الوقود والمحللات الكهربائية والتقنيات ذات الصلة. وفي سويسرا، ساهم نوربرت إبل في الدراسات التجريبية والنظرية لانتقال الكتلة وتوزيع الجهد في عمليات التحليل الكهربائي، لا سيما عند الأقطاب المسامية. وقام فوميو هاين بتطويرات مماثلة في اليابان. إضافةً إلى ذلك، أنشأ العديد من العلماء، بمن فيهم كون، وكريسا، وروسار، وفليشمان، وألكاير، وكوريه، وبليتشر، ووالش، العديد من مراكز التدريب الأخرى، وطوروا مع زملائهم أساليب دراسة تجريبية ونظرية هامة. حاليًا، تتمثل المهام الرئيسية للهندسة الكهروكيميائية في تطوير تقنيات فعالة وآمنة ومستدامة لإنتاج المواد الكيميائية، واستخلاص المعادن، ومعالجة التلوث، وتقنيات إزالة التلوث، فضلًا عن تصميم خلايا الوقود وبطاريات التدفق والمفاعلات الكهروكيميائية الصناعية.

^{وقد لخص ويندت [ 5 ]} ولابيك ^{[ 6 ]} وستانكوفيتش ^{[ 7 ]} تاريخ الهندسة الكهروكيميائية.

تُستخدم الهندسة الكهروكيميائية في التحليل الكهربائي للمياه الصناعية ، والتحليل الكهربائي ، والتخليق الكهربائي، والطلاء الكهربائي ، وخلايا الوقود ، وبطاريات التدفق ، ^{[ 8 ]} وتطهير النفايات الصناعية السائلة، والتكرير الكهربائي، والاستخلاص الكهربائي، وغيرها. ويُعدّ مثال عملية الكلور القلوي لإنتاج الصودا الكاوية والكلور أبرز مثال على العمليات القائمة على التحليل الكهربائي . وتشمل المواد الكيميائية غير العضوية الأخرى التي تُنتج بالتحليل الكهربائي ما يلي:

يمكن الاطلاع على معايير الأداء والتعريفات والتسميات المعتمدة للهندسة الكهروكيميائية في Kreysa et al. ^{[ 9 ]} وتقرير IUPAC. ^{[ 10 ]}

• ميدالية كاستنر
• ميدالية كارل فاغنر
• جائزة فيتوريو دي نورا

• تي إف فولر، جون إن. حرب، الهندسة الكهروكيميائية ، جون وايلي وأولاده، 2018.
• H. Wright (ed.), الهندسة الكهروكيميائية: التقنيات والتطبيقات الناشئة ، مطبعة ويلفورد، 2016.
• D. Stolten, B. Emonts, Fuel Cell Science and Engineering: Materials, Processs, Systems and Technology , John Wiley & Sons, 2012.
• DD Macdonald, P. Schmuki (eds.), Electrochemical Engineering , in Encyclopedia of Electrochemistry , Vol. 5, Wiley-VCH, 2007.
• J. Newman, KE Thomas-Alyea, Electrochemical Systems , 3rd ed., John Wiley & Sons, Hoboken NJ, 2004. (1st ed. 1973).
• في إم شميدت، تقنية الكيمياء الكهربائية ، وايلي-VCH، 2003.
• H. Pütter, Industrial Electroorganic Chemistry , in Organic Electrochemistry , 4th ed., H. Lund, O. Hammerich (eds.), Marcel Dekker, New York, 2001.
• إف سي والش، Un Primer Curso de Ingeniería Electroquímica ، Editorial Club Universitario، أليكانتي، إسبانيا، 2000.
• MP 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, الهندسة الكهروكيميائية: العلوم والتكنولوجيا في الصناعات الكيميائية وغيرها ، Springer، برلين 1999.
• RF Savinell، دروس في الهندسة الكهروكيميائية - النمذجة الرياضية ، Pennington، الجمعية الكهروكيميائية، 1999.
• أ. جيفري، مبادئ الهندسة الكهروكيميائية ، برنتيس هول، 1997.
• F. Goodridge, K. Scott Electrochemical Process Engineering - A Guide to the Design of Electrolytic Plant , Plenum Press, New York & London, 1995.
• ج. نيومان، ر. إي. وايت (محرران)، وقائع ندوة دوغلاس ن. بينون التذكارية. مواضيع في الهندسة الكهروكيميائية ، الجمعية الكهروكيميائية، وقائع المجلد 94-22، 1994.
• F. Lapicque, A. Storck, AA Wragg, Electrochemical Engineering and Energy , Springer, 1994.
• إف سي والش، دورة تمهيدية في الهندسة الكهروكيميائية ، الاستشارات الكهروكيميائية، رومسي المملكة المتحدة، 1993.
• F. Coeuret, A. Storck, Elements de Génie Électrochimique ، الطبعة الثانية، Éditions TEC et DOC / Lavoisier، باريس، 1993. (الطبعة الأولى 1984)
• إف كوريت، مقدمة في الهندسة الكهربائية ، Editorial Reverté، برشلونة، 1992.
• ك. سكوت، هندسة التفاعلات الكهروكيميائية ، دار النشر الأكاديمية، لندن، 1991.
• جي. برنتيس، مبادئ الهندسة الكهروكيميائية ، برنتيس هول، 1991.
• D. Pletcher, FC Walsh, Industrial Electrochemistry , 2nd ed., Chapman and Hall, London, 1990.
• JD Genders, D. Pletcher, Electrosynthesis - From Laboratory, to Pilot, to Production , The Electrosynthesis Company, New York, 1990.
• إم آي إسماعيل، المفاعلات الكهروكيميائية: علمها وتقنيتها - الجزء أ: الأساسيات، المحللات الكهربائية، البطاريات، وخلايا الوقود ، إلسيفير، أمستردام، 1989.
• تي آر بيك، العمليات الكهروكيميائية الصناعية ، في تقنيات الكيمياء الكهربائية ، إي. ييجر، إيه جيه سالكيند (محرران)، وايلي، نيويورك، 1987.
• إي. هيتز، جي. كريسا، مبادئ الهندسة الكهروكيميائية ، جون وايلي وأولاده، 1986.
• I. Roušar, A. Kimla, K. Micka, Electrochemical Engineering , Elsevier, Amsterdam, 1986.
• تي زد فاهيدي، مبادئ تحليل المفاعلات الكهروكيميائية ، إلسيفير، أمستردام، 1985.
• F. Hine, Electrode Processes and Electrochemical Engineering , Springer, Boston, 1985.
• RE White, (ed.), Electrochemical Cell Design , Springer, 1984.
• P. Horsman, BE Conway, S. Sarangapani (eds.), Comprehensive Treatise of Electrochemistry. Vol. 6 Electrodics: Transport , Plenum Press, New York, 1983.
• د. بليتشر، الكيمياء الكهربائية الصناعية ، الطبعة الأولى، تشابمان وهول، لندن، 1982.
• J.O'M. Bockris, BE Conway, E. Yeager, RE White, (eds.) Comprehensive Treatise of Electrochemistry. Vol. 2: Electrochemical Processing , Plenum Press, New York, 1981.
• دي جي بيكيت، تصميم المفاعل الكهروكيميائي ، الطبعة الثانية، إلسيفير، أمستردام، 1979.
• ب. جالوني، تراتاتو دي إنجينيريا إليتروتشيميكا ، تامبوريني، ميلانو، 1973.
• أ. كون، العمليات الكهروكيميائية الصناعية ، إلسيفير، أمستردام، 1971.
• سي إل مانتل، الهندسة الكهروكيميائية ، الطبعة الرابعة، ماكجرو هيل، نيويورك، 1960.
• سي إل مانتل، الكيمياء الكهربائية الصناعية ، الطبعة الثانية، ماكجرو هيل، نيويورك، 1940.
• CF Burgess, HB Pulsifer, BB Freud, Applied Electrochemistry and Metallurgy , American Technical Society, Chicago, 1920.
• إيه جيه هيل، تصنيع المواد الكيميائية عن طريق التحليل الكهربائي ، شركة فان نوستراند، نيويورك، 1919.

• فريق العمل المعني بالهندسة الكهروكيميائية - WPEE
• ميدالية إس سي آي كاستنر في الكيمياء الكهربائية الصناعية
• ميدالية كارل فاغنر للتميز في الهندسة الكهروكيميائية
• جائزة إي سي إس فيتوريو دي نورا
• جائزة IEEE HH Dow التذكارية لإنجازات الطلاب