Ingeniería electroquímica

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, la obtención y refinación de metales, las baterías de flujo y las pilas de combustible , la modificación de superficies por electrodeposición, las separaciones electroquímicas y la corrosión .

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 pequeñas baterías, sensores amperométricos , dispositivos microfluídicos , microelectrodos , dispositivos de estado sólido , voltamperometría en electrodos de disco, etc.

Más del 6% de la electricidad se consume en operaciones electroquímicas a gran escala en los EE. UU. ^[1]

La ingeniería electroquímica combina el estudio de la transferencia de carga heterogénea en las interfases electrodo / electrolito con el desarrollo de materiales y procesos prácticos. Las consideraciones fundamentales incluyen los materiales de los electrodos y la cinética de las especies redox . El desarrollo de la tecnología implica el estudio de los reactores electroquímicos, su potencial y distribución de corriente , condiciones de transporte de masa , hidrodinámica , geometría y 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 un mayor 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 reacciones eléctricas para diseñar reactores electroquímicos eficientes. ^[2]

La mayoría de las operaciones electroquímicas se realizan en reactores de filtro prensa con electrodos de placas paralelas o, con menor frecuencia, en tanques agitados con electrodos cilíndricos giratorios. Las pilas de combustible y las baterías de flujo son tipos de reactores de filtro prensa. La mayoría de ellos son de operación continua.

Esta rama de la ingeniería surgió gradualmente de la ingeniería química a medida que se fueron haciendo disponibles las fuentes de energía eléctrica a mediados del siglo XIX. Michael Faraday describió sus leyes de la electrólisis en 1833, relacionando por primera vez la cantidad de carga eléctrica y la masa convertida. En 1886, Charles Martin Hall desarrolló un proceso electroquímico barato para extraer aluminio de su mineral en sales fundidas, constituyendo la primera industria electroquímica verdadera a gran escala. Más tarde, Hamilton Castner mejoró el proceso de fabricación del aluminio e ideó la electrólisis de salmuera en grandes celdas de mercurio para la producción de cloro y sosa cáustica, fundando efectivamente la industria cloro-álcali con Karl Kellner en 1892. Al año siguiente, Paul L. Hulin patentó celdas electroquímicas de tipo prensa de filtro en Francia. Charles Frederick Burgess desarrolló la refinación electrolítica del hierro alrededor de 1904 y más tarde dirigió una exitosa empresa de baterías. Burgess publicó uno de los primeros textos sobre este campo en 1920. La electroquímica industrial siguió un enfoque empírico durante las primeras tres décadas del siglo XX. ^[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. Un avance crítico fue proporcionado por el trabajo de Carl Wagner y Veniamin Levich en 1962, quienes vincularon la hidrodinámica de un electrolito que fluye hacia un electrodo de disco giratorio con el control del transporte de masa de la reacción electroquímica a través de un tratamiento matemático riguroso. El mismo año, Wagner describió "El alcance de la ingeniería electroquímica" por primera vez 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 Electrochemical Society , se ocupó del transporte iónico por difusión, migración y convección, soluciones exactas de problemas de distribución de potencial y corriente, conductancia en medios heterogéneos, 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 gobiernan los sistemas electroquímicos, demostrando cómo los procesos electroquímicos complejos podían analizarse matemáticamente para formular y resolver correctamente problemas asociados con baterías, celdas de combustible, electrolizadores y tecnologías relacionadas. En Suiza, Norbert Ibl contribuyó a los estudios experimentales y teóricos de la transferencia de masa y la distribución de potencial en electrólisis, especialmente en electrodos porosos. Fumio Hine llevó a cabo desarrollos equivalentes en Japón. Además, varias personas, entre ellas Kuhn, Kreysa, Rousar, Fleischmann, Alkire, Coeuret, Pletcher y Walsh establecieron muchos otros centros de formación y, con sus colegas, desarrollaron importantes métodos experimentales y teóricos de estudio. Actualmente, las principales tareas de la ingeniería electroquímica consisten en el desarrollo de tecnologías eficientes, seguras y sostenibles para la producción de productos químicos, la recuperación de metales, la remediación y las tecnologías de descontaminación, 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]

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

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

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

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• AJ Hale, La fabricación de productos químicos por electrólisis , Van Nostrand Co., Nueva York, 1919.

• Grupo de trabajo sobre ingeniería electroquímica (WPEE)
• Medalla Castner del SCI en electroquímica industrial
• Medalla Carl Wagner a la Excelencia en Ingeniería Electroquímica
• Premio ECS Vittorio de Nora
• Premio IEEE HH Dow Memorial al Logro Estudiantil