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Die Geheimnisse der elektrochemischen Verfahrenstechnik: Wie kann man mit Hilfe von Elektrizität Chemikalien herstellen?
In vielen wissenschaftlichen Forschungs- und Industriebereichen hat die Elektrochemie zweifellos ihre einzigartige und unverzichtbare Stellung unter Beweis gestellt. Dieser Ingenieurzweig konzentriert sich auf die technischen Anwendungen elektrochemischer Phänomene, wie etwa die Elektrosynthese von Chemikalien, die selektive Extraktion und Raffinierung von Metallen, die Entwicklung von Brennstoffzellen und Durchflusszellen sowie die Oberflächenmodifizierung. Gemäß der Definition der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) konzentriert sich die Elektrochemie hauptsächlich auf stromintensive Prozesse zur Energiespeicherung und industriellen Anwendungen und unterscheidet sich damit klar von kleineren angewandten elektrochemischen Experimenten.
„Mehr als 6 % des Stroms in den Vereinigten Staaten werden von großen elektrochemischen Betrieben verbraucht.“
Bereich der Elektrochemie
Elektrochemische Technik umfasst nicht nur die Untersuchung des heterogenen Ladungstransfers an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, sondern auch die Entwicklung praktischer Materialien und Prozesse. Seine grundlegenden Perspektiven umfassen die Dynamik von Elektrodenmaterialien und Redoxspezies. Darüber hinaus erfordert die Entwicklung dieser Technologie die Untersuchung der Potenzial- und Stromverteilung des elektrochemischen Reaktors, der Stofftransportbedingungen und die Quantifizierung seiner Gesamtleistung im Hinblick auf Parameter wie Reaktionsausbeute, Umwandlungseffizienz und Energieeffizienz.
In der industriellen Entwicklung erfordert die elektrochemische Technik weitere Reaktor- und Prozessdesigns, Herstellungsmethoden, Tests und Produktentwicklung, um die gewünschten Produkte zu erhalten.
„Die meisten elektrochemischen Vorgänge werden in gefilterten Druckreaktoren mit parallelen Plattenelektroden oder in Rührkesseln mit rotierenden zylindrischen Elektroden durchgeführt.“
Historischer Rückblick
Die Entstehung dieses Ingenieurzweigs lässt sich bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts zurückverfolgen und entwickelte sich mit der Verbreitung der elektrischen Energie schrittweise weiter. Michael Faraday beschrieb erstmals 1833 die Gesetze der Elektrolyse und brachte damit die Umwandlungsbeziehung zwischen Elektrizität und Masse klar zum Ausdruck. Im Jahr 1886 entwickelte Charles Martin Hall ein kostengünstiges elektrochemisches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Erz, das zur ersten wirklich großen elektrochemischen Industrie wurde.
Anschließend verbesserte Hamilton Kastner den Prozess der Aluminiumproduktion. Er und Karl Kellner gründeten 1892 die Chlorindustrie und nutzten die Elektrolyse zur Herstellung von Chlor und Natronlauge. Bald meldete Paul L. Holling im folgenden Jahr in Frankreich ein Patent für eine gefilterte piezoelektrochemische Zelle an. Diese Technologie legte den Grundstein für die zukünftige elektrochemische Entwicklung.
Anwendungen der Elektrochemie
Heutzutage wird die elektrochemische Technik häufig in der industriellen Wasserelektrolyse, Elektrosynthese, Galvanisierung, Brennstoffzellen und Durchflussbatterien eingesetzt. Zu den wichtigsten Beispielen für Elektrolyseverfahren gehört das Chlorverfahren, das das Potenzial der Elektrochemie bei der Herstellung von Natriumhydroxid und Chlor voll zur Geltung bringt.
„Zu den Hauptaufgaben der Elektrochemie gehört derzeit die Entwicklung effizienter, sicherer und nachhaltiger chemischer Produktionstechnologien.“
Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie erweitert sich der Anwendungsbereich der Elektrochemie immer weiter und umfasst viele Bereiche wie Metallrecycling, Umweltsanierungstechnologie und das Design von Brennstoffzellen und Flussbatterien. Weitere Forschung in diesem Bereich wird in der Zukunft wahrscheinlich neue Lösungen für immer mehr Industrien liefern, um Herausforderungen in den Bereichen Nachhaltigkeit und Umweltschutz zu lösen.
Wir kommen jedoch nicht umhin, uns zu fragen, ob die elektrochemische Technik angesichts der kontinuierlichen Innovation chemischer Produktionsmethoden in Zukunft zu einer Schlüsselkraft bei der Förderung grüner Chemie und nachhaltiger Entwicklung werden wird.
