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Les secrets de l'ingénierie électrochimique : comment utiliser l'électricité pour produire des produits chimiques ?
Dans de nombreux domaines de recherche scientifique et industriels, l’ingénierie électrochimique démontre sans aucun doute sa position unique et indispensable. Cette branche de l'ingénierie se concentre sur les applications technologiques des phénomènes électrochimiques, tels que l'électrosynthèse de produits chimiques, l'extraction sélective et le raffinage de métaux, le développement de piles à combustible et de batteries à flux, et la modification de surface. Selon l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC), l'ingénierie électrochimique se concentre sur les processus à forte intensité énergétique pour le stockage de l'énergie et les applications industrielles, ce qui la distingue des expériences électrochimiques appliquées à plus petite échelle.
« Plus de 6 % de l’électricité aux États-Unis est consommée par de grandes opérations électrochimiques. »
Portée de l'ingénierie électrochimique
L'ingénierie électrochimique englobe non seulement l'étude du transfert de charge hétérogène à l'interface électrode/électrolyte, mais également le développement de matériaux et de procédés pratiques. Ses perspectives fondamentales incluent les matériaux d’électrodes et la cinétique des espèces redox. De plus, le développement de cette technologie nécessite l’étude des profils de potentiel et de courant des réacteurs électrochimiques, des conditions de transport de masse et la quantification de leurs performances globales par rapport à des paramètres tels que le rendement de la réaction, l’efficacité de conversion et l’efficacité énergétique.
Dans le développement industriel, l'ingénierie électrochimique nécessite une conception plus poussée des réacteurs et des processus, des méthodes de fabrication, des tests et le développement de produits pour obtenir les produits souhaités.
« La plupart des opérations électrochimiques sont réalisées dans des réacteurs à filtre-presse avec des électrodes à plaques parallèles ou dans des cuves agitées avec des électrodes cylindriques rotatives. »
Revue d'histoire
Cette branche de l’ingénierie remonte au milieu du XIXe siècle et a évolué à mesure que l’énergie électrique s’est répandue. Michael Faraday a décrit pour la première fois les lois de l'électrolyse en 1833, exprimant clairement la relation de conversion entre la charge électrique et la masse. En 1886, Charles Martin Hall a développé un procédé électrochimique peu coûteux pour extraire l'aluminium de son minerai, ce qui est devenu la première industrie électrochimique véritablement à grande échelle.
Hamilton Kastner a ensuite amélioré le processus de production d'aluminium et, avec Karl Kellner, il a fondé l'industrie des chloro-alcalis en 1892, produisant du chlore et de la soude caustique par électrolyse. L'année suivante, Paul L. Holling dépose en France un brevet pour la cellule chimique piézoélectrique filtrée. Cette technologie pose les bases du développement ultérieur de l'électrochimie.
Applications de l'ingénierie électrochimique
Aujourd'hui, l'ingénierie électrochimique est largement utilisée dans l'électrolyse de l'eau industrielle, l'électrosynthèse, la galvanoplastie, les piles à combustible, les batteries à flux et de nombreux autres domaines. L’exemple le plus frappant de procédé électrolytique est le procédé chlore-alcali, qui démontre pleinement le potentiel d’application de l’électrochimie dans la production d’hydroxyde de sodium et de chlore.
« Actuellement, les principales tâches de l’ingénierie électrochimique comprennent le développement de technologies de production chimique efficaces, sûres et durables. »
Avec le développement de la science et de la technologie, le champ d'application de l'ingénierie électrochimique s'est continuellement élargi pour couvrir de nombreux domaines tels que le recyclage des métaux, la technologie d'assainissement de l'environnement, la conception de piles à combustible et de batteries à flux. Des recherches plus poussées dans ce domaine pourraient apporter de nouvelles solutions à un nombre croissant d’industries pour relever les défis liés à la durabilité et à l’environnement.
Cependant, nous ne pouvons pas nous empêcher de nous demander, alors que la manière dont les produits chimiques sont produits continue d'innover à l'avenir, si l'ingénierie électrochimique deviendra une force clé dans la promotion de la chimie verte et du développement durable ?
