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電気化学工学の秘密：電気を使って化学物質を生産する方法
多くの科学研究や産業分野において、電気化学工学は間違いなくその独特で不可欠な地位を示しています。この工学分野は、化学物質の電気合成、金属の選択的抽出と精製、燃料電池とフロー電池の開発、表面改質など、電気化学現象の技術的応用に重点を置いています。国際純正・応用化学連合 (IUPAC) によれば、電気化学工学はエネルギー貯蔵や産業用途のための電力集約型プロセスに重点を置いており、小規模な応用電気化学実験とは区別されます。
「米国の電力の 6% 以上が大規模な電気化学事業で消費されています。」
電気化学工学の範囲
電気化学工学は、電極/電解質界面における不均一電荷移動の研究だけでなく、実用的な材料とプロセスの開発も含みます。その基本的な観点には、電極材料と酸化還元種の速度論が含まれます。さらに、この技術の開発には、電気化学反応器の電位と電流のプロファイル、物質輸送条件の研究、および反応収率、変換効率、エネルギー効率などのパラメータに関する全体的なパフォーマンスの定量化が必要です。
産業開発において、電気化学工学では、望ましい製品を得るために、さらなる反応器とプロセスの設計、製造方法、テスト、製品開発が必要になります。
「ほとんどの電気化学操作は、平行板電極を備えたフィルタープレスリアクター、または回転円筒電極を備えた撹拌タンクで実行されます。」
歴史の振り返り
この工学分野は 19 世紀半ばにまで遡り、電力の普及とともに進化しました。マイケル・ファラデーは 1833 年に初めて電気分解の法則を説明し、電荷と質量の変換関係を明確に表現しました。 1886 年、チャールズ・マーティン・ホールは、鉱石からアルミニウムを抽出するための安価な電気化学プロセスを開発し、これが最初の真に大規模な電気化学産業となりました。
その後、ハミルトン・カストナーはアルミニウム生産工程を改良し、カール・ケルナーとともに1892年にクロロアルカリ産業を設立し、電気分解によって塩素と苛性ソーダを生産しました。翌年、ポール・L・ホリングはフランスでフィルター付き圧電化学セルの特許を申請しました。この技術は、その後の電気化学の発展の基礎を築きました。
電気化学工学の応用
今日、電気化学工学は、工業用水の電気分解、電気合成、電気メッキ、燃料電池、フロー電池など、多くの分野で広く使用されています。電解プロセスの最も顕著な例は塩素アルカリプロセスであり、これは水酸化ナトリウムと塩素の製造における電気化学の応用可能性を十分に実証しています。
「現在、電気化学工学の主な課題には、効率的で安全かつ持続可能な化学生産技術の開発が含まれます。」
科学技術の発展に伴い、電気化学工学の範囲は金属リサイクル、環境修復技術、燃料電池、フロー電池の設計など多くの分野にまで継続的に拡大されてきました。この分野でのさらなる研究により、持続可能性と環境の課題に対処するための新たな解決策が、より多くの業界に提供されるようになるかもしれません。
しかし、化学物質の製造方法が将来的に革新を続けるにつれて、電気化学工学はグリーンケミストリーと持続可能な開発を推進する上で重要な力となるのだろうか、と疑問に思わずにはいられません。
