29180 - PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTROCHIMICA M

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di illustrare gli aspetti fondamentali dell’elettrochimica finalizzata all’ingegneria di processo, con il duplice obiettivo di fornire i fondamenti teorici della disciplina e di discutere le applicazioni di maggior interesse ingegneristico nei settori della elettrochimica industriale, della produzione di energia con particolare riguardo alle fuel cells, e delle tecnologie di separazione elettrochimiche e ad elettromembrane per la valorizzazione di risorse rinnovabili. Argomenti principali del corso. Aspetti generali dei sistemi elettrochimici. Termodinamica e fenomeni di trasporto delle soluzioni elettrolitiche. Reattori, processi elettrochimici e fuel cells. Generatori elettrochimici. Elettrodialisi.

Contenuti

Il corso si propone di illustrare gli aspetti fondamentali dell'elettrochimica finalizzata all'ingegneria di processo, con il duplice obiettivo di fornire i fondamenti teorici della disciplina e di discutere le applicazioni di maggior interesse ingegneristico nei settori della elettrochimica industriale, della produzione di energia e delle tecnologie di separazione elettrochimiche e ad elettromembrane per la valorizzazione di risorse rinnovabili.

Nella prima parte del corso vengono introdotti i concetti fondamentali per la comprensione dei sistemi elettrochimici e si presentano gli elementi di base per il dimensionamento delle celle elettrolitiche. Nella seconda parte vengono esaminati i processi elettrochimici più rappresentativi nell'ambito dell'industria di processo, della produzione di energia, della protezione ambientale, delle tecnologie a membrane a scambio ionico.

Argomenti principali

1. Fondamenti di elettrochimica.
Aspetti generali dei sistemi elettrochimici. Concetti di base: convenzioni, stechiometria delle reazioni elettrochimiche, leggi di Faraday, rendimenti di corrente.
Considerazioni generali sugli elettroliti. Mobilità, conducibilità e numeri di trasporto. Interazioni ione-ione: teoria di Debey-Huckel, coefficienti di attività. Interazioni ione-solvente: energia di idratazione.Potenziale chimico degli ioni in soluzione.
Equilibri liquido-vapore di sistemi contenenti elttroliti volatili.
Fenomeni di trasporto nelle soluzioni elettrolitiche; l'equazione di Nernst-Planck. Diffusività di ioni ed elettroliti. Termodinamica dei sistemi elettrochimici. Energetica elettrochimica. Semielementi galvanici. Misure di FEM. Elettrocinetica. Interfase metallo-elettrolita: doppio strato elettrico, fenomeni elettrocinetici. Sovratensioni. Equazione di Butler-Volmer; equazioni e diagramma di Tafel. Corrente limite.

2. Reattori e impianti elettrochimici
Aspetti tecnici fondamentali e problematiche generali. Descrizione e classificazione dei reattori. Elementi di progetto: cinetica di reazione, voltaggio minimo di elettrolisi, equilibrio ad un elettrodo, reazioni secondarie, relazioni tensione-densità di corrente. Calcolo della tensione. Bilanci di materia ed energia nelle celle elettrochimiche. Reattori a flusso a pistone e a mescolamento. Configurazioni di celle industriali.

3. Esempio e discussione dei principali processi elettrochimici
Processo cloro-soda (richiami e discussione). Elettrolisi dell'acqua. Processi idrometallurgici: estrazione e raffinazione di alluminio e rame, produzione elettrolitica dello zinco. Processi elettroorganici.
Processi per la protezione ambientale: trattamento reflui, recupero e rigenerazione reagenti.
Processi di separazione ad elettromembrane: Elettrodialisi.

4. Generatori elettrochimici di energia
Discussione delle tecnologie disponibili per la produzione di energia con tecniche elettrochimiche.
Pile e batterie primarie e secondarie: caratteristiche e principi di funzionamento, problematiche relative allo smaltimento e recupero, miniaturizzazione.  Celle a combustibile: caratteristiche e principi di funzionamento, analisi termodinamica, membrane e materiali, modellazione, prospettive future.

Testi/Bibliografia

-    G.Prentice, Electrochemical Engineering Principles, Prentice Hall, 1991

-    J.M. Bockris, A.K.N.Reddy, Modern Electrochemistry 1, Plenum Press, 1998

-    J.Newman, K.E.Thomas-Alyea, Electrochemical Systems, John Wiley & Sons, 2004

-    R.A.Robinson, R.H.Stokes, Electrolyte Solutions, Dover Publications

-    D.Pickett, Electrochemical Reactor Design, Elsevier Sci.

-    T.Fahidy, Principles of Electrochemical Reactor Analysis, Elsevier

-    D.Pletcher, F.C.Walsh, Industrial Electrochemistry, Kluwer, 2nd ed. 1990

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova di esame orale: presentazione e discussione di una relazione di approfondimento su temi specifici del corso, da concordarsi con il docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini