Scheda programma d'esame
INGEGNERIA DEI SISTEMI ELETTROCHIMICI
NICOLAOS VATISTAS
Anno accademico2018/19
CdSINGEGNERIA CHIMICA
Codice212II
CFU6
PeriodoSecondo semestre

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
INGEGNERIA DEI SISTEMI ELETTROCHIMICIING-IND/24LEZIONI60
NICOLAOS VATISTAS unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso introduce il campo ingegneria dei sistemi elettrochimici: Le operazioni che correlano trasformazioni di energia con trasformazioni di matteria (specie chimiche) e viceversa.

Inizialmente si introducono le operazioni da lungo tempo note, semi-reazioni specie e migrazione ioni per sottolineare la specificità di queste operazioni rispetto alle operazioni classiche di ingegneria chimica, le particolari forze motrici ed apparecchiature necessarie per lo svolgimento di queste operazioni che correlano trasformazioni di materia con trasformazioni di energia.

Seguono le operazioni meno note, elettro-cinetiche generate dalla interazione del campo elettrico su specie con polarizzazione intrinseca o indotta. Operazioni sempre più applicate nel campo di nuovi materiali ed energetico che stano trasformando l'ingegneria dei sistemi elettrochimici da un territorio marginale ad uno strategico per la sua capacità di fornire soluzioni alle necessità tecnologiche emergenti.

Knowledge

The course introduces the engineering field of electrochemical systems: The operations that correlate transformations of energy with transformations of matteria (chemical species) and vice versa.

Initially the long-known operations, semi-species reactions and ion migration are introduced to underline the specificity of these operations with respect to classical chemical engineering operations, the particular driving forces and equipment necessary for carrying out these operations that correlate material transformations with energy transformations.

The less known, electro-kinetic operations generated by the interaction of the electric field on species with intrinsic or induced polarization follow. Operations increasingly applied in the field of new materials and energy that are transforming the engineering of electrochemical systems from a marginal territory to a strategic one for its ability to provide solutions to emerging technological needs.

Modalità di verifica delle conoscenze

La verifica delle conoscenze dello studente si effettua (1) durante le esercitazioni dove gli studenti sono tenuti a partecipare in modo attivo (ii) con un esame orale, durante il quale lo studente viene interogato sugli argomenti trattati e (iii) con l'approfondimento dell'argomento elaborato dallo studente.

Assessment criteria of knowledge

The student's knowledge check is carried out (1) during the exercises where the students are required to participate actively (ii) with an oral examination, during which the student is asked to discuss the topics covered and (iii) with the deepening of the topic developed by the student.

Capacità

Il corso combina elementi da campi diversi (chimici ed elettrici) ed induce lo studente allo sviluppo dell'attitudine di ricercare la sintesi tra differenti aspetti ed allo stesso tempo migliora la sua capacità di comunicare con due linguaggi distinti, chimico ed elettrico.

Skills

The course combines elements from different fields (chemical and electrical) and induces the student to develop the ability to seek the synthesis between different aspects and at the same time improves his capacity to communicate with two distinct languages, chemical and electrical.

Modalità di verifica delle capacità

Essendo intrinsicamente legata con le conoscenze si realizza con la stessa modalità ed in parallelo.

Assessment criteria of skills

Being intrinsically linked to knowledge, it is carried out in the same way and in parallel.

Comportamenti

La necessità di sintesi di aspetti diversi richiede due comportamenti apparentemente contraposti, la libertà di muoversi da un campo all'altro per vedere i diversi aspetti  ed il rigore per non perdere l'obbiettivo, le trasformazioni di materia ed energia sono due diversi aspetti della dello stesso evento.

Behaviors

The need for the synthesis of different aspects requires two behaviors apparently opposed the freedom to move from one field to another to see the different aspects and rigor in order not to lose the goal, the transformation of matter and energy are two different aspects of the same event.

 

Modalità di verifica dei comportamenti

Essendo intrinsecamente legata con le conoscenze e la capacita si realizza con la stessa modalità ed in parallelo.

Assessment criteria of behaviors

Being intrinsically linked with knowledge and skills, it is realized in the same way and in parallel.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Sono richieste nozioni di matematica, chimica e fisica

Prerequisites


Notions of mathematics, chemistry and physics are required

Indicazioni metodologiche

Nello svolgimento delle lezioni, si sceglie di partire dal percorso di organizzazione dei dati disponibili per introdurre le nozioni neccessarie. Nello studio di casi particolari, durante le esercitazioni, è richiesta la partecipazioni attiva degli studenti.

Teaching methods

In the course of the lessons, we adopt to start from the path of organization of the available data in order to introduce the required concepts. In the study of special cases, during the exercises, the active student participation is required.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

INTRODUZIONE
I sistemi elettrochimici: Pile, elettrolizzatori, corrosione metalli in umido. Costituenti dei sistemi elettrochimici: Elettrodi, elettroliti, interfaccia elettrodo - elettrolita. Polarizzazione dei sistemi elettrochimici.

ELETTROLITI
Classi di elettroliti: Elettroliti, liquidi, solidi, sali fusi e membrane ioniche. Caratteristiche degli elettroliti: Mobilità ioniche, conducibilità elettrica, numero di trasporto. Elettroliti liquidi: Interazione ione - solvente, Interazione ione - ione, trasporto. Elettroliti solidi: Difetti intrinseci ed estrinseci, a struttura aperta, mobilità dei difetti ionici. Sali fusi: Trasporto, sali fusi associati, interazione soluto - solvente. Membrane ioniche: Trasporto e permeseletività.

ELETTRODI
Materiale elettrodico ed interfaccia elettrodo – soluzione. Classi di elettrodi: Stato solido e liquido, metallici o semiconduttori, rivestiti o non rivestiti, compatti o porosi. Nuovi materiali elettrodici: Rivestimenti di ossidi, deposizione materiale elettrodico su membrane ioniche.

INTERFACCIA ELETTRODO – SOLUZIONE
Legge di Coulomb, campo Elettrico, potenziale elettrostatico, distribuzione della carica elettrica, distribuzione di Boltzmann, lunghezza di Debye, funzione potenziale per la porzione diffusiva dello strato limite. Reazioni elettrochimiche elementari: Cinetica di reazione vs. sovratensione. L’effetto dell’adsorbimento sulla cinetica. Caso della reazione di sviluppo dell’idrogeno, della riduzione dell’ossigeno e della formazione di fase.

REATTORI ELETTROCHIMICI
Parametri di merito: Conversione, efficienza di corrente, consumo di energia, voltaggio di cella, efficienza energetica. Condizioni di funzionamento: Reattore batch, reattore a singolo passo o a riciclo. Distribuzione del potenziale nella cella: Elettrodi, interfaccia elettrodo – soluzione, soluzione e membrana. Distribuzione della corrente: Primaria, secondaria e terzaria. Tipi di celle elettrolitiche: A piatti, rottative e con elettrodi porosi.

FENOMENI ELETTROCINETICI
Velocità Elettroosmotica, equazione di Helmholtz-Smoluchowski, elettroforesi, stabilità colloidale, energia potenziale tra particelle, membrane ion selettive e loro condizioni di equilibrio. Fenomeli elewtrokinetici indotti

TRATTAMENTI ELETTROCHIMICI DI SUPERFICIE
Rivestimenti galvanici: Effetto del substrato, del metallo depositato, della composizione del bagno galbanico, della corrente ed agitazione. Elettropulitura ed elettroformatura: Diagrammi pH vs. Potenziali, disoluzione anodica dei metalli, formazione di composti solubili, passivazione dei metalli per film e per adsorbimento. Tecnica di applicazione di pitture per cataforesi.

Syllabus

INTRODUCTION
Electrochemical systems: Batteries, electrolyzers, metal corrosion in wet. Constituents of electrochemical systems: Electrodes, electrolytes, electrode - electrolyte interface. Polarization of electrochemical systems.

ELECTROLYTES
Electrolyte classes: Electrolytes, liquids, solids, molten salts and ionic membranes. Characteristics of electrolytes: ion mobility, electrical conductivity, transport number. Liquid electrolytes: ion - solvent interaction, ion interaction, transport. Solid electrolytes: intrinsic and extrinsic defects, with open structure, mobility of ion defects. Molten salts: Transport, merged salts, solute - solvent interaction. Ionic membranes: Transport and permeselection.

ELECTRODES
Electrode material and electrode - solution interface. Electrode classes: Solid and liquid state, metal or semiconductor, coated or uncoated, compact or porous. New electrode materials: Oxide coatings, electrode material deposition on ionic membranes.

INTERFACE ELECTRODE - SOLUTION
Coulomb's Law, Electric field, electrostatic potential, electric charge distribution, Boltzmann distribution, Debye length, potential function for the diffusive portion of the boundary layer. Elemental electrochemical reactions: reaction kinetics Overvoltage. The effect of adsorption on kinetics. Case of the reaction of hydrogen development, oxygen reduction, and phase formation.

ELECTROCHEMICAL REACTORS
Parameters of merit: Conversion, current efficiency, energy consumption, cell voltage, energy efficiency. Operating conditions: Batch reactor, single-step or recycle reactor. Potential distribution in the cell: Electrodes, electrode interface - solution, solution and membrane. Power distribution: Primary, secondary and tertiary. Types of electrolyte cells: A flat, broken and with porous electrodes.

ELECTROCINETIC PHENOMENA
Electroosmotic speed, Helmholtz-Smoluchowski equation, electrophoresis, colloidal stability, potential energy between particles, selective ion membranes and their equilibrium conditions. Induced electrokinetic phenomena

ELECTROCHEMICAL TREATMENTS OF EFFLUENTS
Metal recovery by electrodeposition. Influence of electrochemical reactions. Electrodeposition from a solution containing one or more metals. Treatment of organic compounds. Direct and indirect oxidation. Electrochemical treatments of gaseous effluents. Electrochemical phase separation methods.

SURFACE ELECTROCHEMICAL TREATMENTS
Galvanized coatings: Effect of the substrate, of the deposited metal, of the galbanic bath composition, of the current and agitation. Electropolishing and electroforming: pH vs. Potential, metal anodic dissolution, formation of soluble compounds, passivation of metals by film and by adsorption. Application technique of cataphoresis paints

Bibliografia e materiale didattico

Dispense fornite dal Docente.
G. Bianchi, T. Mussini “Fondamenti di Elettrochimica” Masson, Milano (1993).
D. Pletcher, F. C. Walsh “Industrial Electrochemistry”, Second Edition, Capman and Hall, London, (1984).
K. Scott, “Electrochemical Processes for Clean Technology”, Royal Soc. of Chemistry, Cambridge (1995).

Bibliography

Lecture notes
G. Bianchi, T. Mussini “Fondamenti di Elettrochimica” Masson, Milano (1993).
D. Pletcher, F. C. Walsh “Industrial Electrochemistry”, Second Edition, Capman and Hall, London, (1984).
K. Scott, “Electrochemical Processes for Clean Technology”, Royal Soc. of Chemistry, Cambridge (1995).

 

Modalità d'esame

Esame orale con discussione di un argomento sviluppato dallo studente.

Assessment methods

Oral exam with discussion of a topic developed by the student.

Ultimo aggiornamento 11/11/2018 18:50