CILJ KOLEGIJA:
Upoznati studente s osnovama elektrokemijske kinetike i prijenosa mase u elektrokemijskim procesima. Povezati nova i prethodno stečena znanja i primijeniti ih na problematiku elektrokemijskih reaktora i elektrokemijskih procesa. Upoznati studente s osnovnim principima optimiranja elektrokemijskih procesa i sustava.
1. Tjedan
Uvod. Elektrokemijski sustav. Granica faza elektroda/elektrolit. Elektrokemijska pretvorba, Faradayevi zakoni. Vodiči, elektroliti, elektrokemijski članci. Praktično značenje dG u elektrokemijskim sustavima, usporedba elektrokemijkih i galvanskih članaka.
2. Tjedan
Prijelaz elektrona na granici faza elektroda/elektrolit: Električna struja i brzina reakcije. Dinamička ravnoteža na granici faza elektroda/elektrolit. Butler Volmerova jednadžba, parcijalne anodne i katodne struje, struja izmjene, prenapon, aktivacijski prenapon. Butler-Volmerova jednadžba kod malih prenapona, Butler Volmerova jednadžba kod velikih prenapona - Tafelova jednadžba. Reverzibilne i ireverzibilne reakcije.
3. Tjedan
Prijenos tvari u elektrokemijskim procesima:Vrsta transporta tvari kod elektrokemijskih procesa (difuzija, migracija, konvekcija). Nerst Planckova jednadžba. Prijenosni broj. Difuzijski sloj, provođenje elektrokemijske reakcije u stacionarnom i nestacionarnom stanju. Difuzijski prenapon. Ovisnost struje o potencijalu uz razne kontrole procesa.
.
4. Tjedan
Karakteristične veličine : konverzija, iskorištenje materijala, iskorištenje struje, utrošak energije, koeficijent prijenosa tvari, elektroaktivna površina po jedinici volumena reaktora, prostor vrijeme iskorištenje.
Bilanca napona.
5. Tjedan
Bilanca tvari. Toplinski učinci u elektrokemijskom reaktoru, Joulova toplina, reverzibilna toplina. Primjer proračuna bilance topline kod elektrolize aluminija.
6. Tjedan
Formiranje nove faze na granici faza elektroda/elektrolit: Elektrodne reakcije koje dovode do stvaranja nove faze. Formiranje ad atoma, nukleacija, rast kristala. Elektrodepozicija metala.
7. Tjedan
Raspodjela struje i potencijala : primarna, sekundarna i tercijarna raspodjela struje; Wagnerov broj, utjecaj i hrapavosti površine na raspodjelu struje, raspodjela struje u reaktoru s trodimenzionalnim elektrodama.
8. Tjedan
Potenciostatsko vođenje procesa i galvanostatsko vođenje procesa (proces pod kontrolom struje, proces pod kontrolom prijenosa tvari). Prijenos tvari u elektrokemijskom reaktoru (difuzija, konvekcija, migracija). Hidrodinamički granični sloj, difuzijski sloj. Prisilna i prirodna konvekcija, bezdimenzikske značajke kod prirodne i prisilne konvekcije.
9. Tjedan
Kolokvij
10. Tjedan
Mogućnosti izvedbe elektrokemijskog reaktora. Separatori (ion izmjenjivačke membrane i dijafragme). Elektrodni materijali, kataliza. Konfiguracija elektroda (monopolarne i bipolarne elektrode), prednosti i nedostaci pojedine konfiguracije. Osnovni tipovi reaktora. Optimizacija procesa.
11. Tjedan
Proces dobivanja aluminija postupkom elektrolize (Hall Heroultov proces). Dobivanje klora i lužine (amalgamski postupa, postupak sa separatorom, postupak s ion izmjenjivačkom membranom, postupak s kisikovom elektrodom).
12. Tjedan
Osnove o elektrokemijskim izvorima energije. Direktni i indirektni pretvornici energije. Galvanski članci: princip rada, osnovna podjela i izvedba. Superkondenzatori: princip rada, osnovna podjela i izvedba. Odnos snage i energije kod različitih izvora (Ragoneov dijagram).
13. Tjedan
Gorivni članci: princip rada, osnovna podjela i izvedba.
14. Tjedan
Mogućnosti primjene alternativnih izvora energije u industrijskim procesima. Primjeri iz prakse.
15. Tjedan
Kolokvij
Vježbe
1. Raspodjela potencijala pri elektrolizi, 2. Elektroplatiranje cinkom, 3. Elektrorafinacija srebra, 4. Gorivni članak, 5. Stacionarna i nestacionarna linearna difuzijska polarizacija.
Terenska nastava
Studenti se odvode u tvornicu gdje se odvija neki od elektrokemijskih proizvodnih procesa (dobivanje aluminija, galvanizacija).
RAZVIJANJE OPĆIH I SPECIFIČNIH KOMPETENCIJA STUDENATA:
Opće kompetencije koje će studenti razvijati na kolegiju su:
1. sposobnost primjene znanja iz matematike, prirodnih znanosti i inženjerstva na probleme iz prakse
2. sposobnost osmišljavanja i provođenja eksperimenata i interpretacije podataka
3. sposobnost primjene tehnika, vještina i modernih inženjerskih alata neophodnih za inženjersku praksu
4. sposobnost uočavanja, formuliranja i rješavanja inženjerskih problema
5. sposobnost uključivanja u timski rad i sposobnost primjene komunikacijskih vještina u inženjerskom kontekstu
6. sposobnost djelotvorne komunikacije u pismenom, usmenom i grafičkom obliku
7. raspoznavanje potrebe uključenja u kontinuirano cjeloživotno obrazovanje
8. raspoznavanje profesionalnih problema uključujući etičku odgovornost, sigurnost, kreativno poduzetništvo,lojalnost i predanost inženjerskom pozivu.
9. raspoznavanje aktualnih problema iz inženjerske prakse uključujući ekonomske, društvene, političke i ekološke probleme te globalni utjecaj.
Specifične kompetencije koje će studenti razvijati na kolegiju su:
1. Poznavanje fundamentalnih koncepata elektrokemije i kemijskog inženjerstva primijenjenih na probleme elektrokemijskog i korozijskog inženjerstva.
2. Primijeniti fundamentalna znanja iz elektrokemije i kemijskog inženjerstva na razvoj elektrokemijskih reaktora.
3. Sposobnost primjene znanja iz elektrokemijskog inženjerstva na problem iz prakse.
4. Poznavanje osnovnih elektrokemijskih procesa koji se vode u praksi.
5. Poznavati razliku između spontanih elektrokemijskih procesa i elektrolize.
OBAVEZE STUDENATA U NASTAVI I NAČINI NJIHOVA IZVRŠAVANJA:
Studenti su obavezni:
1. Prisustvovati ispitima znanja.
2. Redovito pohađati predavanja i vježbe.
3. Redovito izrađivati izvještaje s vježbi (unutar 7 dana do slijedećeg termina vježbi).
4. Rješavati računske zadatke.
UVJETI ZA DOBIVANJE POTPISA:
Redovito izvršavanje obaveza - svaki izostanak smatrat će se opravdanim samo uz liječničku ispričnicu.
NAČIN IZVOĐENJA NASTAVE:
predavanja, vježbe u laboratoriju, terenska nastava
NAČIN PROVJERE ZNANJA I POLAGANJA ISPITA:
- domaće zadaće
- kolokviji/parcijalni ispiti
- pismeni ispit
- usmeni ispit
NAČIN PRAĆENJA KVALITETE I USPJEŠNOSTI KOLEGIJA:
Studentska anketa
METODIČKI PREDUVJETI:
Prijenos tvari i energije
i) ISHODI UČENJA KOLEGIJA:
1. Kritički prosuđivati probleme koji se mogu javiti prilikom vođenja elektrokemijskih procesa
2. Argumentirati osnovne elektrokemijske procese koji se vode u praksi
3. Računski utvrditi parametre za predloženi ogledni primjer procesa
4. Odabrati odgovarajući elektrokemijski reaktor i neophodnu opremu za provođenje procesa elektrolize
5. Upravljati elektrokemijskom opremom
6. Predvidjeti potrošnju energije u procesu elektrolize
j) ISHODI UČENJA NA RAZINI PROGRAMA:
1. Kritički ocijeniti podatke te iz njih izvlačiti zaključke
2. Vrednovati primjenu novih tehnologija, odnosno tehnologija u nastajanju
3. Metodički razvrstavati znanje iz različitih područja te iz njih sustavno izvlačiti zaključke
k) NASTAVNE JEDINICE S PRIPADAJUĆIM ISHODIMA UČENJA I KRITERIJIMA VREDNOVANJA
1. Proučavanje elektrokemijskog reaktora na bazi mikrokoncepta (osnove elektrokemije, prijelaz elektrona na granici faza, prijenos tvari)
Ishodi učenja:
-usporediti kemijske i elektrokemijske reakcije
-poznavanje osnova ionike i elektrodike
-poznavanje granice faza elektroda/elektrolit
-usporediti kemijskie i elektrokemijske reakcije
-poznavanje granice faza elektroda/elektrolit
- razlikovati elektrokemijski i galvanski članak
- opisati mjerenje elektrodnog potencijala
-znati navesti primjere elektrokemijskih reakcija
-znati i razumjeti kinetiku prijelaza elektrona
-razumijevanje raznih mehanizama reakcije
-znati i razumjeti reverzibilne i ireverzibilne procese
-znati različite vrste prijenosa tvari kod elektrokemijskih procesa
-analizirati prijenos tvari pri različitim uvjetima procesa
Kriteriji vrednovanja:
- navesti razlike između kemijske i elektrokemijske reakcije
- opisati elektrokemijski dvosloj i navesti modele dvosloja
- navesti razlike između kemijske i elektrokemijske reakcije
- opisati elektrokemijski dvosloj i navesti modele dvosloja
- opisati dijelove i polaritet elektroda u elektrolizeru
- opisati mjerenje relativnog elektrodnog potencijala
- primijeniti Nernstovu relaciju
- definirati standardni elektrodni potencijal
- objasniti rad referentnih elektroda
- navesti primjere elektrokemijskih reakcija
- prikazati ovisnost brzine reakcije prijelaza naboja o potencijalu
- procijeniti najsporiji stupanj u elektrokemijskoj reakciji
-objasniti utjecaj adsorpcije i kemijske reakcije na elektrokemijsku reakciju
-objasniti reverzibilne i ireverzibilne procese
- opisati različite vrste prijenosa tvari
-objasniti važnost transporta mase
2. Proučavanje elektrokemijskog reaktora na bazi makrokoncepta (bilanca mase, bilanca napona, toplinski učinci, osnovni parametri i veličine u elektrokemijskom inženjerstvu).
Ishodi učenja:
- razumjeti posebnosti elektrokemijskog inženjerstva
- prepoznati važnost inženjerskih procesnih parametara na tijek elektrokemijskih reakcija
- postavljati bilance tvari i energije u elektrokemijskom reaktoru
- analizirati i minimizirati troškove energije i materijala
Kriteriji vrednovanja:
- za zadani proces definirati neophodne parametre
- proračunati odgovarajuće parametre za zadani proces
- analizirati utroške energije za elektrokemijski reaktor
- napraviti bilancu mase u elektrokemijskom reaktoru
2. Raspodjela struje i potencijala u elektrokemijskom reaktoru
Ishodi učenja:
- analizirati porijeklo neravnomjerne raspodjele struje i potencijala u elektrokemijskom reaktoru
- predvidjeti utjecaj neravnomjerne raspodjele struje na selektivnost i utrošak energije
- identificirati uzroke i posljedice neravnomjerne raspodjele struje i potencijala
Kriteriji vrednovanja:
- definirati raspodjelu struje i potencijala
- povezati raspodjelu struje i potencijala s učinkovitošću elektrokemijskog reaktora
- objasniti porijeklo neravnomjerne raspodjele struje i potencijala
- isplanirati reaktor s pravilnom raspodjelom struje i potencijala.
3. Potenciostatsko vođenje procesa i galvanostatsko vođenje procesa Transport tvari u elektrokemijskom reaktoru
Ishodi učenja
- razumjeti važnosti transporta tvari i naboja u elektrokemijskom reaktoru
- razlikovati različite načine transporta mase
- primijeniti bez-dimenzijske značajke u opisu transporta mase
Kriteriji vrednovanja
- definirati različite transporte mase u elektrokemijskom reaktoru
- matematički opisati transport mase u elektrokemijskom reaktoru
- objasniti nastajanje hidrodinamički graničnih slojeva
6. Izvedba elektrokemijskog reaktora
Ishodi učenja
-poznavanje osnovnih dijelova elektrokemijskog reaktora
- postaviti različite konfiguracije elektroda u elektrokemijskom reaktoru
- analizirati poznate primjere iz prakse
Kriteriji vrednovanja
- usporediti različite modele elektrokemijskog reaktora
- prikazati primjere iz tehnološke prakse
7. Tipični elektrokemijski procesi: Dobivanje aluminija, dobivanje klora i lužine, dobivanje adiponitrila. Povezivanje elektrokemijskih procesa i obnovljivih izvora energije.
Ishodi učenja
-poznavanje osnovnih elektrokemijskih procesa u praksi
Kriteriji vrednovanja:
-navesti i opisati osnovne elektrokemijske procese u praksi
|
-
materijali s predavanja, interni pisani materijali : https://moodle.srce.hr/2020-2021/course/view.php?id=77790, 1. Za elektrokemijsko inženjerstvo materijali s predavanja, interni pisani materijali, M. Kraljić Roković,
-
Electrochemical Engineering: Science and Technology in Chemical and Other Industries, H. Wendt, G. Kreysa, Springer, 1999.
-
Industrial Electrochemistry (odabrani djelovi), D. Pletcher, F. C. Walsch, Chapman and Hall, 1990.
|
Pristupačnost
