電化學工程電化學工程 (ELECTROCHEMICAL ENGINEERING) Chapter 9. 電化學在工業應用 9.1 9.1 電電透析法透析法 9 9.2 .2 電解分解法電解分解法 9.39.3 電化學加工電化學加工 9.49.4 電化學電化學研磨研磨 2 9.1 9.1 電透析法電透析法 原 理：薄膜法（陰陽離子分離薄膜法（陰陽離子分離） (1).電透析法很少被應用在海水淡化方面，因海水所含的 TDS 較高，若 以此法淡化海水，所耗費的每噸水耗電量將較 RO 法為高，不符合經濟 效益。 (2).電透析法亦屬薄膜程序（Membrane process ）之一種，早期運用於 鹽水的去礦化處理後製成為飲用水，其中往復式電透析法可大幅改善積 垢的問題，幾已成為電透析法之主流。 (3).電透析法係將無數的陰陽離子薄膜，交錯的串聯在一起，電解質 溶液則在膜間流動，兩側施以直流電電壓後，陽離子將移向陰極而陰離 子將移向陽極，其中陰離子可順利通過陰離子薄膜，但是再往前時卻會 被鄰近的陽離子膜阻擋，反之，陽離子也僅能通過陽離子膜，而無法通 過陰離子膜。 3 4 電透析法的電透析法的原理原理 5 電透析電透析法處理法處理流程圖流程圖 原理 當一反應器中具有電解質，而又有陰極陽極與電流通路時則稱之為一 電解反應槽(電池就是一個電解反應槽)，當電解反應槽中之電化學反 應為一自發性反應時，則會使陽極失去電子而陰極會得到電子，自動 形成電流通路產生電流，這種自發性的電解反應槽稱為賈凡尼電池 (Galvanic cell) ，當電化學反應為非自發性反應時，則必須藉由外加電 位的方式來驅使反應發生，而且外加的電位必須要能超過反應所需的 電位才能讓特定的電化學反應發生，這些反應所發生的電位稱之為反 應電位，通常以還原半反應式來表示，當還原半反應式的電位為正值 時表示其為一陰極反應，且電位越高越難發生反應，而還原半反式的 電位為負值時表示其為一陽極反應，且電位負越多越難發生反應，依 化學熱力學的觀點，當反應之Gibbs自由能(G)為負值時表示反應為自 發性反應，而 G又與電位值有關 E為電化學反應之淨電位差 F為法拉第常數 n為反應之電子數 6 9.2 9.2 電解分解法電解分解法 目前工業上最常使用的氰化物廢水之處理方法利用氧化、離子交換或 生物分解從廢水中除去氰化物，然後以化學混凝法除去重金屬，氧化 處理方法是利用氧化劑如氯氣、次氯酸鈉或臭氧等氧化氰化物成為氮 氣，其中鹼性加氯氧化法(alkaline chlorination)最常見。 若為較低濃度之氰化物廢水，可以使用某些經馴化的微生物族群，也 可用於處理含低濃度氰化物廢水。 7 8 重金屬電解還原之原理重金屬電解還原之原理 9 9.3 9.3 電化學加工電化學加工 電化學加工(Electrochemical Machining)是一種通過電化學反應去 除工件材料或是在其上鍍覆金屬材料等的一種加工方式，其原理係將 兩金屬片分別作為電極陽極和陰極，放在電解溶液中接上直流電源， 接於陽極之金屬將失去電子形成正離子溶於溶液中，正離子移向陰極 ，在陰極上得到電子而進行還原反應形成金屬，負離子移向陽極，在 陽極表面失去電子而進行氧化反應，在陽、陰電極表面發生得失電子 的化學反應稱之為電化學反應，利用這種電化學作用為基礎對金屬進 行加工(包括電解和鍍覆)的方法即電化學加工。 10 優點: 1. 應用的工件材料範圍廣，只要可以導電的材料都可以被加工，不受其 硬度及強度大小的影響。 2. 工具陰極不與工件直接接觸，故損耗少且可用容易加工成形的較軟材 料製成。 3. 工件加工面的表面粗糙度良好，不會產生毛邊，沒有殘留應力產生。 4. 可一次加工完成複雜的形狀，生產率高，加工速度比放電加工快許多 倍。 缺點: 1.電解液具有腐蝕性。 2.電解液流動不易均勻，致使加工面的精度難以嚴格控制。 3.只適用於具導電性的材料。 11 放電加工放電加工 利用存在於電極工具和工件小間隙的介電液在高壓電作用下，瞬間形 成放電通路，產生火花放電而得到密度極高的電子流，並在流通處產 生大量熱能，且於短時間內集中作用於欲加工的小區域範圍內，使其 快速成為高溫狀態，導致金屬熔化或氣化。 兩極間的電壓驟降，火花消失，用來放電作用之小間隙內的介電液恢 復絕緣性。 12 優點: 1.可加工任何可導電的工件材料，尤其適用於難切材料。 2.各種複雜形狀、細小孔、深孔、薄片工件和易碎材料等，加工過程中 不會產生切削力所引起的殘留應力或變形 3.電極材料可採用較軟且易於加工的良導體材料製成，如銅、石墨、黃 銅，鋼、鋅合金、鋁合金。 缺點: 1.加工速度慢，工件材料必須具導電性。 2.工件精度會因電極工具的消耗而產生誤差，和加工面會產生硬化層。 13 9.4 9.4 電化學研磨電化學研磨 電化學研磨(ECG)是ECM的先驅，它是結合磨削和電化學切削而從導電 工件上切除材料的一種電化學加工的方式。 該製程使用一種將絕緣磨料以導電膠合材料黏結的磨輪，DC電源連接 到工件及磨輪之導電膠合材料上，其中工件帶正電(陽極)，磨輪帶負 電(陰極)。電流經電刷流入主軸，再到達磨輪。 14 加工加工原理原理 在ECG加工中工件上材料的切除大部分是藉電解作用，磨料和工件 接觸僅佔極小部份。其中磨料的主要功用是作為一區隔物，將導電膠合 劑和工件分開，同時叉可填充電解液，電解作用就發生在些空間裡，同 時磨輪也自工件表面切除一層電阻膜，這層薄膜會造成電流流動的阻礙 ，而影響了電化學作用。 表面表面光度光度 以ECG直進研磨碳化鎢工件時，可得810in(0.200.25m)之表面光度 ，而以端面或橫進研磨時，表面光度為1012in(0.20 030m) ，若工 件為鋼和各種合金時，可得810in(0.200.25m)之表面光度。一般而 言，加工硬度愈高的合金時，可得愈佳的表面光度。以ECG 加工所得的 表面光度是在最大金屬切除速度下完成，而且不需再精加工。 15 應用應用 電化學研磨與其說它是一種新的研磨方法，它是使用傳統研 磨原理的一種金屬切除的新技術，ECG基本上是金屬的電化 學溶解，而傳統的研磨加工是以磨料顆粒從工件上切割下一 小片切削，而切除金屬，ECG製程並無溫昇問題，因此不會 因熱而造成危險，且可使用於各種導電材料，破裂檢驗程序 可予以簡化，且不會有熱產生的廢料，ECG製程中磨輪的磨 耗量比傳統研磨加工少很多，因ECG加工過程中，磨輪的接 觸力小，所以此法經常用於製造細、薄如皮下注射針頭和薄 壁管等的零件。 16 17 出處出處 電化學原理及應用(PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF ELECTROCHEMISTRY) 譯者:黃進益，原著:D.R.Crow 電透析法 18