Η παρούσα εργασία αποτελεί µια βιβλιογραφική µελέτη όσον αφορά στη συµβολή της Ηλεκτροχηµείας στη Βιωσιµότητα καθώς και στη συµβολή της Πράσινης Ηλεκτροχηµείας στη Βιώσιµη Ανάπτυξη. Αποτελείται από πέντε κεφάλαια:

Στο πρώτο κεφάλαιο παραθέτονται οι ιστορικοί σταθµοί στην Ηλεκτροχηµεία. Γίνεται αναφορά στα σηµαντικότερα επιστηµονικά γεγονότα που σηµάδεψαν την πορεία και την ανάπτυξη του κλάδου της Ηλεκτροχηµείας από το 1800 µ.Χ. έως το 1900 µ.Χ.

Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα σηµαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήµατα του πλανήτη µας, καθώς και στο ενεργειακό πρόβληµα, γεγονότα που υπαγόρευσαν την ανάγκη εύρεσης τρόπων και λύσεων για τη µείωση της επιβάρυνσης της ατµόσφαιρας (αέρας, νερό, έδαφος), και την ανάγκη εύρεσης νέων πηγών ενέργειας.

Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους ορισµούς της Βιωσιµότητας, της Πράσινης Χηµείας και των 12 αρχών της, όπως έχουν καθοριστεί από Διεθνή Επιστηµονικά Συνέδρια και Διασκέψεις.

Στο τέταρτο κεφάλαιο παραθέτονται αρχικά, στοιχεία που αφορούν χρήσιµες έννοιες στη θεωρία της Ηλεκτροχηµείας. Γίνεται διάκριση µεταξύ των ηλεκτροχηµικών και ηλεκτρολυτικών στοιχείων και τέλος, αναφέρονται γενικά οι τοµείς στους οποίους βρίσκουν εφαρµογές η Ηλεκτροχηµεία και η Πράσινη Ηλεκτροχηµεία.

Στο πέµπτο κεφάλαιο παραθέτονται συγκεκριµένες εφαρµογές και παραδείγµατα για κάθε τοµέα, που αφορούν στη συµβολή της Ηλεκτροχηµείας στη Βιωσιµότητα και της Πράσινης Ηλεκτροχηµείας στη Βιώσιµη Ανάπτυξη. Οι τοµείς αυτοί είναι:

• Τοµέας παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας µέσω της ανάλυσης λειτουργίας και χρήσης των στοιχείων καύσης (fuel cells).
• Τοµέας εξαγωγής µετάλλων.
• Τοµέας διαχείρισης υδατικών λυµάτων και βιοµηχανικών αποβλήτων.
• Τοµέας σύνθεσης οργανικών ενώσεων βιοµηχανικής σηµασίας.
• Τοµέας προστασίας διάβρωσης µεταλλικών κατασκευών.
• Τοµέας σύνθεσης ανόργανων ενώσεων βιοµηχανικής σηµασίας, όπως παραγωγή υδρογόνου µέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού µε ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, µια και το υδρογόνο θεωρείται το καύσιµο του µέλλοντος µε πολλά πλεονεκτήµατα.
• Τοµέας ανάπτυξης ανιχνευτών και βιοανιχνευτών για περιβαλλοντικό έλεγχο, καθώς και συµβολή ηλεκτροχηµικών ανιχνευτών στον τοµέα της Ιατρικής (ανίχνευση µεταλλάξεων στο DNA).
• Τοµέας χρήσης ιοντικών υγρών σε ηλεκτροχηµικές εφαρµογές, όπως στην επεξεργασία αποβλήτων, στην οξείδωση οργανικών ενώσεων, στην παραγωγή κραµάτων αλουµινίου, στην επεξεργασία ραδιενεργών αποβλήτων.

Στο παράρτηµα στο τέλος της εργασίας, γίνεται αναφορά σε γεγονότα της Αρχαιότητας που υποδηλώνουν την πιθανή χρήση ηλεκτροχηµικών στοιχείων (µπαταρίες) καθώς και ηλεκτροχηµικών διαδικασιών (επιµεταλλώσεις) σε αρχαϊκούς χρόνους.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Ιστορικοί σταθµοί στην Ηλεκτροχηµεία …………………………………………..4

1.1 Η πρώτη ηλεκτρική συστοιχία-1800 µ.χ …………………………………………………5

1.2 Η διάσπαση του νερού-1800 µ.χ …………………………………………………………6

1.3 Οι νόµοι της ηλεκτρόλυσης 1832 µ.χ ……………………………………………………6

1.4 Στοιχείο Daniell-1836 µ.χ ……………………………………………………………….8

1.5 Ηλεκτρικό στοιχείο καυσίµου …………………………………………………………..9

1.6 Ο πρώτος συσσωρευτής-1859 µ.χ ……………………………………………………..10

1.7 Η πρώτη µηχανή εσωτερικής καύσης-1860 µ.χ ………………………………………11

1.8 Το πρώτο ξηρό στοιχείο-1867 µ.χ ……………………………………………………..12

1.9 Η διάλεξη του φυσικοχηµικού Ostwald-1894 µ.χ ………………………………………12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Αναφορά στα σηµαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήµατα του πλανήτη και αίτια αυτών ……………………………………………………………………13

2.1 Η αύξηση του ανθρώπινου πληθυσµού …………………………………………………14

2.2 Ρύπανση-Μόλυνση-Υποβάθµιση-Κατηγορίες ρύπανσης………………………………15

2.3 Αίτια ρύπανσης …………………………………………………………………………16

2.4 Ατµοσφαιρική ρύπανση ………………………………………………………………..17

2.5 Ρύπανση υδάτων …………………………………………………………………………20

2.6 Ρύπανση εδάφους ……………………………………………………………………….21

2.7 Το Ενεργειακό πρόβληµα ………………………………………………………………21

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Βιωσιµότητα και Πράσινη Χηµεία………………………………………………..23

3.1 Βιωσιµότητα ……………………………………………………………………………24

3.2 Πράσινη Χηµεία και οι 12 Αρχές της ………………………………………………….25

ΚΕΦΑΛΑΙΟ4: Χρήσιµες έννοιες στην ηλεκτροχηµεία –Θεωρία –Εφαρµογές ………………..28

4.1 Χρήσιµες έννοιες στην ηλεκτροχηµεία-Θεωρία…………………………………………29

4.1.1 Ηλεκτρόλυση …………………………………………………………………29

4.1.2 Γαλβανικά στοιχεία-Μπαταρίες …………………………………………….31

4.2 Γενικά για τις εφαρµογές της ηλεκτροχηµείας ……………………………………….42

4.3 Η έννοια της πράσινης ηλεκτροχηµείας ………………………………………………44

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Εφαρµογές της πράσινης ηλεκτροχηµείας και συµβολή της ηλεκτροχηµείας στην βιωσιµότητα ……..……………………………………………………..46

5.1 Παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας-Στοιχεία καύσης ……………………………47

5.1.1 DMFC (Άµεσα στοιχεία καύσης µεθανόλης)……………………………….47

5.1.2 PEMFC (Στοιχεία καύσης µεµβρανικής ανταλλαγής πρωτονίων)……..…49

5.1.3. AFC (Αλκαλικά στοιχεία καύσης) ………………………………………….54

5.1.4 PAFC ( Στοιχεία καύσης φωσφορικού οξέος) ………………………….…56

5.1.5 MCFC (Στοιχεία καύσης λειωµένου άνθρακα) ……………………………58

5.1.6 SOFC (Στοιχεία καύσης στερεών οξειδίων) ………………………………60

5.1.7 RFC (Αναπαραγωγικά στοιχεία καύσης) ………………………………….62

5.1.8 Εφαρµογή οικιακής µονάδας Fuel Cell …………………………………….63

5.1.9 Το υβριδικό αυτοκίνητο …………………………………………………….63

5.2 Εξαγωγή µετάλλων …………………………………………………………………….68

5.2.1 Εισαγωγή-Παραδοσιακές µέθοδοι ………………………………………….68

5.2.2 Νέες ευκαιρίες για την εξαγωγή µετάλλων και την επεξεργασία αποβλήτων στα τηγµένα άλατα ……………………….………69

5.2.3 Η ανάγκη για τη νέα µεταλλουργική τεχνολογία παραγωγή σιδήρου ……………………………………………………………70

5.3 Ηλεκτροχηµικές προσεγγίσεις στη διαχείριση αποβλήτων ……………………….…73

5.3.1 Εισαγωγή ………………………………………………………………………73

5.3.2 Καθοδική επεξεργασία υδατικών λυµάτων και αποβλήτων………………79 Α. Βελτιστοποίηση σχεδιασµού ηλεκτροχηµικών Στοιχείων…………….80 Β. Ηλεκτροχηµικοί αντιδραστήρες και εφαρµογές ……………………….80

5.3.3 Ανοδική επεξεργασία υδατικών λυµάτων και οργανικών αποβλήτων ..….84

5.3.4 Ηλεκτροχηµικός καθαρισµός αέριων ρύπων ……………………………….85

5.4 Η χρήση της ηλεκτροχηµείας στη σύνθεση οργανικών ενώσεων ……………………86

5.4.1 Εισαγωγή ……………………………………………………………………..86

5.4.2 Βιοµηχανικές εφαρµογές …………………………………………………….88 Α. Πλεονεκτήµατα των ηλεκτροχηµικών διεργασιών …………………..88 Β. Μειονεκτήµατα των ηλεκτροχηµικών διεργασιών ……………………89

5.4.3 Παραδείγµατα οργανικών ενώσεων που παράγονται

ηλεκτροχηµικά σε βιοµηχανικό επίπεδο …………………………………….90 Α. Παραγωγή αδιπονιτριλίου ………………………………………………90 Β. Ταυτόχρονη παραγωγή ζεύγους προϊόντων

φθαλίδης και τριτοταγούς βουτυλοβενζαλδεΰδης…..………………….91 Γ. Ηλεκτρόλυση θειανθρενίου παρουσία κετονών ……………………….91 Δ. Ηλεκτρόλυση δισουλφονικών αλάτων ………………………………….93 Ε. Σύνθεση µεθανόλης µε υπερκρίσιµο CO2 ……………………………..94 ΣΤ. Ηλεκτροχηµική σύνθεση του ζεύγους ενώσεων

L-κυστεϊκό οξύ και L-κυστεΐνης ….…………………………………..94 Ζ. Σύνθεση οργανικών Carbamades µε Ο2^.-και CO2 …………………….95 Η. Ηλεκτροχηµική διεργασία αντικατάστασης χλωρίου..……………….96

5.5. Διάβρωση και προστασία µετάλλων µε ηλεκτροχηµικές Μεθόδους………………..99

5.5.1 Εισαγωγή ………………………………………………………………..……99 Α. Συνθήκες διάβρωσης ……………………………………………………99 Β. Παράγοντες που επηρεάζουν τη διάβρωση …………………………..101 Γ. Κοινές περιπτώσεις διάβρωσης ……………………………………….101 Δ. Τρόποι προστασίας από τη διάβρωση ………………………..………102

5.5.2 Ηλεκτροχηµικές εφαρµογές προστασίας από τη διάβρωση …..…………104 Α. Καθοδική προστασία θερµοδοχείων Boiler …………………………..104 Β. Προστασία δικτύων νερού χρήσης ………………………………..….105 Γ. Ανοδική προστασία εξαρτηµάτων και αντικειµένων

από αργίλιο (Al) …………………………………………………………108 Δ. Μέθοδος ανοδικής προστασίας για το χρωµατισµό κοσµηµάτων …..109 Ε. Γαλβανική επικάλυψη διαφόρων αντικειµένων για

προστατευτικό και διακοσµητικό ρόλο ……………………………….109 ΣΤ. Εφαρµογές γαλβανικής επικάλυψης µε Ψευδάργυρο…………..….110

5.6 Εφαρµογές της ηλεκτροχηµείας στη σύνθεση ανόργανων ενώσεων ……………….112

5.6.1 Βιοµηχανική σύνθεση Cl2 και NaOH ………………………………………112

5.6.2 Βιοµηχανική παραγωγή KMnO4 …………………………………………..113

5.6.3 Βιοµηχανική παραγωγή καθαρής AsH3 ……………………………………113

5.6.4 Ηλεκτροχηµική τεχνολογία παραγωγής όζοντος Ο3 ……………………..113

5.6.5 Βιοµηχανική παραγωγή υδρογόνου Η2 ……………………………………117 Α. Εφαρµογές Η2 ………………………………………………………….119 Β. Πλεονεκτήµατα έναντι συµβατικών πηγών ενέργειας………………122 Γ. Μειονεκτήµατα έναντι συµβατικών πηγών ενέργειας……………….123

5.6.6 Μια πράσινη διαδικασία για την προετοιµασία ηλεκτροδίων για µπαταρίες µολύβδου ……………………………………………………………………..124

5.7 Ηλεκτροχηµικοί ανιχνευτές και βιοανιχνευτές ………………………………….…..125

5.7.1 Εισαγωγή ……………………………………………………………………125

5.7.2 Εφαρµογές των βιοανιχνευτών στον περιβαλλοντικό έλεγχο …………….126 Α. Ανίχνευση οργανικής ρύπανσης ……………………………………….126 Β. Ανίχνευση φυτοφαρµάκων …………………………………………….126 Γ. Ανίχνευση φαινολών …………………………………………………….127 Δ. Ανίχνευση βαρέων µετάλλων και άλλων ρύπων ……………………..128

5.7.3 Εφαρµογές των ανιχνευτών στον προσδιορισµό µεταλλάξεων που σχετίζονται µε γενετικές ασθένειες ……………………………………129

5.8 Ιοντικά υγρά και πράσινη ηλεκτροχηµεία (RTILs) ………………………………..131

5.8.1 Εισαγωγή ……………………………………………………………………131

5.8.2 Η Χηµεία των ιοντικών υγρών …………………………………………….131

5.8.3 Ιοντικά υγρά και ηλεκτροχηµικές εφαρµογές …………………………….134 Α. Ιοντικά υγρά στην επεξεργασία αποβλήτων ………………………….134 Β. Ιοντικά υγρά στην οξείδωση οργανικών ενώσεων …………………..135 Γ. Ιοντικά υγρά για παραγωγή κραµάτων αλουµινίου ………………….135 Δ. Ιοντικά υγρά για ηλεκτροχηµική επεξεργασία ραδιενεργών

αποβλήτων ……………………………………………………………..136

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ…………………………………………………………………………………….137 1.Η πρώτη Μπαταρία …………………………………………………………………….137 2.Επιµετάλλωση και Αρχαιότητα……………………………………………………………….142

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ………………………………………………………………………………….143