Впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов - водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода яв-ляется однородным веществом, факт открытия ее не-однородного состава можно назвать революцион-ным. Чего еще можно было требовать от первооткры-вателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о во-де как соединении двух элементов - водорода и кис-лорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие элект-рохимии
.
ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Р
ядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому
разложению
воды (подобное оп-ределение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окис-лительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие эле-менты.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды вы-делялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружи-лось два странных явления: во-первых, обе состав-ные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга - кислород у одного электрода, водо-род - у другого; во-вторых, наблюдалось образова-ние кислоты у кислородного полюса и щелочи у во-дородного. Это
«странное» разложение воды озада
чило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.
То обстоятельство, что при пропускании через во-ду электрического тока выделялись водород и кисло-род, вполне устраивало ученых, ибо как бы под-тверждало ставшее уже господствующим мнение о составе воды. Вопрос же о том, каким образом эти составные части выделялись, при каких сопутствую-щих обстоятельствах, хотя и занимал ученых того времени, но все же не в такой степени: их внимание было направлено главным образом на вторую «странность»
, ибо она наводила тень сомнения на от-крытую формулу воды.
Неизбежно встал вопрос о том, что является причиной образования кислоты и щелочи при электролизе воды.
За решение этой загадки взялся выдающийся анг-лийский химик Гемфри Дэви
(1778—1829). Дэви ря-дом опытов, казалось бы, подтвердил предполагае-мый всеми учеными того времени факт, что образо-вание кислоты и щелочи при электролизе воды - яв-ление случайное, не связанное с самой водой, состо-ящей, как это и было определено Лавуазье, из водо-рода и кислорода. Но, каким образом Дэви удалось это «дока-зать».
Дэви проделал многочисленные опыты по «разло-жению» электричеством тщательно очищенной воды в различных сосудах: агатовых, стеклянных, сделан-ных из плавикового шпата, сернокислого барита и т.п., чтобы максимально уменьшить влияние мате-риала сосудов на результаты опытов. Во всех без ис-ключения опытах при электролизе воды он получал у анода сильную кислоту, у катода щелочь. Он связы-вал это с тем, что чистая вода отчасти все же разлага-ла материал сосудов, что и явилось причиной образо-вания кислоты и щелочи. Важным, однако, следстви-ем опытов было то, что количество образующихся у электродов кислоты и щелочи стояло в прямой за-висимости от продолжительности опытов, а именно: чем продолжительнее они были, тем больше образо-вывалось кислоты и щелочи и тем сильнее была их концентрация.
В опытах Дэви по электролизу различных раство-ров солей получалась аналогичная картина: у анода шло образование кислоты с выделением кислорода, у катода - образование щелочи с выделением водо-рода или чистого аммиака
. Сами эти процессы долж-ны были бы подтолкнуть по аналогии к выводам от-носительно общих закономерностей, относящихся к процессу электролиза.
Ведь хорошо известно, что при электролизе различных веществ у электродов
происходят окислительно-восстановительные про-цессы, но отнюдь не простое разложение веществ. Более того, только при наличии окислительно-вос-становительного процесса может идти и сам электро-лиз
.
При этом реакция окисления происходит у од-ного электрода, а реакция восстановления у другого. Поэтому было бы
самой грубой ошибкой
рассматри-вать электролиз как простой процесс разложения ве-ществ на составляющие их элементы, будь то вода, соль или кислота.
Окисление у одного полюса проис-ходит при одновременном восстановлении у другого, и наоборот. Эти положения суть святая святых элек-трохимических процессов, полностью согласующих-ся со вторым началом термодинамики
. Действитель-но, если мы возьмем примеры с электролизом солей, то легко видеть, что у анода происходила реакция восстановления с выделением кислорода (продуктом этой реакции, скапливаю-щимся у анода, во всех случаях выступала какая-ни-будь кислота). У катода происходила реакция окис-ления с выделением водорода или металла (продук-том этой реакции, скапливающимся у катода, всегда была какая-нибудь щелочь).
Естественно, казалось бы, распространить ту же закономерность и на воду: вода как химическое веще-ство, обладающее во многих отношениях кислотными свойствами, в принципе не может служить в данном случае исключением и просто разваливаться, подобно какой-нибудь механической смеси, на составляющие его части там, где все остальные вещества претерпева-ют сложные окислительно-восстановительные про-цессы. Поэтому уже априорно можно было бы ожи-дать при электролизе воды образования кислоты и щелочи у соответствующих электродов
. Вопрос только в том - какой кислоты и какой щелочи?
Но именно эта совершенно очевидная вещь отвер-галась. Мысль о ней не допускалась или ею попросту
пренебрегали. Притом делали это не какие-то диле-танты, а профессионалы высокого класса. Для них, сдается, каким-то символом веры, своего рода «свя-щенной коровой» стал факт, что вода состоит из двух элементов - водорода и кислорода, и они направляли все свои недюжинные способности именно на под-тверждение данного факта, но отнюдь не на проверку его истинности. То, что оба газа выделялись при эле-ктролизе, хотя и у разных электродов, как бы под-тверждало эту веру, даже вопреки всем законам элек-тролиза и термодинамики. При этом никого нисколь-ко не смущало, что вода вот так легко может разде-ляться на составные части, будто два склеенных кус-ка дерева, опущенных в воду.
Для того чтобы избежать вся-ких побочных влияний, Дэви провел ряд опытов в зо-лотых сосудах с хорошо очищенной водой. На протя-жении четырнадцати часов, в течение которых про-должался опыт, количество кислоты в анодном сосу-де постоянно возрастало. Дэви обнаружил, что она по своим свойствам ничем не отличалась от
азотной
кислоты,
которая точно таким же образом образовывалась в опытах, проводимых им прежде в стеклянных сосу-дах. В катодном же сосуде образовывалась летучая щелочь, количество которой скоро доходило до опре-деленного предела.
Она обнаруживала свойство ам-миака ( NH
3).
Дэви повторил свой опыт и продолжал его без пе-рерыва трое суток. К концу этого времени, как он сам свидетельствует, вода в сосудах была разложена и выпарилась больше чем на половину своего перво
начального объема. В результате, в анодном сосуде образовалась сильная азотная кислота, количество же щелочи оставалось примерно на том же уровне, как и в предыдущем опыте.
Дэви посчитал, что по-следнее было связано с ее постоянным испарением.
Вода "под пыткой" у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безу-коризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по элек-тролизу воды под колоколом воздушного насоса. По-чему в этом опыте образовалось лишь небольшое ко-личество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действи-тельно ли, как думал Дэви, это было связано с отсут-ствием воздуха, выкачанного из-под колокола? От-части да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серь-езную ошибку в своем первоначальном предположе-нии, что причиной образования кислоты и щелочи
являлся азот воздуха. Образование кислоты и щело-чи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом
. Один этот факт должен был бы на-толкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких со-лей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать по-стоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стоя-ло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.
Главное, однако, не в этом, а в том, что именно происходило в опытах под колоколом и почему, в от-личие от обычных условий, там образовалось лишь небольшое количество кислоты и вовсе не было ще-лочи. Рассмотрим, прежде всего, возможное влияние на результаты опыта сильно разреженной атмосфе-ры. Известно, что в разреженной атмосфере происхо-дит быстрое выделение из жидкостей растворенных в ней газов и значительно ускоряется процесс ее ис-парения, причем последний вначале затрагивает бо-лее летучие вещества, а затем вещества менее лету-чие. Естественно предположить, что в опытах Дэви в сильно разреженной атмосфере начался, прежде всего, процесс выделения из раствора летучей щело-чи, которая отчасти поэтому и не была обнаружена в катодном сосуде. Затем, поскольку температура ки пения азотной кислоты ниже температуры кипения воды, стала также частично испаряться и азотная кислота, образующаяся в анодном сосуде.
Этим, однако, побочные влияния на ход опыта не ограничивались. Поскольку при электролизе воды выделяются кислород и водород, причем объем вы-деляющегося водорода в семь раз превышает объем кислорода, эти газы, и, прежде всего, водород, не мог-ли не оказывать своего влияния на ход опыта.
Если в обычных условиях, т.е. не под колоколом, как ам-миак, так и водород, образующиеся во время опыта, улетучивались и не влияли на исход опыта, то под колоколом эти вещества собирались в замкнутом пространстве. Аммиак мог при этом частично всту-пать в реакцию с образующейся азотной кислотой, нейтрализуя какую-то ее часть. Помимо того, и это, может быть, самое главное, водород как сильный вос-становитель, собираясь в значительном количестве под колоколом, несомненно оказывал воздействие на весь ход реакции, давая те результаты, которые и бы-ли зафиксированы Дэви как окончательные.
Иллюстрация восстановительного действия водорода.
Е
сли, взять два электрода, один из которых представляет полированную серебряную пластинку, а другой - обычную швейную иглу, поместить их под колокол, и в сильно разреженном воздухе пропус-кать электрический ток так, чтобы электрический разряд переходил с кончика иглы на полированную пластинку, то напротив кончика иглы пластинка за-метно изменится - она окислится и потускнеет, и тем больше, чем дольше будет пропускаться электричес-кий ток. Если же после этого воздух заменить разре-женным водородом, то при всех прочих равных и не-изменных условиях, дальнейшее пропускание тока приведет к тому, что окись на пластинке будет посте-пенно сходить, и полировка по большей части вос
становится, что хорошо иллюстрирует восстанавли-вающие свойства водорода.
В
торой пример из области живой природы. Клод Бернар приводит такой опыт: он смешивал один объ-ем воздуха с двумя объемами водорода и помещал в эту атмосферу семена. При всех прочих благопри-ятных условиях (влага, тепло и проч.) прорастания семян не происходило, хотя напряжение кислорода при этом было вполне достаточным для жизнедея-тельности
. Очевидно, что негативный результат был обязан опять-таки действию водорода, оказывавшего сильное восстанавливающее действие, препятствуя течению окислительно-восстановительного процес-са, а вместе с ним и образованию его необходимых продуктов - кислоты и щелочи.
Т
ретье: из физической химии хо-рошо известно, что азотная кислота является легко восстанавливающимся веществом. Она, например, восстанавливается водородом до свободного азота:
2
N
0 3
+ 12Н + 10е—>
N
2
+ 6Н 2 0
Это свойство азотной кислоты специально ис-пользуется в некоторых гальванических элементах для предотвращения поляризации. В этих случаях азотную кислоту добавляют в катодное отделение, где выделяется водород.
Аналогичные процес-сы происходили и под колоколом в опытах Дэви. Когда он во втором опыте заменил воздух водородом, то тем самым создал там мощную восстановитель-ную среду, действие которой не преминуло сказаться на результатах: в анодном сосуде естественно не бы-ло (и не могло быть) обнаружено кислоты, в катод
ном - щелочи. Все было естественно и закономерно. Но факт остается фактом: опыты Дэви убедили всех окончательно, что вода состоит из двух простых эле-ментов - водорода и кислорода.
Дэви
удалось лишь создать условия, при которых во время электролиза воды не образовывались ни кислота, ни щелочь, которые неизменно образуются внормальных, естественных условиях.
Однако предположим, что вода действительно со-стоит из водорода и кислорода. Тогда естественно было бы предполагать, что, коль скоро вода с такой легкостью разлагается на свои составные части, она должна столь же легко образовываться в результате их синтеза.
Ничего подобного, однако, не происхо-дит. Как известно, смесь двух газов в пропорции один к двум (один объем кислорода и два объема во-дорода) дает так называемый гремучий газ, но от-нюдь не воду. Попытки образования воды из водоро-да и кислорода имели успех только в присутствии ка-тализатора (кстати, в роли катализатора может при этом выступать и железо, то самое железо, над кото-рым Лавуазье пропускал пары воды и извлекал свои исторические выводы).
Можно сказать, что большинство опытов по определению химического состава воды было направлено не
столько на объективные поиски, сколько на подгонку их результатов к уже имеющемуся выводу, который стал поистине символом веры. «Черный ящик» давал в основном ту информацию, которую от него ожида-ли и которую часто заведомо предопределяли на-правленным действием на его входы.
Итак, множество фактов биологического, химиче-ского и физического свойства не дает оснований при-знать существующую формулу воды верной. Против нее говорят не только эмпирические факты, но и тео-ретические положения и, прежде всего, те, которые вытекают из таких фундаментальных положений, ка-ковыми являются начала термодинамики
. Именно - воздух и вакуум
- самозарождение
- электролиз воды (часть 2)
Обеззараживание воды прямым электролизом
Что такое прямой электролиз воды?
Прохождение электрического тока через обрабатываемую воду сопровождается серией электрохимических реакций, в результате которых в воде образуются новые вещества, и изменяется структура межмолекулярных взаимодействий. При прямом электролизе воды происходит синтез окислителей – кислорода, озона, перекиси водорода и др. Кроме этого в воде даже с очень низким содержанием хлоридов при прямом электролизе образуется остаточный хлор, что очень важно для пролонгированного эффекта обеззараживания воды.
Теория процесса электролиза воды
В упрощенном виде прямой электролиз воды состоит из нескольких процессов.
1) Электрохимический процесс .
В воде (H 2 O ) расположены параллельно две пластины (электроды): анод и катод. Напряжение постоянного тока, подаваемое на электроды, приводит к электролизу воды.
На аноде производится кислород : 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − (вода подкисляется).
На катоде образуется водород: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (вода подщелачивается).
Количество выделяющегося водорода незначительно и не является большой проблемой.
Использование специальных электродов позволяет производить из воды озон и перекись водорода.
На аноде производится озон : 3H 2 O → O 3 + 6e − + 6H + (вода подкисляется).
На катоде – перекись водорода : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H 2 O 2 + 2OH − (вода подщелачивается).
Естественная пресная (не дистиллированная) вода всегда содержит минеральные соли – сульфаты, карбонаты, хлориды. В целях получения хлора для пролонгированного эффекта обеззараживания воды интересны только хлориды. В воде они представлены в основном хлоридом натрия (NaCl), хлоридом кальция (CaCl) и хлоридом калия (KCl).
На примере с хлоридом натрия реакция образования хлора электролизом будет следующей.
Соль, растворенная в воде: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O
Во время электролиза на аноде формируется хлор: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (вода подкисляется).
А у катода образуется гидроокись натрия: Na + + OH – → NaOH (вода подщелачивается).
Эта реакция является недолгой, поскольку любой хлор, произведенный у анода, быстро потребляется для формирования гипохлорита натрия : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl .
Подобные реакции электролиза происходят и с хлоридами кальция и калия.
Таким образом, в результате электролиза пресной воды генерируется смесь сильных окислителей: кислород + озон + перекись водорода + гипохлорит натрия .
2) Электромагнитный процесс .
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный (со стороны водорода) и отрицательный (со стороны кислорода) заряды на полюсах. В электромагнитном поле водородная часть молекулы воды притягивается к катоду, а кислородная часть к аноду. Это приводит к ослаблению и даже разрыву водородных связей в молекуле воды. Ослабление водородных связей способствует образованию атомарного кислорода. Наличие в воде атомарного кислорода способствует уменьшению жесткости воды . В обычной воде всегда присутствует кальций. Ионы Са + окисляются атомарным кислородом: Са + + О → СаО. Окись кальция, соединяясь с водой, образует гидрат окиси кальция: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 . Гидрат окиси кальция – сильное основание, хорошо растворимое в воде. Аналогичные процессы происходят и с другими элементами жесткости воды.
3) Процессы кавитации .
В результате электрохимического и электромагнитного процесса происходит образование микроскопических газовых пузырьков кислорода и водорода. Вблизи поверхности электродов появляется белесое облачко, состоящее из возникших пузырьков. Увлекаемые потоком воды, пузырьки смещаются в область, где скорость потока меньше, а давление выше, и происходит их схлопывание с большой скоростью.
Мгновенное схлопывание пузырька высвобождает огромную энергию, которая разрушает водную стенку пузырька, т.е. молекулы воды. Следствием разрушения молекулы воды является образование ионов водорода и кислорода, атомарных частиц водорода и кислорода, молекул водорода и кислорода, гидроксилов и других веществ.
Перечисленные процессы способствуют образованию основного окислителя – атомарного кислорода .
В чём уникальность прямого электролиза воды?
Обеззараживание воды прямым электролизом является разновидностью окислительной обработки воды, но кардинально отличается от распространенных методов обеззараживания тем, что окислители производятся из самой воды, а не вносятся извне и, выполнив свою функцию, переходят в прежнее состояние. Эффективность обеззараживания воды прямым электролизом в несколько раз выше по сравнению с химическими методами. Прямой электролиз воды способствует удалению цветности, сероводорода, аммония исходной воды. Для прямого электролиза не требуются дозирующие насосы и использование реагентов.
Хлор, необходимый для предотвращения вторичного бактериального загрязнения воды в распределительных сетях, активируется из естественных минеральных солей в воде, проходящей через электролизёр, и моментально растворяется в ней. Прямой электролиз разрушает хлорамины, преобразуя их в азот и соль.
Низкоамперный электролиз воды
Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.
Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 210) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.
Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.
Рис. 210. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)
Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.
Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 46.
Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 56).
Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.
Таблица 56. Показатели электролиза воды
| Показатели | Сумма |
| 1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах t, мин | 6x10=60,0 |
| 2 – показания вольтметра V, Вольт | 11,40 |
| 2’ – показания осциллографа V’, Вольт | 0,40 |
| 3 – показания амперметра I, Ампер | 0,020 |
| 3’ – показания осциллографа, I’, Ампер | 0,01978 |
| 4 – реальный расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч | 0,0081 |
| 5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин | 6x50=300,0 |
| 6 – изменение массы раствора m, грамм | 0,60 |
| 7 – масса испарившейся воды m’, грамм | 0,06 |
| 8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г. | 0,54 |
| 9- количество выделившегося водорода ΔМ=0,54x1,23x0,09=0,06, грамм | 0,06 |
| 10 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г; | 0,015 |
| 11 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды | 5,25 |
| 12 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз; | 648,15 |
| 13 - энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч | 2,36 |
| 14 - энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P’), %; | 1035,80 |
| 14’ – энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wx100/P")% | 190322,6 |
Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.
Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 210) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.
Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.
Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 209).
Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 210) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 210). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 169 и 172) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 211, а).
Рис. 211: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки
На отрицательно заряженном электроде - катоде происходит электрохимическое восстановление частиц (атомов, молекул, катионов), а на положительно заряженном электроде - аноде идет электрохимическое окисление частиц (атомов, молекул, анионов). Ниже приведены классические формулы электролизов
1.Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты
Na 2 SO 4 ↔2Na + +SO 4 2−
A(+): 2H 2 O — 4e = O 2 + 4H +
Вывод: 2H 2 O (электролиз) → H 2 + O 2
2. Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион
NaOH ↔ Na + + OH −
K(-): 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH −
A(+): 2H 2 O — 4e = O 2 + 4Н +
Вывод: 2H 2 O (электролиз) → 2H 2 + O 2
При электролизе воды на аноде выделяется Кислород (), а на катоде Водород ()
Первый опыт проведём с целью получения водорода и кислорода.
Сделайте электролит из раствора пищевой соды (можно взять кальцинированную соду), опустите туда электроды и включите источник питания. Как только ток пойдёт через раствор, сразу станут заметны пузырьки газа, которые образуются у электродов: у "+" будет выделяться кислород, у "-" водород. Именно такое распределение газов происходит из-за того, что возле анода "+" происходит скопление отрицательных ионов OH-, и восстановление кислородда, а возле катода "-" скапливаются ионы щелочного металла, которые содержатся в кальцинированной соде (Na2CO3), имеющие положительный заряд (Na+) и одновременно происходит восстановление водорода. Восстановлении ионов натрия до чистого металла Na не происходит, так как металл натрий стоит в ряду напряжений металлов левее водорода
Li < K < Rb < Cs < Ba < Ca < Na
< Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au
Традиционно для получения водорода и кислорода из воды на автомобилях используют так называемые сухие электролизеры .
Еще их называют Генераторы ННО
Водород и кислород, полученный в двигателе, через генератор ННО путем электролиза, будет значительно ускорять зажигание топливной смеси в цилиндрах вашего двигателя, увеличивая выходную мощность бензинового или дизельного ДВС (Двигателя внутреннего сгорания). Водород зажигается в 1000 раз быстрее, чем испаренное жидкое топливо, тем самым, водород зажигая испаренное жидкое топливо и увеличивая работу взрывной силы поршня, на первой фазе его работы. Преимущества добавления ННО в топливную смесь двигателя внутреннего сгорания, включая дизельные двигатели, были хорошо изучены и документированы как правительством США, так и правительствами других стран, многими крупными университетами и исследовательскими центрами по всему миру.
ЭЛЕКТРОЛИЗ
совокупность электрохим. окислит.-восстановит. процессов, происходящих при прохождении электрич. тока через электролит с погруженными в него электродами. На катоде катионы восстанавливаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, напр.: Fe 3+ + eFe 2+ , Сu 2+ + 2е Сu (е - электрон). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с продуктами катодного процесса, к-рые рассматриваются в этом случае как промежут. в-ва Э. На аноде происходит окисление ионов или молекул, поступающих из объема электролита или принадлежащих материалу анода; в последнем случае анод растворяется или окисляется (см. Анодное растворение). Напр.:
Э. включает два процесса: миграцию реагирующих частиц под действием электрич. поля к пов-сти электрода и переход заряда с частицы на электрод или с электрода на частицу. Миграция ионов определяется их подвижностью и числами переноса (см. Электропроводность электролитов}.
Процесс переноса неск. электрич. зарядов осуществляется, как правило, в виде последовательности одноэлектронных р-ций, т. е. постадийно, с образованием промежут. частиц (ионов или радикалов), к-рые иногда существуют нек-рое время на электроде в адсорбир. состоянии.
Скорости электродных р-ций зависят от состава и концентрации электролита, материала электродов, электродного потенциала, т-ры, гидродинамич. условий (см. Электрохимическая кинетика).
Мерой скорости служит плотность тока -кол-во переносимых электрич. зарядов через единицу площади пов-сти электрода в единицу времени. Кол-во образующихся при Э. продуктов определяется Фарадея законами.
Дня выделения 1 грамм-эквивалента в-ва на электроде необходимо кол-во электричества, равное 26,8 А* ч. Если на каждом из электродов одновременно образуется неск. продуктов в результате ряда электрохим. р-ций, доля тока (в %), идущая на образование продукта одной из р-ций, наз. выходом данного продукта по току.
В электродном процессе участвуют в-ва, требующие для переноса заряда наименьшего электрич. потенциала; это м. б. не те в-ва, к-рые обусловливают перенос электричества в объеме р-ра. Напр., при Э. водного р-ра NaCl в миграции участвуют ионы Na + и Сl + , однако на твердых катодах ионы Na + не разряжаются, а протекает энергетически более выгодный процесс разряда протонированных молекул воды: Н 3 О+ + е --> 1/2H 2 + Н 2 О.
Применение Э.
Получение целевых продуктов путем Э. позволяет сравнительно просто (регулируя силу тока) управлять скоростью и направленностью процесса, благодаря чему можно осуществлять процессы как в самых "мягких", так и в предельно "жестких" условиях окисления или восстановления, получая сильнейшие окислители и восстановители. Путем Э. производят Н 2 и О 2 из воды, С1 2 из водных р-ров NaCl, F 2 из расплава KF в KH 2 F 3 .
Гидроэлектрометаллургия - важная отрасль металлургии цветных металлов (Сu, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов, Мn, Сr. Э. используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в р-р, а р-р подвергнут очистке. Такой процесс наз. электроэкстракцией. Э. применяют также для очистки металла - электролитич. рафинирования (электрорафинирование). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Рафинирование и электроэкстракцию проводят с жидкими электродами из ртути и амальгам (амальгамная металлургия) и с электродами из твердых металлов.
Э. расплавов электролитов - важный способ произ-ва мн. металлов. Так, напр., алюминий-сырец получают Э. криолит-глиноземного расплава (Na 3 AlF 6 + A1 2 O 3), очистку сырца осуществляют электролитич. рафинированием. При этом анодом служит расплав А1, содержащий до 35% Сu (для утяжеления) и потому находящийся на дне ванны электролизера. Средний жидкий слой ванны содержит ВаС1 2 , A1F 3 и NaF, a верхний - расплавленный рафинир. А1 и служит катодом.
Э. расплава хлорида магния или обезвоженного карналлита - наиб. распространенный способ получения Mg. В пром. масштабе Э. расплавов используют для получения щелочных и щел.-зем. металлов, Be, Ti, W, Mo, Zr, U и др.
К электролитич. способам получения металлов относят также восстановление ионов металла другим, более электро-отрицат. металлом. Выделение металлов восстановлением их водородом также часто включает стадии Э.- электрохим. ионизацию водорода и осаждение ионов металла за счет освобождающихся при этом электронов. Важную роль играют процессы совместного выделения или растворения неск. металлов, совместного выделения металлов и мол. водорода на катоде и адсорбции компонентов р-ра на электродах. Э. используют для приготовления металлич. порошков с заданными св-вами.
Другие важнейшие применения Э.- гальванотехника, электросинтез, электрохимическая обработка металлов,
защита от коррозии (см. Электрохимическая защита).
Электролизеры.
Конструкция пром. аппаратов для проведения электролитич. процессов определяется характером процесса. В гидрометаллургии и гальванотехнике используют преим. т. наз. ящичные электролизеры, представляющие собой открытую емкость с электролитом, в к-рой размещают чередующиеся катоды и аноды, соединенные соотв. с отрицат. и положит. полюсами источника постоянного тока. Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, оксиды железа, свинца, никеля, свинец и его сплавы; используют малоизнашивающиеся титановые аноды с активным покрытием из смеси оксидов рутения и титана (оксидные рутениево-титановые аноды, или ОРТА), а также из платины и ее сплавов. Для катодов в большинстве электролизеров применяют сталь, в т. ч. с разл. защитными покрытиями с учетом агрессивности электролита и продуктов Э., т-ры и др. условий процесса. Нек-рые электролизеры работают в условиях высоких давлений, напр, разложение воды ведется под давлением до 4 МПа; разрабатываются электролизеры и для более высоких давлений. В совр. электролизерах широко применяют пластич. массы, стекло и стеклопластики, керамику.
Во мн. электрохим. произ-вах требуется разделение катодного и анодного пространств, к-рое осуществляют с помощью диафрагм, проницаемых для ионов, но затрудняющих мех. смешение и диффузию. При этом достигается разделение жидких и газообразных продуктов, образующихся на электродах или в объеме р-ра, предотвращается участие исходных, промежут. и конечных продуктов Э. в р-циях на электроде противоположного знака и в приэлектродном пространстве. В пористых диафрагмах через микропоры переносятся как катионы, так и анионы в кол-вах, соответствующих числам переноса. В ионообменных диафрагмах (мембранах) происходит перенос либо только катионов, либо анионов, в зависимости от природы входящих в их состав ионогенных групп. При синтезе сильных окислителей используют обычно без-диафрагменные электролизеры, но в р-р электролита добавляют К 2 Сr 2 О 7 . В процессе Э. на катоде образуется пористая хромит-хроматная пленка, выполняющая ф-ции диафрагмы. При получении хлора используют катод в виде стальной сетки, на к-рую наносят слой асбеста, играющий роль диафрагмы. В процессе Э. рассол подают в анодную камеру, а из анодной камеры выводят р-р NaOH.
Электролизер, применяемый для получения магния, алюминия, щелочных и щел.-зем. металлов, представляет собой футерованную огнеупорным материалом ванну, на дне к-рой находится расплавленный металл, служащий катодом, аноды же в виде блоков располагают над слоем жидкого металла. В процессах мембранного получения хлора, в электросинтезе используют электролизеры фильтр-прессного типа, собранные из отд. рам, между к-рыми помещены ионообменные мембраны.
По характеру подключения к источнику питания различают монополярные и биполярные электролизеры (рис.). Монополярный электролизер состоит из одной электролитич. ячейки с электродами одной полярности, каждый из к-рых может состоять из неск. элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярный электролизер имеет большое число ячеек (до 100-160), включенных последовательно в цепь тока, причем каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой как анод. Монополярные электролизеры обычно рассчитаны на большой ток и малые напряжения, биполярные - на сравнительно небольшой ток и высокие напряжения. Совр. электролизеры допускают высокую токовую нагрузку: монополярные до 400-500 кА, биполярные эквивалентную 1600 кА.
Электролиз широко используется в производственной сфере, например, для получения алюминия (аппараты с обожженными анодами РА-300, РА-400, РА-550 и т.д.) или хлора (промышленные установки Asahi Kasei). В быту этот электрохимический процесс применялся значительно реже, в качестве примера можно привести электролизер для бассейна Intellichlor или плазменный сварочный аппарат Star 7000. Увеличение стоимости топлива, тарифов на газ и отопление в корне поменяли ситуацию, сделав популярной идею электролиза воды в домашних условиях. Рассмотрим, что представляют собой устройства для расщепления воды (электролизеры), и какова их конструкция, а также, как сделать простой аппарат своими руками.
Что такое электролизер, его характеристики и применение
Так называют устройство для одноименного электрохимического процесса, которому требуется внешний источник питания. Конструктивно это аппарат представляет собой заполненную электролитом ванну, в которую помещены два или более электродов.
Основная характеристика подобных устройств – производительность, часто это параметр указывается в наименовании модели, например, в стационарных электролизных установках СЭУ-10, СЭУ-20, СЭУ-40, МБЭ-125 (мембранные блочные электролизеры) и т.д. В данных случаях цифры указывают на выработку водорода (м 3 /ч).
Что касается остальных характеристик, то они зависят от конкретного типа устройства и сферы применения, например, когда осуществляется электролиз воды, на КПД установки влияют следующие параметры:
Таким образом, подавая на выходы 14 вольт, мы получим 2 вольта на каждой ячейке, при этом на пластинах с каждой стороны будут разные потенциалы. Электролизеры, где используется подобная система подключения пластин, называются сухими.
- Расстояние между пластинами (между катодным и анодным пространством), чем оно меньше, тем меньше будет сопротивление и, следовательно, больший ток пройдет через раствор электролита, что приведет к увеличению выработки газа.
- Размеры пластины (имеется в виду площадь электродов), прямо пропорциональны току, идущему через электролит, а значит, также оказывают влияние на производительность.
- Концентрация электролита и его тепловой баланс.
- Характеристики материала, используемого для изготовления электродов (золото – идеальный материал, но слишком дорогой, поэтому в самодельных схемах используется нержавейка).
- Применение катализаторов процесса и т.д.
Как уже упоминалось выше, установки данного типа могут использоваться как генератор водорода, для получения хлора, алюминия или других веществ. Они также применяются в качестве устройств, при помощи которых осуществляется очистка и обеззараживание воды (УПЭВ, VGE), а также проводится сравнительный анализ ее качества (Tesp 001).
Нас, прежде всего, интересуют устройства, производящие газ Брауна (водород с кислородом), поскольку именно эта смесь имеет все перспективы для использования в качестве альтернативного энергоносителя или добавок к топливу. Их мы рассмотрим чуть позже, а пока перейдем к конструкции и принципу работы простейшего электролизера, расщепляющего воду на водород и кислород.
Устройство и подробный принцип работы
Аппараты для производства гремучего газа, в целях безопасности, не предполагают его накопление, то есть газовая смесь сжигается сразу после получения. Это несколько упрощает конструкцию. В предыдущем разделе мы рассмотрели основные критерии, влияющие на производительность аппарата и накладывающие определенные требования к исполнению.
Принцип работы устройства демонстрирует рисунок 4, источник постоянного напряжения подключен к погруженным в раствор электролита электродам. В результате через него начинает проходить ток, напряжение которого выше точки разложения молекул воды.
Рисунок 4. Конструкция простого электролизера
В результате этого электрохимического процесса катод выделяет водород, а анод – кислород, в соотношении 2 к 1.
Виды электролизеров
Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.
Сухие
Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.
Проточные
С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».
Рис 5. Конструкция проточного электролизера
Принцип работы устройства следующий:
- входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
- в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
- электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».
Мембранные
Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.
Рис 6. Электролизер мембранного типа
Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.
Диафрагменные
В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.
Пояснение:
- Выход для кислорода.
- U-образная колба.
- Выход для водорода.
- Анод.
- Катод.
- Диафрагма.
Щелочные
Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.
На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO 3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:
- Можно использовать железные электроды.
- Не выделяются вредные вещества.
Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.
Электролизер для получения водорода: чертежи, схема
Рассмотрим, как можно сделать мощную газовую горелку, работающую от смеси водорода с кислородом. Схему такого устройства можно посмотреть на рисунке 8.
Рис. 8. Устройство водородной горелки
Пояснение:
- Сопло горелки.
- Резиновые трубки.
- Второй водяной затвор.
- Первый водяной затвор.
- Анод.
- Катод.
- Электроды.
- Ванна электролизера.
На рисунке 9 представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.
Рис. 9. Блок питания электролизной горелки
На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:
- Транзисторы: VT1 – МП26Б; VT2 – П308.
- Тиристоры: VS1 – КУ202Н.
- Диоды: VD1-VD4 – Д232; VD5 – Д226Б; VD6, VD7 – Д814Б.
- Конденсаторы: 0,5 мкФ.
- Переменные резисторы: R3 -22 кОм.
- Резисторы: R1 – 30 кОм; R2 – 15 кОм; R4 – 800 Ом; R5 – 2,7 кОм; R6 – 3 кОм; R7 – 10 кОм.
- PA1 – амперметр со шкалой измерения не менее 20 А.
Краткая инструкция по деталям к электролизеру.
Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150х150 мм из кровельного железа (толщина листа 0,5 мм). Для работы с вышеописанным блоком питания потребуется собрать электролизер на 81 ячейку. Чертеж, по которому выполняется монтаж, приведен на рисунке 10.
Рис. 10. Чертеж электролизера для водородной горелки
Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.
Электролизер для автомобиля своими руками
В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на 11 рисунке.
Упрощенная схема электролизера для автомобиля
По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.
Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.
Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.
Электролизер своими руками для отопления дома
Делать самодельный электролизер для отопления дома на данный момент не имеет смысла, поскольку стоимость водорода, полученного путем электролиза значительно дороже природного газа или других теплоносителей.
Также следует учитывать, что температуру горения водорода не выдержит никакой металл. Правда имеется решение, которое запатентовал Стен Мартин, позволяющее обойти эту проблему. Необходимо обратить внимание на ключевой момент, позволяющий отличить достойную идею от очевидного бреда. Разница между ними заключается в том, что на первый выдают патент, а второй находит своих сторонников в интернете.
На этом можно было бы и закончить статью о бытовых и промышленных электролизерах, но имеет смысл сделать небольшой обзор компаний, производящих эти устройства.
Обзор производителей электролизеров
Перечислим производителей, выпускающих топливные элементы на базе электролизеров, некоторые компании также выпускают и бытовые устройства: NEL Hydrogen (Норвегия, на рынке с 1927 года), Hydrogenics (Бельгия), Teledyne Inc (США), Уралхиммаш (Россия), РусАл (Россия, существенно усовершенствовали технологию Содерберга), РутТех (Россия).