F.G.Lepekhin - Elektrolisis air.Kemungkinan untuk melaksanakan kaedah yang menguntungkan secara bertenaga untuk menghasilkan hidrogen dalam elektrolisis air voltan rendah sedang dipertimbangkan. Pada masa yang sama, anggaran jumlah haba yang boleh diperolehi selepas pembakaran hidrogen mungkin lebih besar daripada tenaga yang diambil daripada rangkaian untuk menjalankan proses pengeluaran hidrogen. Dalam proses ini, hidrogen menjadi bukan sahaja "bahan api", tetapi sebenarnya adalah cecair kerja pam haba, kerana tenaga yang diperlukan untuk penceraian molekul air kepada hidrogen dan oksigen diperoleh dengan mengurangkan tenaga dalaman persekitaran. Dan ini adalah tenaga Matahari, terkumpul oleh Bumi selama berjuta-juta tahun kewujudannya. Mengikut piawaian manusia, rizabnya tidak terhad. Ia ditunjukkan bahawa kemungkinan sedemikian tidak bercanggah dengan mana-mana undang-undang fizik yang mantap, dan, oleh itu, boleh direalisasikan secara teknikal.

1. Pengenalan

Masalah tenaga hidrogen dalam tahun lepas dibincangkan dalam media, dan pada peringkat yang berbeza - dari Presiden AS D. Bush kepada Presidium Akademi Sains Rusia. Terdapat kereta dan kapal terbang yang menggunakan hidrogen sebagai bahan api. Selalunya, kesucian alam sekitar hidrogen sebagai bahan api ditunjukkan - semasa pembakaran, air terbentuk, dari mana ia, pada dasarnya, boleh diperolehi, dan diperolehi, dalam kuantiti yang besar dalam elektrolisis industri. Sudah tentu, ia boleh didapati, sebagai contoh, daripada metana, tetapi anda memerlukan metana, atau gas lain yang terbakar tanpa mengekstrak hidrogen daripadanya. Dan dalam elektrolisis industri, penggunaan tenaga untuk menghasilkan hidrogen adalah satu setengah hingga dua kali ganda daripada haba yang boleh dihasilkan dengan membakar hidrogen ini. Tetapi tenaga elektrik yang telah diperolehi daripada pembakaran bahan api hidrokarbon boleh ditukar kepada sama ada haba atau kerja, tetapi haba yang diperoleh daripada pembakaran hidrogen tidak boleh ditukar sepenuhnya kepada sama ada elektrik atau kerja. Menghasilkan hidrogen sebagai bahan api, bukan sebagai bahan mentah industri kimia kerana pengeluaran produk lain tidak menguntungkan dari segi ekonomi. Mahal. Ini adalah masalah utama dengan menggunakan hidrogen sebagai bahan api. Ia tidak boleh dikatakan bahawa mereka tidak mencari penyelesaian. Tetapi hakikatnya ia masih belum dapat diselesaikan. Adakah mungkin untuk mencarinya sama sekali, apa yang menghalang ini daripada berlaku, dan ke arah mana penyelesaian ini harus dicari - semua soalan ini akan dipertimbangkan dalam kerja ini.

2. Fizik dan elektrokimia

Memandangkan subjek pertimbangan ialah elektrolisis air, dan penemuan serta prinsip utamanya dikaji dalam fizik, kita akan mulakan dengan fizik. Dalam "Kursus Fizik" asas oleh O. D. Khvolson kita membaca: "Fenomena yang berlaku dalam elektrolit yang dimasukkan ke dalam litar tertutup dipanggil elektrolisis." Ia juga mentakrifkan apa itu "elektrolit", "anion" dan "kation". Dan selanjutnya, di tempat yang sama: "Dengan luar anion dan kation kelihatan sebagai hasil penguraian elektrolit, dan, lebih-lebih lagi, penguraian yang dihasilkan oleh arus yang melalui elektrolit." Semasa elektrolisis beberapa asid dan alkali, oksigen dan hidrogen dibebaskan. Kita melihat bahawa "arus terurai air." Jadi kami mengambil mudah dan jelas sehingga separuh kedua abad ke-19.

Walau bagaimanapun, dalam karya Clausius (1857), Helmholtz (1880) dan Arrhenius (1894), mekanisme elektrolisis telah ditubuhkan dan asas-asas teori pemisahan elektrolitik telah dicipta, yang tidak ketinggalan zaman hari ini. Clausus telah menegaskan bahawa jika kita meneruskan dari idea bahawa daya elektrik "menguraikan" elektrolit, mengatasi daya pertalian kimia, maka untuk setiap sebatian kimia beberapa bahan tertentu. daya elektrik untuk mengatasi pertalian ini. “Malah, walaupun yang paling lemah daya elektromotif menyebabkan elektrolisis dalam mana-mana elektrolit" - halaman 564, .

Kelebihan utama Helmholtz ialah dia menunjukkan dengan tepat peranan arus elektrik, mengetahui dari mana tenaga yang jelas digunakan semasa elektrolisis berasal, dan yang secara berangka sama dengan tenaga yang dikeluarkan semasa gabungan kimia produk elektrolisis. Dalam elektrolisis air, ini adalah tenaga yang dibebaskan apabila hidrogen terbakar dan menghasilkan air. Menurut Helmholtz, penguraian air semasa elektrolisis dilakukan disebabkan oleh tenaga dalaman elektrolit, dan tidak sama sekali "arus mengurai air." Ini adalah asas untuk idea menggunakan hidrogen sebagai cecair kerja pam haba dalam keadaan tertentu untuk elektrolisis air. Tetapi lebih lanjut mengenai perkara ini di bawah, tetapi sekarang mari kita beralih kepada elektrokimia.

Beliau mentakrifkan elektrolisis sebagai "proses pengurangan atau pengoksidaan bahan pada elektrod, disertai dengan pemerolehan atau kehilangan elektron oleh zarah bahan akibat tindak balas elektrokimia" (lihat A.I. Levin). Dan ini berbeza dengan ketara daripada apa yang difahami oleh fizik dengan elektrolisis. Jika matlamat fizik adalah untuk memahami undang-undang Alam, maka elektrokimia menyelesaikan masalah "memperhebatkan pengeluaran logam bukan ferus, jarang, mulia dan surih." Dalam fizik: “Dalam litar di mana elektrolit dimasukkan, tidak boleh ada arus tanpa elektrolisis, iaitu, penampilan ion pada elektrod yang bersentuhan dengan elektrolit Contohnya, Oswald dan Nernst (1889) menunjukkan bahawa apabila melalui pelepasan balang Leyden, yang mengandungi hanya 5 * 10 -6 coulomb, melalui larutan asid sulfurik, gelembung hidrogen diperoleh di katod, yang dimensinya ternyata agak konsisten dengan undang-undang pertama elektrolisis." Dan selanjutnya, di tempat yang sama - "Eksperimen A.P. Sokolov, yang berjaya membuktikan kewujudan polarisasi pada EMF bersamaan dengan 0.001 volt, adalah penting di sini. Tidak ada sebab untuk menganggap bahawa ini telah mencapai had di bawah polarisasi mana yang berhenti." Dan fenomena polarisasi elektrod, yang akan dibincangkan kemudian, timbul sebagai akibat daripada elektrolisis. Oleh itu, dalam fizik, elektrolisis berlaku pada voltan rendah sewenang-wenangnya pada elektrod. Ini boleh difahami - komponen kelajuan pergerakan huru-hara ion dalam elektrolit di bawah pengaruh medan elektrik, selepas menggunakan voltan pada elektrod, tidak dikuantisasi. Ia boleh berubah dengan jumlah yang tidak terhingga. Ambil perhatian bahawa, sebaliknya, tenaga yang diperlukan, sebagai contoh, untuk mengasingkan satu molekul air kepada oksigen dan hidrogen (kira-kira 1.228 eV) dikuantisasi. Ia tidak boleh disampaikan kepada molekul dalam bahagian, dalam satu perlanggaran dan kemudian dalam yang lain. Ini mesti dilakukan dengan segera, dalam satu interaksi tidak anjal.

Dan dalam elektrokimia, di mana keputusan praktikal adalah penting, sebagai contoh, voltan penguraian semasa elektrolisis air difahami sebagai voltan di mana gelembung hidrogen muncul pada elektrod neutral pada katod. Konsep ini, sudah tentu, penting dalam amalan, tetapi hari ini ia "...tidak mempunyai makna fizikal yang pasti." Oleh kerana isu ini penting dari segi praktikal apabila menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis, kami akan mempertimbangkannya dengan lebih terperinci.

3. Voltan lampau evolusi hidrogen

Proses yang berlaku apabila arus melalui elektrolit, baik dalam elektrolit itu sendiri dan pada kedua-dua elektrod, adalah sangat kompleks dan pelbagai. Atas sebab ini, keputusan elektrolisis selalunya tidak boleh dihasilkan semula. Apabila elektrolisis telah bermula, dan telah berlangsung untuk beberapa lama, ia tidak lagi mungkin untuk kembali ke keadaan asal selepas ia berhenti. Perubahan akan berlaku pada kedua-dua elektrolit dan pada elektrod, yang tidak akan dipulihkan walaupun selepas menunggu lama dengan sewenang-wenangnya. Dan permulaan elektrolisis tidak boleh dihasilkan semula - proses ini bergantung pada bahan dan keadaan permukaan elektrod, kehadiran kekotoran kecil di dalamnya, dll. Hampir sama berlaku untuk komposisi kimia elektrolit. Oleh itu, walaupun sehubungan dengan penggunaan proses elektrokimia yang meluas secara industri, kajian tentang fenomena elektrolisis seperti yang difahami oleh elektrokimia telah dan sedang dijalankan oleh banyak pihak. institusi khas, masih tiada kejelasan pemahaman yang lengkap tentang apa yang berlaku semasa elektrolisis. Semua butiran elektrolisis yang banyak di luar skop sains asas. Dia tidak berurusan dengan butiran.

Tetapi apa yang boleh kita katakan tentang elektrolisis, apabila kita tidak tahu segala-galanya tentang air. Justeru, “Ada satu pandangan yang menurutnya air adalah campuran pelbagai jenis molekul yang berkaitan, sebagai contoh, 8(H 2 O), 4(H 2 O)... dan molekul "mudah" H 2 O." Ini cuba menerangkan beberapa sifat anomali air. Dalam hal ini, perbincangan tentang mekanisme pergerakan ion H + atau H 3 O + dalam elektrolisis, tentang proses dalam lapisan ganda antara elektrod dan elektrolit Jelas bahawa ia wujud walaupun di antara gas dan elektrolit. badan padat, dan lebih-lebih lagi antara cecair dan pepejal. Sudah tentu, peranannya dalam proses elektrolisis adalah hebat. Tetapi tepat huraian kuantitatif peranan ini hampir tidak mungkin, dan mungkin tidak perlu. "Ia tidak bernilai" dari sudut pandangan sains asas, seperti yang dikatakan oleh ahli teori cemerlang kami Ya.

Sudah tentu, terdapat potensi lompatan antara elektrod dan elektrolit walaupun tanpa sebarang voltan yang digunakan secara luaran. Dan apabila ia berada di sana, dan walaupun arus lemah muncul, dan kita tidak melihat evolusi hidrogen pada katod, perubahan bermula pada elektrod dalam bahan elektrod, struktur permukaannya, dan komposisi elektrolit. berhampiran elektrod. Semuanya berubah mengikut masa dan tidak akan kembali. Menurut undang-undang fizik yang terkenal, semua proses yang bermula pada saat-saat pertama selepas voltan digunakan pada elektrod akan diarahkan terhadap punca yang menyebabkannya, iaitu, terhadap proses elektrolisis yang sedang berjalan. Ini adalah prinsip Le Chatelier. Akan bermula proses yang kompleks polarisasi elektrod. Beginilah cara kami menerangkan proses menentang proses elektrolisis ini. EMF kelihatan diarahkan terhadap voltan yang digunakan. Proses elektrolisis yang telah bermula hampir akan berhenti. Agar ia bergerak pegun dan pada kelajuan yang kita perlukan, kita perlu meningkatkan voltan luaran. Dan ini adalah "overvoltage". Tetapi nilainya tidak berkaitan dengan "potensi penguraian" atau "voltan penguraian" air, iaitu 1.228 volt. Ia bergantung pada kekuatan semasa, pada sifat elektrod, keadaan permukaannya, dll. Jadi, untuk tungsten, pada ketumpatan arus 5 mA setiap meter persegi. lihat ini ialah 0.33 volt.

Tidak sukar untuk mencari jumlah tenaga yang diperlukan untuk menguraikan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen, mengetahui berapa banyak tenaga yang dibebaskan semasa pembakaran satu gram-mol hidrogen. Tetapi ini tidak mempunyai sebarang daya bukti bahawa tenaga ini dibazirkan dengan tepat oleh arus. Jika elektrolisis berlaku pada voltan pada elektrod lebih daripada 1.228 volt, ini tidak bermakna arus yang menggunakan tenaga 1.228 eV untuk memusnahkan molekul air. Ya, tidak ada tempat, kecuali secara tersirat dalam , perkara ini dinyatakan. Tetapi ini bukan saintifik, tetapi monograf "...pengeluaran dan teknikal...", seperti yang dinyatakan dalam abstraknya. Mari kita pertimbangkan dengan lebih terperinci bagaimana tenaga dalaman elektrolit dibelanjakan untuk penguraian molekul air menjadi oksigen dan hidrogen semasa proses elektrolisis. Apakah mekanisme fenomena ini.

4. Mekanisme pemisahan air semasa elektrolisis

Persoalan bagaimana sebenarnya "arus mengurai air" dan dalam tindakan asas apa ini berlaku tidak dipertimbangkan dalam elektrokimia. A.I. Levin, sebagai contoh, menulis: "Ia boleh diandaikan bahawa salah satu daripada proses berikut akan berlaku di anod ...", dan kemudian tiga proses diberikan di mana molekul air neutral memberikan 4, atau 2 elektronnya ke anod, bertukar menjadi ion H + dan OH -. "Orang boleh menganggap" ini hebat. Tetapi bagaimana molekul neutral tiba-tiba melepaskan elektronnya. Lagipun, dia memerlukan "pembayaran" untuk ini - 1.228, 1.776 atau 2.42 eV dalam setiap tiga proses di atas. Dan sekaligus, dan bukan sebahagian. Siapa yang mempunyai tenaga ini berhampiran anod dan boleh membelanjakannya untuk memusnahkan molekul air.

Selanjutnya, A.I. Levin menulis: “...penurunan air yang diperhatikan semasa elektrolisis... dalam anolit menunjukkan berlakunya penguraian Ini nampaknya boleh berlaku melalui tindak balas
2H 2 O - 4 e - = O 2 + 2H +." (1)

"Nampaknya" - tetapi bagaimana? Elektrokimia tidak menjawab soalan-soalan ini. Ya, sebenarnya, dia tidak menegaskan bahawa ini sebenarnya yang berlaku. Tetapi dalam fizik semua ini tersedia. Kita membaca daripada O. D. Khvolson: “Satu tindak balas berlaku pada anod
SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 + O..." (2)

Dan sisa neutral asid sulfurik diperoleh daripada ion negatif, yang dineutralkan pada anod. Molekul asid sulfurik yang terhasil serta-merta terurai menjadi ion, menambah kehilangannya di anod dan katod. Mengikut senario ini, kepekatan molekul air dalam "anolit" sebenarnya berkurangan. Air terurai. Tetapi mengikut reaksi yang berbeza. Pelepasan ion negatif SO 4 2- pada anod kelihatan agak semula jadi. Benar, O. D. Khvolson menyenaraikan sejumlah besar tindak balas kimia yang berlaku dalam elektrolit. Tetapi apa yang penting bagi kami ialah garis umum, bukan butirannya.

Sekarang dari mana datangnya tenaga minimum 1.228 eV ini, yang masih perlu dibelanjakan dalam satu tindakan? Fizik tahu jawapan kepada soalan ini juga. Pada tekanan biasa, dan suhu 2000 darjah, tanpa sebarang elektrolisis, 0.081% daripada semua molekul air dipisahkan. Pada 5000 darjah, 95.4% daripada semua molekul air sudah hancur. Ini berlaku dalam tindakan interaksi tidak anjal antara dua molekul air neutral. Proses sedemikian diketahui oleh kita dalam fizik zarah.

Kebarangkalian tindak balas adalah sama dengan hasil darab isipadu fasa ini dan unsur matriks. Sekiranya tiada resonans zarah dalam sistem ini, ia biasanya ditetapkan kepada kesatuan. Apabila tenaga meningkat di atas ambang, kebarangkalian tindak balas meningkat secara mendadak - bahagian impuls isipadu fasa tumbuh seperti kubus impuls dalam sistem SDH. Dalam kes kami, semakin besar tenaga dua molekul air dalam SCI mereka, iaitu, semakin besar halaju relatif dan mutlak molekul yang berlanggar, semakin besar kebarangkalian salah satu daripadanya mereput menjadi hidrogen dan oksigen dalam tindakan itu. perlanggaran tak anjal dua zarah. Ini diperhatikan apabila suhu meningkat. Taburan kelajuan molekul diterangkan oleh taburan Maxwell. Ia sentiasa mengandungi "ekor" molekul bertenaga tinggi. Merekalah yang akan dihapuskan semasa "pemecahan diri" air pada sebarang suhu. Perkara yang sama berlaku semasa elektrolisis dalam tindak balas (2). Penyingkiran molekul dengan kelajuan tinggi daripada taburan halaju membawa kepada penurunan dalam kelajuan purata semua molekul. Kelajuan purata adalah berkadar dengan suhu. Kedua-dua semasa "pemecahan diri" molekul air dan semasa elektrolisis air, tenaga untuk penceraian molekul air diperoleh dengan mengurangkan tenaga dalaman cecair, iaitu disebabkan oleh penyejukannya dalam proses ini.

Sudah tentu, kerja arus dalam elektrolit, seperti dalam mana-mana konduktor, juga dibelanjakan untuk memanaskannya. Ion-ion, datang ke dalam gerakan dipercepatkan ke arah medan elektrik, secara elastik berinteraksi dengan molekul air neutral dan memindahkan sebahagian daripada tenaga mereka kepada mereka, memanaskan elektrolit. Jika perubahan dalam tenaga dalaman elektrolit ini disebabkan oleh pemanasan oleh arus adalah sama atau lebih besar daripada pengurangan tenaga dalaman elektrolit yang dibelanjakan untuk penguraian molekul air, maka suhunya akan tetap, atau ia akan memanaskan. naik. Inilah yang berlaku dalam elektrolisis industri. Ilusi dicipta: "arus mengurai air." Jika sebenarnya ini tidak berlaku, ia bukan "arus mengurai lembu", dan bukan magnitud "voltan penguraian" yang menghalang proses elektrolisis pada voltan rendah, apabila elektrolit mesti disejukkan, maka bagaimana bolehkah ini dicapai? Apakah sebab sebenarnya menghalang perkara ini?

5. Pam haba

Yang paling menarik dan berkesan dari semua percubaan untuk melaksanakan elektrolisis voltan rendah setakat ini boleh dianggap sebagai penjana hidrogen elektrik (EVG) dari V.V sumber EMF. Telah ditunjukkan bahawa jika elektrod dalam elektrolisis tidak diletakkan secara menegak, pada ketinggian yang sama, apabila ion bergerak secara mendatar, tetapi dipisahkan ketinggiannya, maka disebabkan oleh perbezaan jisim ion positif dan negatif, kini bergerak. naik dan turun dalam medan graviti Bumi, EMF akan berlaku. Medan graviti buatan yang dihasilkan oleh putaran memberikan kesan Tolman-Stewart. Mereka mempunyai pautan kepada karya R. Colley. Dalam paten, kesan ini digunakan dalam reka bentuk elektrolisis dengan putaran elektrolit. Ia telah dipatenkan di Amerika Syarikat pada tahun 1929 dan 1964. Kajian kuantitatif tentang kesan mengurangkan perbezaan potensi anod dan katod yang diperoleh dengan memutar elektrolisis telah diterbitkan dalam.

Seperti yang didakwa oleh V.V. Studennikov, dia berjaya mendapatkan "... penyejukan diri secara intensif bagi penyelesaian, menyediakan keadaan untuk menyerap haba dari persekitaran... iaitu, beroperasi dalam mod... pam haba." Malangnya, kenyataan ini terkandung dalam mesej yang disiarkan di Internet oleh V.V Studennikov sendiri, tetapi penerbitan saintifiknya tidak pernah muncul. Walau bagaimanapun, fakta menunjukkan kemungkinan menggunakan hidrogen sebagai cecair kerja pam haba adalah milik V.V. Kemungkinan cara yang lebih murah untuk menghasilkan hidrogen sebagai bahan api kelihatan agak pucat jika dibandingkan. Sudah tentu, proses yang berlaku dalam EVG boleh menjadi lebih kompleks daripada skema elektrolisis klasik. Dua fakta nampaknya penting. Pertama, semasa putaran, elektrolit sentiasa menggosok elektrod, "memperbaharui" mereka. Ini membawa kepada penurunan emf polarisasi. Dan kedua, tidak sumber luar EMF. Elektrolisis berlaku disebabkan oleh penurunan voltan dalaman sumber EMF. Dan rintangan elektrolit adalah rendah. Ini bermakna penurunan voltan juga kecil. Oleh itu penyejukan diri elektrolit. Kelemahan maut EVG ialah kaedah penjanaan EMF yang sangat mahal menggunakan tenaga medan graviti. Ia tidak boleh dibandingkan dalam apa cara sekalipun dengan penjanaan EMF apabila konduktor bergerak dalam medan magnet. Sekurang-kurangnya, tiada bukti bahawa dalam EVG EMF tidak benar-benar dijana hanya dengan memutarkan elektrolit dalam medan magnet Bumi. Nah, kenyataan bahawa sebagai tambahan kepada hidrogen, terdapat juga sumber voltan malar dalam litar luaran kelihatan sama sekali pelik. Kita perlu membuat keputusan - sama ada kita mendapatkan hidrogen dengan menyejukkan persekitaran, atau kita mereka bentuk mesin baharu untuk menjana elektrik.

6. Prospek

Penyelidikan dalam bidang tenaga hidrogen di Rusia sahaja dijalankan oleh 20 institut Akademi Sains Rusia. Sebahagian daripada mereka telah melakukan ini selama 20 tahun. Dicipta sel bahan api, digunakan dalam penyelidikan angkasa lepas. Tetapi kemungkinan besar ia tidak akan sampai ke pengeluaran dan pengenalan meluas mereka ke dalam kehidupan seharian kita untuk masa yang lama. Nilai saintifik sumbangan institut RAS dalam bidang ini adalah, secara sederhana, tidak hebat. Masalah utama tenaga hidrogen, yang disebutkan dalam pengenalan, tidak diselesaikan oleh mereka, dan tidak akan diselesaikan. Tiada pelanggan. Menambah baik elektrolisis industri menggunakan elektrolisis tradisional juga sia-sia.

Sahaja kaedah yang tidak konvensional penyelesaiannya, yang merupakan kebanyakan pencipta individu. Tetapi di antara mereka terdapat beberapa cadangan dan kenyataan yang meragukan, dan selalunya buta huruf. Contoh ini ialah "Tenaga Abadi Kazakova" dari Alma-Ata. Inilah yang ditulis seorang wartawan tentang karya ini, yang mungkin tidak memahami kerja Kazakov dengan baik. Kazakov menggunakan infrasound, dan mendakwa bahawa dengan kelajuan yang sangat besar"elektrolisis air sendiri" sedang berlaku. Fenomena ini tidak diketahui dalam fizik. Dalam satu saat, 9 meter padu hidrogen diperolehi, iaitu, kira-kira 7 liter air sesaat "terpecah sendiri" menjadi hidrogen dan oksigen. Jika ini benar, maka kapasiti pemasangan ialah 95 MW. Sekiranya terdapat kira-kira 200 liter air di dalam tangki, maka dalam 2-3 saat ia sepatutnya membeku. Benar, penulis hanya memerlukan 100 ribu dolar untuk mengeluarkan reka bentuk industri dan menggembirakan manusia. Sebagai peraturan, tiada penerbitan saintifik oleh pengrajin sedemikian mengenai topik ini. Selalunya mereka memarahi konservatif" sains rasmi“Pemeriksaan terhadap pemohon sebegini selalu mendedahkan bahawa mereka, kerana kesederhanaan hati atau kejahilan, adalah angan-angan.

Ada kemungkinan bahawa daripada semua yang telah diperkatakan, hanya EVG Studennikov yang mungkin mempunyai beberapa prospek jika ia berfungsi seiring dengan pam haba mampatan konvensional. Kemudian ia akan menggunakan haba persekitaran dengan pam haba konvensional dan menghasilkan hidrogen dengan pekali penukaran yang sama dengannya dan pam haba, malah lebih besar sedikit daripada satu. Tetapi semua ini masih perlu dilakukan dan dilakukan. Perkara utama yang saya ingin tunjukkan di sini ialah tiada halangan asas, termasuk keperluan untuk mengatasi "potensi penguraian air" dengan meningkatkan voltan yang digunakan pada elektrod.

kesusasteraan

1. O. D. Khvolson, Kursus Fizik, RSFSR, Gosizdat, Berlin, 1923, jld.
2. A. I. Levin, Asas teori elektrokimia, Negeri. Saintifik dan teknikal Rumah penerbitan, Moscow, 1963.
3. A. P. Sokolov, ZhRFKhO, jld 28, hlm. 129, 1896.
4. Fizik. Ensikl. Slov., ed. "Ensiklopedia Soviet", Moscow, 1960, jilid 1, hlm. 288.
5. L. M. Yakimenko et al., Elektrolisis air, ed. "kimia", Moscow, 1970.
6. Sel Stanley Meyer
7. EVG Studennikov
8. R. Colley, Journal of the Russian Chemical Society and the Physical Society at St. Petersburg University, vol 7, Physical Part, St. Petersburg, 1873, hlm. 333.
9. R. C. Tolman, T. D. Stsward, Fizik. Wahyu 8, 97, 1916.
10. E. Thomson, A.S. Pat. 1, 701,346(1929).
11. T. B. Hoover, U. S. Pat. 3, 119, 759 (1964).
12. H. Cheng at al., Jorn. Daripada Persatuan Elektrokimia, 149(11), D172-D177(2002).

Hantar kerja baik anda di pangkalan pengetahuan adalah mudah. Gunakan borang di bawah

Pelajar, pelajar siswazah, saintis muda yang menggunakan asas pengetahuan dalam pengajian dan kerja mereka akan sangat berterima kasih kepada anda.

Disiarkan di http://www.allbest.ru/

1. Sifat, pengeluaran dan penggunaan hidrogen

Konsep asas mengenai tenaga hidrogen

Terdapat arah dalam teknologi yang dipanggil "tenaga hidrogen". Dalam tenaga hidrogen, hidrogen dianggap bukan sahaja sebagai reagen kimia, tetapi juga sebagai pembawa tenaga. Tenaga hidrogen meliputi pengeluaran, penyimpanan, pengangkutan dan penggunaan hidrogen.

Terdapat beberapa sebab mengapa hidrogen mempunyai potensi untuk digunakan sebagai pembawa tenaga:

§ unsur yang paling biasa (0.01% jisim kerak bumi ialah hidrogen, pecahan atom - 17% (at.));

§ hidrogen boleh diperoleh daripada air apabila hidrogen dibakar, air terbentuk, yang dikembalikan ke peredaran;

§ hidrogen tidak toksik; pembakarannya menghasilkan lebih sedikit komponen berbahaya daripada pembakaran bahan api organik semula jadi;

§ Menggunakan hidrogen, adalah mungkin untuk mengumpul tenaga yang dijana oleh loji kuasa, serta tenaga daripada sumber boleh diperbaharui.

Hidrogen sebagai produk teknikal digunakan secara meluas dalam banyak industri ekonomi negara- dalam proses teknologi penapisan minyak, pengeluaran ammonia, metanol, dalam industri metalurgi, dalam banyak cabang sains dan teknologi. Penggunaan hidrogen sebagai bahan api dalam kenderaan(pengangkutan jalan raya dan udara, objek aeroangkasa) kerana nilai kalori yang tinggi dan kapasiti penyejukan yang ketara. Yang menarik ialah hidrogen sebagai penumpuk tenaga - pembawa tenaga sekunder yang boleh digunakan dengan berkesan, contohnya, dalam loji kuasa untuk menampung beban puncak. Di samping itu, penggunaan hidrogen sebagai pembawa tenaga memungkinkan untuk memindahkan tenaga ke jarak jauh dengan kecekapan yang lebih tinggi daripada yang disediakan oleh sistem moden.

Sifat fizikal dan kimia hidrogen

Dalam keadaan biasa, molekul hidrogen ialah gas tidak berwarna dan tidak berbau, mudah terbakar dan terbakar dengan nyalaan malap kebiruan. Ia sangat jarang berlaku dalam keadaan bebas (gas gunung berapi dan asli). Hidrogen terdapat dalam air, arang batu, minyak, gas asli dan banyak mineral dan bahan organik, serta dalam organisma haiwan dan tumbuhan.

Atom hidrogen mempunyai satu elektron valens, yang berada dalam julat nukleus atom. Oleh itu, hidrogen hanya membentuk molekul diatomik. Molekul hidrogen dicirikan oleh kekuatan tinggi dan kebolehpolaran yang rendah, mempunyai saiz yang kecil dan jisim yang rendah. Ini menyebabkan mobiliti tinggi molekul hidrogen, takat lebur rendah (- 259.1? C) dan takat didih (- 252.6? C). Hidrogen sedikit larut dalam air dan pelarut organik.

Beberapa ciri-ciri fizikal hidrogen diberikan dalam jadual.

Sifat fizikal hidrogen pada keadaan persekitaran

Hidrogen yang termasuk dalam molekul air adalah campuran tiga isotop: protium H dengan jisim atom 1, deuterium D dengan jisim atom 2 dan tritium T dengan jisim atom 3.

Air berat (deuterium oksida) D 2 O ialah pelbagai isotop air, molekulnya mengandungi atom deuterium dan bukannya 1 atom H. Dalam air semula jadi, terdapat 6500 - 7200 atom 1 N setiap satu atom deuterium.

Berat molekul D 2 O - 20.09; takat didih - 101.43 C; takat lebur - 3.81 C; ketumpatan fasa cecair - 1.104 kg/m3.

Air berat melambatkan proses biologi dan mempunyai kesan menyedihkan pada organisma hidup.

Elektrolisis air adalah kaedah utama untuk menghasilkan air berat. Proses ini berdasarkan sifat air berat untuk tertumpu dalam elektrolit kerana kadar penguraian elektrokimia D 2 O yang lebih rendah.

Air berat digunakan dalam reaktor nuklear sebagai penyederhana neutron dan penyejuk, digunakan sebagai komponen bahan api reaktor termonuklear.

Sifat kimia hidrogen ditentukan oleh elektron tunggalnya. Jumlah tenaga yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron ini adalah lebih besar daripada mana-mana agen pengoksida kimia yang diketahui boleh sediakan. sebab tu ikatan kimia hidrogen dengan atom lain lebih dekat kepada kovalen daripada ionik. Untuk memulakan kebanyakan tindak balas, adalah perlu untuk memecahkan atau melemahkan ikatan H-H yang kuat ini memerlukan banyak tenaga. Kadar tindak balas hidrogen dinaikkan menggunakan pemangkin (logam kumpulan platinum, peralihan atau oksida logam berat), dengan mengujakan molekul hidrogen menggunakan cahaya, nyahcas elektrik atau arka elektrik di suhu tinggi. Dalam keadaan sedemikian, hidrogen bertindak balas dengan hampir semua unsur kecuali gas mulia.

Hidrogen adalah unsur yang paling ringan. Ketumpatannya kira-kira 14 kali lebih rendah daripada ketumpatan udara. Ia merebak dengan cepat di udara sekeliling, meresap melalui kebocoran dan bukaan kecil. Ini menyukarkan penyimpanan. Atom hidrogen mudah digabungkan ke dalam kekisi molekul banyak logam (terutamanya pada suhu dan tekanan tinggi), yang merupakan punca "penyusutan hidrogen" logam. Apabila dibakar, hidrogen menghasilkan lebih kurang 3 kali lebih haba daripada petrol dan hampir 2.5 kali lebih haba daripada gas asli (seunit berat). Ia menyala dalam pelbagai kepekatan (dari 4 hingga 74%), yang jauh lebih besar daripada pembawa tenaga lain - campuran gas asli, petrol dan propana-butana. Apabila berinteraksi dengan oksigen dalam proses pembakaran atau transformasi elektrokimia, wap air diperolehi.

Sifat kimia hidrogen dikaji dengan baik. Ia adalah agen pengurangan yang baik. Pada suhu biasa ia boleh dikatakan tidak bertindak balas dengan oksigen dan klorin. Pada permukaan pemangkin, dengan peningkatan tekanan dan suhu, proses itu memecut dengan mendadak. Hidrogen, apabila dipanaskan, mengurangkan oksida logam, mudah melekat pada atom karbon dengan ikatan berganda, oleh itu ia digunakan untuk penghidrogenan lemak dan hidrokarbon tak tepu. Dalam hidrida beralkali dan logam alkali tanah hidrogen adalah dalam bentuk ion H.

Kaedah asas industriPpengeluaranhidrogen

Terdapat beberapa kaedah perindustrian utama untuk menghasilkan hidrogen.

Pengeluaran hidrogen melalui pembentukan semula wap metana adalah kaedah perindustrian utama pengeluaran hidrogen. Hasil utama penukaran metana ialah gas sintesis (m CO+ n H 2). Pembaharuan katalitik wap metana dalam relau tiub (pembaharuan utama) terdiri daripada pengoksidaan metana dengan wap air. Dalam tiub tindak balas relau tiub pada mangkin nikel, proses penukaran wap gas asli dengan stim dijalankan mengikut tindak balas:

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 - Q; (1)

CH 2n + 2n H 2 O = nCO + (2n + 1) H 2 - Q; (2)

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 - Q; (3)

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 + Q; (4)

Penukaran pemangkin wap-udara metana dalam penukar aci (pembaharuan sekunder) dilakukan pada mangkin nikel mengikut tindak balas:

CH 4 +0.5O 2 = CO + 2H 2 + Q; (5)

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 + Q. (6)

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 - Q; (7)

CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 - Q; (8)

Penukaran karbon monoksida dengan wap air berlaku mengikut tindak balas:

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 + Q (9)

Dalam industri, hidrogen juga dihasilkan dengan cara lain:

§ dengan merawat arang panas dengan wap air dalam peranti khas - penjana gas. Hasil daripada interaksi wap air dengan karbon, gas air yang dipanggil terbentuk, terdiri daripada hidrogen dan karbon monoksida:

C + H 2 O = CO + H 2. (10)

Apabila gas air dirawat dengan wap air dengan kehadiran pemangkin besi, karbon monoksida ditukar kepada dioksida, yang mudah larut dalam air pada tekanan darah tinggi atau dalam larutan alkali:

CO + H 2 O = CO 2 + H 2; (sebelas)

Proses ini berlaku pada suhu kira-kira 1000°C dengan kehadiran mangkin berasaskan nikel dengan penambahan oksida magnesium, aluminium dan logam lain. Campuran yang terhasil boleh digunakan sebagai bahan mentah untuk penghasilan pelbagai bahan organik (metanol, aldehid, hidrokarbon, dll.) Atau penghasilan hidrogen (campuran dirawat dengan wap air, seperti ditunjukkan di atas);

§ sebagai hasil sampingan penghasilan klorin dan logam alkali hidroksida melalui elektrolisis larutan kloridanya.

Menghasilkan hidrogen daripada biojisim. Hidrogen diperoleh daripada biojisim dengan kaedah termokimia atau biokimia. Dengan kaedah termokimia, biojisim dipanaskan tanpa oksigen pada suhu 500 - 800°C (untuk sisa kayu), yang jauh lebih rendah daripada suhu proses pengegasan arang batu. Hasil daripada proses itu, H 2, CO dan CH 4 dibebaskan. Dalam proses kimia, hidrogen dihasilkan oleh pelbagai bakteria.

Hidrogen paling tulen dalam industri dihasilkan melalui elektrolisis air. Elektrolisis air adalah salah satu kaedah yang paling terkenal dan diteliti dengan baik untuk menghasilkan hidrogen. Ekonomi proses bergantung terutamanya kepada kos elektrik. Dalam kos pengeluaran untuk menghasilkan hidrogen, kos tenaga elektrik adalah lebih kurang 85%. Kaedah ini telah digunakan di beberapa negara yang mempunyai sumber kuasa hidro yang ketara. Kompleks elektrokimia terbesar terletak di Kanada, India, Mesir, Norway, tetapi lebih daripada seribu pemasangan kecil telah dibuat dan beroperasi di banyak negara. Kaedah ini juga penting kerana ia adalah yang paling universal berhubung dengan penggunaan sumber tenaga primer. Sehubungan dengan pembangunan tenaga nuklear, elektrolisis air baru yang berkembang pesat berdasarkan tenaga murah daripada loji kuasa nuklear adalah mungkin. Kaedah elektrokimia untuk menghasilkan hidrogen daripada air mempunyai kualiti positif berikut:

1) ketulenan tinggi hidrogen yang dihasilkan - sehingga 99.9%;

2) kesederhanaan proses teknologi, kesinambungannya, kemungkinan automasi yang paling lengkap, ketiadaan bahagian bergerak dalam sel elektrolitik;

3) kemungkinan mendapatkan produk sampingan yang paling berharga - air berat dan oksigen;

4) bahan mentah yang tersedia untuk umum - air;

5) fleksibiliti proses dan keupayaan untuk menghasilkan hidrogen secara langsung di bawah tekanan;

6) pengasingan fizikal hidrogen dan oksigen semasa proses elektrolisis itu sendiri.

Jika anda mencipta pemalar voltan elektrik, yang melebihi voltan penguraian air, maka arus akan muncul dalam litar dan oksigen akan mula dibebaskan di anod, dan hidrogen di katod, dalam secara isipadu 1:2.

Hidrogen dan oksigen yang dihasilkan oleh elektrolisis air adalah mempunyai ketulenan yang tinggi. Komposisi mereka diseragamkan oleh GOST. Hidrogen yang diperoleh melalui elektrolisis air mesti memenuhi keperluan GOST 3022-80 (gred hidrogen teknikal B).

Mendapatkan air yang berat

Kaedah elektrokimia untuk menghasilkan air berat adalah berdasarkan pecahan isotop hidrogen dalam proses nyahcas hidrogen elektrokimia. Hasil daripada perbezaan potensi pelepasan protium ringan dan deuterium berat, protium dibebaskan pada kadar yang lebih tinggi daripada deuterium. Ini membawa kepada pengumpulan deuterium dalam elektrolit.

Peringkat utama dalam penghasilan air berat ialah elektrolisis air. Semasa elektrolisis, air dan D 2 O terurai dengan pada kelajuan yang berbeza. Akibatnya, elektrolit diperkaya dengan air berat. Ini berlaku kerana potensi keseimbangan semasa pembebasan deuterium adalah lebih elektronegatif daripada protium, dan lebihan voltan lebih tinggi. Hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis mengandungi kurang deuterium daripada air asal.

Kepekatan air berat dijalankan menggunakan kaedah kelompok dan skim teknologi berterusan.

Jika anda menjalankan elektrolisis dalam mod berkala dengan memuatkan sebahagian air semula jadi, anda boleh mendapatkan air berat daripada sebarang kepekatan dalam elektrolit. Untuk menghasilkan 1 g air berat dengan kepekatan bahan utama 99.8%, perlu menghabiskan 100 kg air semula jadi. Dalam kes ini, 5% daripada deuterium yang terkandung dalam air sumber akan masuk ke dalam produk siap. Selebihnya deuterium akan dibawa pergi dengan hidrogen. Dalam proses batch, kandungan air berat dalam elektrolit secara beransur-ansur meningkat. Terdapat masa apabila kandungan relatif deuterium dalam gas katod melebihi kandungannya dalam elektrolit asal. Dalam kes ini, adalah dinasihatkan untuk mengembalikan gas katod kepada proses.

Dalam pengeluaran perindustrian, proses berterusan digunakan, di mana kos tenaga untuk menghasilkan air berat adalah jauh lebih rendah daripada dalam proses kelompok. Pelbagai pilihan untuk proses berterusan telah dibangunkan yang memungkinkan untuk mengembalikan hidrogen yang diperkaya deuterium kepada proses dengan memperkaya salah satu fasa dengan air berat. Semua kaedah untuk proses berterusan menghasilkan air berat adalah berdasarkan penggunaan lata elektrolisis berperingkat.

Peringkat pertama lata termasuk elektrolisis penapis segar, di mana KOH (C = 26%) digunakan sebagai elektrolit. Semasa proses elektrolisis, oksigen dan hidrogen dibebaskan daripada elektrolisis dan air yang diperkaya dengan D 2 O menyejat. Peringkat kedua lata termasuk bilangan yang lebih kecil elektrolisis, kerana hanya air yang dibawa pergi dengan gas elektrolitik dari peringkat pertama lata digunakan untuk menggerakkannya. Peringkat ketiga lata termasuk bilangan elektrolisis terkecil. Untuk menggerakkan elektroliser peringkat ini, kondensat dari peringkat kedua digunakan.

Skim teknologi berterusan moden untuk pengeluaran air berat direka bentuk menggunakan proses elektrolisis, pemulihan, pertukaran isotop pemangkin, dan pertukaran isotop fasa.

Pertukaran isotop pemangkin terdiri daripada fakta bahawa apabila wap air bersentuhan dengan hidrogen yang mengandungi peningkatan jumlah deuterium, tindak balas berikut berlaku secara berurutan:

H 2 O + HD = HDO + H 2 (12)

HDO + D 2 = D 2 O + HD (13)

Keseimbangan dalam tindak balas ini dialihkan ke kanan.

Reka bentuk asas pemasangan untuk menumpukan air berat ditunjukkan dalam rajah.

Reka bentuk asas loji kepekatan air berat:

1 - peringkat elektrolisis;

2 - peti sejuk;

3 - peringkat pertukaran pemangkin fasa.

Stim yang diperkaya dengan air berat terkondensasi, dan kondensat dipisahkan daripada fasa wap. Deuterium melepasi fasa gas ke fasa cecair. Pengagihan deuterium antara fasa gas dan cecair dicirikan oleh pekali pemisahan:

di mana, C dan ialah kepekatan deuterium dalam larutan elektrolit dan dalam fasa gas, pecahan molar.

Nilai pekali pemisahan dipengaruhi oleh faktor: bahan katod dan keadaan permukaannya, potensi katod, suhu proses.

Kebergantungan kepada bahan katod pada suhu 75 C

Dalam kes pertukaran isotop fasa apabila bersentuhan air cair dengan hidrogen yang mengandungi peningkatan jumlah deuterium gas, tindak balas berlaku:

H 2 O + HD = HDO + H 2 (15)

Keseimbangan dalam tindak balas ini dianjak ke kanan. Berdasarkan pertukaran isotop, proses arus balas boleh dibina di mana deuterium dipindahkan secara sistematik daripada fasa gas ke fasa cecair.

Semasa proses pemulihan, hidrogen yang mengandungi peningkatan jumlah deuterium dibakar dalam relau pemulihan dalam jumlah oksigen stoikiometrik, dan air yang diperkaya dengan deuterium disalurkan ke peringkat awal elektrolisis.

Aliran proses berterusan moden untuk pengeluaran air berat direka bentuk menggunakan elektrolisis, pemulihan, pertukaran isotop pemangkin dan pertukaran isotop fasa. Dalam kes ini, satu lata elektrolisis dan relau digunakan untuk memulihkan gas. Tahap pengayaan air dengan deuterium dalam setiap elektrolisis lata bergantung pada hubungan antara kekuatan arus elektrolisis dan bekalan air untuk elektrolisis. Menggunakan skim ini, adalah mungkin untuk menukar 25 - 40% daripada deuterium yang terkandung dalam air sumber kepada air berat.

2 . Pengeluaran hidrogenelektrolisisohmair

Konsep dan intipati elektrolisis

Elektrolisis ialah proses redoks yang berlaku pada elektrod di bawah pengaruh arus elektrik yang dibekalkan daripada sumber luaran. Elektrolisis menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kimia.

Sel elektrolisis dipanggil elektroliser dan terdiri daripada dua elektrod dan elektrolit. Elektrod di mana tindak balas pengurangan berlaku (katod) dalam elektrolisis disambungkan ke kutub negatif sumber arus luaran. Elektrod di mana tindak balas pengoksidaan berlaku (anod) disambungkan kepada kutub positif sumber arus. Sifat dan perjalanan proses elektrod sangat dipengaruhi oleh komposisi elektrolit, pelarut, bahan elektrod dan mod elektrolisis (voltan, ketumpatan arus, suhu, dll.).

Jumlah voltan yang mesti digunakan pada sel elektrolitik untuk proses elektrolisis bermula dipanggil voltan penguraian - penguraian E. .

Voltan lampau semasa elektrolisis - h. Voltan lampau katod ialah voltan tambahan yang digunakan pada katod untuk mengalihkan potensinya ke bahagian negatif, dan voltan lebih anodik digunakan pada anod untuk mengalihkan potensinya ke bahagian positif. Voltan boleh dikurangkan dengan mengurangkan rintangan elektrod dan elektrolit, serta polarisasi elektrod. Rintangan dalaman elektroliser boleh dikurangkan dengan menggunakan elektrolit dengan kekonduksian elektrik yang tinggi, meningkatkan suhu dan mengurangkan jarak antara elektrod.

Polarisasi boleh dikurangkan dengan meningkatkan permukaan elektrod, suhu, kepekatan reagen, kacau, serta mengurangkan arus dan menggunakan elektrod pemangkin.

Urutan proses elektrod. Selalunya, beberapa jenis kation dan anion dan molekul yang tidak bercampur terdapat dalam elektrolit, jadi beberapa tindak balas elektrod boleh berlaku.

Proses katod. Oleh kerana tindak balas pengurangan berlaku pada katod, i.e. Apabila elektron diterima oleh agen pengoksidaan, agen pengoksidaan terkuat mesti bertindak balas terlebih dahulu. Pada katod, tindak balas dengan potensi paling positif berlaku terlebih dahulu. Untuk pengurangan katodik semasa elektrolisis larutan elektrolit akueus, semua agen pengoksida boleh dibahagikan kepada tiga kumpulan. Ion logam yang potensinya lebih negatif daripada potensi elektrod hidrogen. Ini termasuk ion logam dalam julat voltan sehingga dan termasuk aluminium. Dalam larutan akueus, pelepasan ion-ion ini pada katod secara praktikalnya tidak berlaku sebaliknya, hidrogen dilepaskan:

2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH - (2H + + 2e = H 2). (16)

Proses anodik. Tindak balas pengoksidaan agen penurun berlaku di anod, i.e. pendermaan elektron. Oleh itu, pada anod, bahan dengan potensi paling negatif dioksidakan terlebih dahulu. Sifat tindak balas pada anod juga bergantung kepada bahan elektrod. Terdapat anod tidak larut dan larut. Anod tidak larut diperbuat daripada arang batu, grafit, dan platinum. Semasa elektrolisis, anod tidak larut sendiri tidak menghantar elektron ke litar luar dihantar sebagai hasil daripada pengoksidaan anion dan molekul air.

Asas teori proses elektrolisis air

Proses penguraian elektrolitik air diterangkan oleh persamaan kimia keseluruhan berikut:

H 2 O = H 2 + 1/2 O 2 (17)

Untuk menghasilkan gas secara berasingan, elektrolisis dengan diafragma atau membran yang memisahkan ruang katod dan anod digunakan.

Kekonduksian khusus air tulen adalah tidak penting: pada 18°C ​​ia adalah 4.41·10 -6 Ohm -1 m -1 . Oleh itu, penguraian elektrolitik air dijalankan dengan kehadiran elektrolit latar belakang. Disebabkan masalah kakisan ketara yang dihadapi semasa elektrolisis asid, hampir semua elektrolisis hari ini menggunakan larutan akueus berasaskan kalium dan natrium hidroksida dengan kepekatan 350-400 g/l. Larutan KOH mempunyai kelebihan berbanding NaOH kerana kekonduksian ion K + yang lebih besar terhadap ion Na +. Kepekatan KOH sepadan dengan ketumpatan arus optimum. Kekotoran kecil dalam KOH bukan penghalang kepada penggunaannya. Untuk mengelakkan atau mengurangkan kakisan bahagian elektrolisis, hanya KOH dan NaOH tulen digunakan semasa menyediakan elektrolit.

Untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air, air suling atau desalted digunakan. air semula jadi, yang mengelakkan pengumpulan pelbagai kekotoran dalam elektrolit.

Larutan elektrolit yang digunakan dalam loji elektrolisis air mengandungi 16-20% NaOH atau 25-30% KOH.

Dan lain-lainOproses pada elektrod

Proses katodik boleh diterangkan dengan persamaan ringkasan:

2H + + 2e = H 2 (dalam medium berasid) (18)

2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH - (dalam persekitaran alkali) (19)

Mari kita pertimbangkan mekanisme evolusi hidrogen katodik dari larutan alkali. Pelepasan langsung molekul air berlaku dengan pembentukan atom hidrogen dan ion hidroksida yang terjerap pada elektrod. Seterusnya, tindak balas desorpsi elektrokimia yang dipanggil berlaku. Secara keseluruhan, kedua-dua proses ini memberikan tindak balas katodik evolusi hidrogen.

Proses anodik juga bergantung kepada keasidan medium:

H 2 O = 2H + + 0.5O 2 + 2e (dalam medium berasid) (20)

2OH- = H2O + 0.5O2 + 2e (dalam medium beralkali) (21)

Dalam persekitaran beralkali, aliran ion hidroksida ke permukaan anod tidak terhalang dan pengoksidaan langsung OH- berlaku dengan pembentukan oksigen dan air (rajah).

Litar elektrolisis

elektrolisis kimia hidrogen

Reka bentuk elektrolisis

Elektroliser industri untuk pengeluaran hidrogen datang dalam dua jenis:

Monopolar - elektrod dikuasakan secara selari dalam bekas yang sama;

Bipolar - elektrod diberi makan secara bersiri (elektrod pada satu sisi permukaan adalah anod, dan di sisi lain - katod) dan membentuk timbunan sel. Skim elektrolisis tersebut ditunjukkan dalam Rajah 1.3.

Apabila menyambungkan elektrod secara monopolar, semua elektrod dengan tanda yang sama disambungkan kepada bas yang datang dari kutub sumber yang sepadan. arus terus. Apabila elektrod disambungkan secara dwikutub, arus hanya dibekalkan kepada elektrod terluar 1 dan 2, iaitu elektrod monopolar. Semua elektrod lain tidak mempunyai bekalan semasa dan beroperasi secara bipolar.

Disiarkan di http://www.allbest.ru/

Disiarkan di http://www.allbest.ru/

Hubungan antara arus dan voltan dalam elektrolisis

Semakin rendah voltan pada sel elektrolisis, semakin kurang kuasa yang digunakan. Apabila suhu elektrolit meningkat, voltan elektrolisis menurun oleh itu, ia akan memberi manfaat secara bertenaga untuk mengendalikan elektrolisis pada suhu tinggi (apabila beroperasi di bawah tekanan - dengan suhu 100°C dan lebih tinggi). Walau bagaimanapun, dengan peningkatan suhu elektrolit, proses kakisan bertambah hebat dan penuaan bahan gasket paronit dipercepatkan dengan ketara. Oleh itu, untuk pemasangan elektrolisis kecil di loji kuasa, kepentingan utama ialah kebolehpercayaan peralatan dan tempoh operasi antara pembaikan suhu elektrolit harus dikekalkan pada 60-75 ° C, dan dalam kes di mana operasi elektrolisis pada; beban penuh tidak diperlukan, adalah dinasihatkan untuk mengekalkan 40-50 ° C. Pada masa yang sama, untuk mengekalkan prestasi elektrolisis yang dikehendaki, voltan perlu ditingkatkan.

Untuk membolehkan arus melalui elektrolisis dengan sambungan bipolar elektrod, voltan merentasi elektrolisis (U) mestilah sama dengan:

U= U 1 ·n, (22)

n - bilangan sel.

Voltan pada elektrolisis monopolar adalah sama dengan voltan antara sepasang elektrod (pada satu sel U= U 1).

Arus (I) yang dibekalkan kepada elektrolisis monopolar bercabang kepada semua elektrod mengikut undang-undang sambungan selari. Oleh itu, arus yang mengalir melalui sepasang elektrod I 1 =I/n.

Dalam elektrolisis bipolar, arus yang mengalir melalui setiap pasangan elektrod adalah sama dengan arus melalui keseluruhan elektrolisis (I 1 = I) - undang-undang sambungan siri.

Oleh itu, dengan beban arus yang sama pada elektrolisis monopolar dan bipolar, jumlah bahan yang terhasil dalam elektrolisis bipolar adalah n kali lebih besar. Oleh itu, untuk elektrolisis bipolar terdapat konsep arus linear dan setara. Arus setara adalah sama dengan arus linear yang melalui sel didarab dengan bilangan sel:

I eq = I n. (23)

Elektroliser monopolar tidak direka untuk beban arus yang lebih tinggi daripada 200 - 300 kA. Elektroliser bipolar beroperasi pada beban arus yang setara sehingga 2000 kA. Akibatnya, elektrolisis bipolar lebih berkuasa dan lebih produktif.

Satu lagi kelebihan elektrolisis bipolar ialah pengurangan penurunan voltan dalam busbar elektrolisis dan dalam sesentuh dengan mengurangkan bilangannya (lihat Rajah 3).

Di samping itu, tahap automasi elektrolisis bipolar adalah lebih tinggi daripada yang monopolar, yang mengurangkan kos tenaga kerja untuk perkhidmatan mereka.

Semua reka bentuk moden elektrolisis untuk elektrolisis air adalah daripada jenis penekan penapis dengan kemasukan bipolar elektrod.

Gambar rajah elektrolisis penekan penapis

Gambar rajah elektrolisis penekan penapis untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen ditunjukkan dalam Rajah 1.4.

Elektroliser sedemikian tidak mempunyai badan, tetapi dipasang daripada sel individu (bilangan sel boleh lebih daripada 100), yang diikat dengan tegar ke dalam struktur penekan penapis tunggal menggunakan plat pengikat (6) dan bolt (7). Dinding sisi sel adalah kepingan utama (3) elektrod, di mana elektrod berlubang jauh (1) dipasang. Baki empat dinding sel ialah bingkai diafragma (8), yang dipasangkan diafragma (5), memisahkan ruang anod dan katod sel. Diafragma adalah asbestos, diperkukuh dengan wayar nikel. Pengedap elektrolisis difasilitasi oleh gasket (9). Elektrolit dibekalkan kepada sel melalui saluran bekalan (10) melalui pemasangan (11). Untuk mengeluarkan hidrogen dan oksigen daripada sel bersama-sama dengan elektrolit, kelengkapan (12) dan saluran (13) dan (14) digunakan. Gas diasingkan daripada elektrolit dalam perangkap khas. Oleh itu, semua sel elektrolisis bipolar tekan penapis berkomunikasi antara satu sama lain melalui sistem bekalan dan penyingkiran elektrolit yang beredar.

Ketebalan kecil sel elektrolisis (5 - 6 cm) dan sangat rapat susunan bersama, serta voltan keseluruhan yang tinggi pada elektrolisis menyumbang kepada berlakunya kebocoran semasa.

Terdapat dua cara untuk kebocoran semasa daripada sel melalui kelengkapan (11, 12) dan saluran (10, 13, 14):

1) dengan elektrolit dalam kelengkapan dan saluran;

2) di sepanjang dinding kelengkapan dan saluran.

Mungkin terdapat kebocoran arus dari elektrod utama ke bingkai diafragma. Untuk mengurangkan kebocoran arus melalui elektrolit, tingkatkan rintangannya dalam kelengkapan:

di mana R ialah rintangan elektrolit (Ohm);

dengan - kerintangan elektrolit (Ohm?m);

l - panjang saluran (m);

S - keratan rentas saluran (m2).

Selaras dengan formula (24), untuk meningkatkan rintangan elektrolit dalam kelengkapan, adalah perlu untuk meningkatkan panjangnya dan mengurangkan keratan rentas.

Kebocoran semasa melalui bahagian elektrolisis (kelengkapan, bingkai diafragma, dsb.) memintas elektrod bipolar dalaman mengurangkan arus yang melaluinya dan, dengan itu, jumlah produk yang diperolehi (hidrogen dan oksigen). Di samping itu, kebocoran semasa boleh termasuk bahagian elektrolisis (kelengkapan dan bingkai diafragma) dalam elektrolisis sebagai elektrod bipolar, yang menyebabkan pencemaran gas bersama berlaku. Untuk mengurangkan kebocoran semasa di sepanjang dinding kelengkapan dan saluran bekalan, ia diperbuat daripada dielektrik atau sisipan penebat digunakan. Untuk mengurangkan kebocoran semasa di sepanjang rangka diafragma, gasket paronit penebat (9) diletakkan di antara kepingan utama elektrod dan bingkai diafragma, dan bingkai diafragma dialas.

Disiarkan di http://www.allbest.ru/

Disiarkan di http://www.allbest.ru/

Gambar rajah elektrolisis penapis-tekan bipolar:

1 - elektrod jauh; 2 - elektrod monopolar (anod); 3 - elektrod bipolar; 4 - elektrod monopolar (katod); 5 - diafragma; 6 - plat ikat; 7 - bolt gandingan; 8 - bingkai diafragma; 9 - gasket paronit; 10 - saluran untuk bekalan elektrolit; 11 - sesuai untuk bekalan elektrolit; 12 - sesuai untuk mengalirkan campuran gas-cecair; 13 - saluran untuk mengumpul hidrogen; 14 - saluran untuk mengumpul oksigen

Elektrod bipolar, apabila melalui elektrolisis arus terus, menghasilkan hidrogen pada satu bahagian (katod) dan oksigen pada satu lagi (anod). Elektrod bipolar diperbuat daripada keluli karbon, dengan anod tambahan disalut dengan lapisan nikel.

Gas-gas yang dibebaskan pada elektrod dipisahkan oleh diafragma asbestos yang dipasang pada bingkai diafragma. Elektroliser mempunyai tiga pengumpul: yang atas adalah untuk mengeluarkan gas dan elektrolit, yang lebih rendah adalah untuk mengembalikan elektrolit penyejuk ke sel. Semua elemen elektrolisis disambungkan ke dalam pakej biasa dan diketatkan dengan empat bolt gandingan. Untuk mengimbangi pengembangan terma radas, spring cakera dipasang pada hujung bolt. Bolt pengikat diasingkan daripada plat hujung menggunakan sesendal khas.

3 . Penerangan tentang proses teknologi dan gambar rajah loji elektrolisis

Proses menghasilkan hidrogen dan oksigen melalui elektrolisis air untuk semua jenis elektrolisis terdiri daripada operasi berikut:

Penyediaan air suling;

Penyediaan elektrolit;

Menjalankan proses elektrolisis air.

Dua operasi pertama dijalankan secara berkala, mengikut keperluan untuk air suling dan elektrolit, operasi ketiga dijalankan secara berterusan.

Pengeluaran air suapan - sulingan - dijalankan dalam penyuling stim atau elektrik. Untuk elektroliser yang beroperasi di bawah tekanan, sulingan elektrolisis disuap dengan pam dos.

Elektrolit disediakan dalam kotak khas dengan bahagian bawah palsu, di mana dram dengan natrium kaustik diletakkan dengan penutup yang telah dikeluarkan sebelum ini dan gegelung pemanasan untuk pembubaran yang lebih cepat. Larutan natrium hidroksida yang disediakan dalam air suling dipam ke dalam tangki, yang kapasitinya harus lebih besar sedikit daripada kapasiti satu elektrolisis. Elektroliser diisi semula dengan elektrolit secara berkala melalui penapis elektrolit jika kepekatan natrium hidroksida dalam elektrolisis berkurangan di bawah paras yang dibenarkan.

Proses menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air

Apabila air terdedah kepada arus elektrik terus, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen H 2 O = H 2 + 0.5 O 2 dengan pembebasan hidrogen di katod dan oksigen di anod. Natrium hidroksida (NaOH) atau kalium hidroksida (KOH) tulen secara kimia ditambahkan ke dalam air. Voltan antara elektrod ialah 1.6 - 2.3 V, yang cukup untuk mengurai air, tetapi tidak cukup untuk mengurai alkali.

Proses elektrolisis air dipengaruhi secara negatif oleh kehadiran klorin, sulfurik, asid karbonik, dan ion besi dalam elektrolit. Besi boleh terkumpul di katod, membentuk jambatan ke arah anod, menyebabkan oksigen tercemar dengan hidrogen. Untuk menghapuskan proses ini, kalium bikromat K 2 Cr 2 O 7 atau natrium bikromat Na 2 Cr 2 O 7 ditambah kepada elektrolit.

Bengkel pengeluaran hidrogen termasuk:

Jabatan elektrolisis, di mana utama proses teknologi- elektrolisis air;

Jabatan persediaan;

Penganalisis gas;

Pencawang penukar (untuk menukar arus ulang alik kepada kekal);

Pencawang pengubah terbuka;

Premis domestik.

Hidrogen dan oksigen dihasilkan dalam elektrolisis dengan mengurai air menggunakan arus terus. Air tulen mempunyai kekonduksian elektrik yang sangat rendah, jadi larutan KOH (potassium oxide hydrate) digunakan sebagai elektrolit. Alkali dalam larutan adalah dalam bentuk zarah bercas - ion. Air terurai menjadi ion sedikit. Apabila medan elektrik digunakan pada larutan, proses berikut berlaku di katod dan anod:

4H 2 O + 4e- > 2H 2 - 4OH-

4OH- + 4e- > O 2 + 2H 2 O

2H 2 O > 2H 2 + O 2

Ion kalium tidak dinyahcas di katod, hanya sebagai pembawa arus elektrik. Dari elektrolisis, gas memasuki lajur pemisahan bersama dengan elektrolit. Elektrolit disejukkan dan dikembalikan ke elektrolisis. Hidrogen dari lajur pergi ke pengatur tekanan hidrogen, oksigen dari lajur pergi ke pengatur tekanan oksigen. Pengawal selia disambungkan antara satu sama lain di bahagian bawah. Di atas pengawal selia tekanan, tangki penyamaan dipasang, dari mana air mengalir melalui graviti ke dalam sistem cecair pengatur tekanan apabila air dalam pengatur tekanan hidrogen diturunkan ke pemasangan, yang disambungkan ke zon atas tangki penyamaan. Elektrolit disediakan dalam tangki dan dipam ke dalam elektrolisis. Semasa operasi unit elektrolisis, hidrogen dibekalkan untuk pengeringan melalui peti sejuk; Semasa permulaan, hidrogen dilepaskan ke atmosfera melalui penangkap api, oksigen melalui meterai air. Apabila tangki lonjakan diisi dengan air, hidrogen dibebaskan ke atmosfera melalui pengembang.

Skim proses untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen melalui elektrolisis air

Kapasiti pengeluaran dan teknologi utamaperalatan

Kapasiti pengeluaran ditentukan oleh produktiviti elektrolisis dalam m 3 / jam pengeluaran hidrogen.

Peralatan teknologi utama ialah:

Elektroliser

Pengubah kuasa dan penerus

Penyuling

Tangki untuk menyediakan dan menyimpan elektrolit

Tangki simpanan air suling

Pam suapan untuk elektrolit dan penyulingan.

Ciri-ciri teknikal elektrolisis

Ciri teknikal elektrolisis diberikan mengikut dokumentasi teknikal kilang pembuatan dalam jadual.

Ciri-ciri elektrolisis

Gambarajah skematik elektrolisis air ditunjukkan dalam rajah.

Gambarajah skematik elektrolisis air

Skim teknologi untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis dalamOya

Untuk mengelektrolisis air, anda memerlukan satu set peranti. Mereka disambungkan ke dalam skim teknologi. Radas utama litar ialah elektrolisis. Di dalamnya, di bawah pengaruh arus elektrik terus, sebahagian daripada air terurai menjadi hidrogen dan oksigen, dan elektrolit terus beredar, melalui sel elektrolitik dan kemudian melalui peti sejuk. Elektrolit yang beredar membawa bersamanya hidrogen dan oksigen yang dibebaskan. Gas diasingkan daripadanya dan dikumpulkan secara berasingan. Seterusnya, gas melalui peranti untuk mengasingkan percikan elektrolit, pencuci dan peti sejuk (kondenser).

Skim teknologi elektrolisis air termasuk komponen dan peringkat utama berikut:

- unit penyediaan elektrolit;

- peringkat penulenan air menggunakan penapis mekanikal dan pertukaran ion;

- peringkat elektrolisis dengan sistem peredaran penyejukan dan elektrolit, mengawal tahap elektrolit dan mengekalkan tekanan gas yang sama dalam sel; peringkat pengeringan dan penulenan gas.

atas nasi Bahagian 1.7 menunjukkan skema teknologi untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen melalui elektrolisis air.

Larutan elektrolit kerja disediakan dengan melarutkan alkali pepejal dari dram 1 dalam tangki pelarut 2. Larutan yang terhasil dihantar ke tangki 3 untuk pelarasan dan dimasukkan ke dalam elektrolisis 21. Untuk menahan kakisan keluli, 2-3 kg/m 3 K 2 Cr 2 O 7 dimasukkan ke dalam elektrolit.

Air, disucikan daripada kekotoran mekanikal pada penapis 4, dihantar secara berurutan ke lajur 6, 7, masing-masing diisi dengan resin penukar kation dan anion, di mana penulenan mendalam daripada kekotoran dijalankan, dan melalui graviti mengalir ke dalam koleksi 9, dari mana ia berada. dipam ke dalam tangki suapan 10 dan melalui gas pencuci dibekalkan kepada elektrolisis 21.

Hidrogen dan oksigen yang diperoleh semasa proses elektrolisis diasingkan daripada larutan elektrolit yang beredar dalam lajur 20 dan dibekalkan kepada pencuci - pengawal selia tekanan gas 18 dan 19, di mana gas disejukkan dan dibasuh daripada alkali.

Daripada mesin basuh, gas dihantar melalui pengawal selia tekanan injap 17 kepada pengguna. Jika perlu, gas elektrolisis tertakluk kepada penulenan tambahan. Pada penapis lampiran 11 yang diisi dengan bulu kaca, gas disucikan daripada kabus alkali. Hidrogen ditulenkan daripada kekotoran oksigen dalam radas sentuhan 12 pada pemangkin nikel-aluminium atau nikel-kromium pada 100-130°C. Oksigen ditulenkan daripada kekotoran hidrogen dalam radas sesentuh 13 yang diisi dengan asbestos berplatin, platinum yang didepositkan pada aluminium oksida, atau hopcalite.

Gas tulen dibekalkan ke peti sejuk 14 dan, selepas disejukkan, dipindahkan untuk pengeringan ke lajur pengeringan 15 yang diisi dengan gel silika atau gel aluminium. Gas kering dihantar kepada pengguna melalui penerima 16.

Skim teknologi untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air

1 - dram dengan alkali; 2 - tangki pelarut; 3 - bekas; 4 - penapis untuk mengeluarkan kekotoran mekanikal daripada air; 5 - bekas untuk penyelesaian penjanaan semula asid; 6 , 7 - lajur pertukaran ion; 8 - bekas untuk penyelesaian penjanaan semula alkali; 9 - pengumpulan air yang disucikan; 10 - tangki nutrien; 11 - penapis untuk membersihkan gas daripada kabus alkali; 12 - radas untuk penulenan pemangkin hidrogen; 13 - radas untuk membakar selepas kekotoran hidrogen dan oksigen; 14 - peti sejuk gas; 15 - pengering gas; 16 - penerima hidrogen dan oksigen; 17 - pengawal selia tekanan gas injap; 18, 19 - penyental gas oksigen dan hidrogen - pengawal selia pembezaan tekanan gas; 20 - lajur pemisahan; 21 - elektrolisis; 22 - silinder dengan nitrogen untuk membersihkan elektrolisis; 23 - penukar semasa

Peranti ini dipasang sebagai satu unit dan berinteraksi dalam susunan berikut. Daripada bahagian oksigen dan hidrogen setiap sel elektrolitik, elektrolit yang dipenuhi gas dibawa ke dalam saluran pengumpulan gas elektrolisis secara berasingan ke dalam saluran oksigen dan hidrogen. Saluran ini berakhir di petak hidrogen dan oksigen di ruang tengah, masing-masing. Di ruang tengah, gas diasingkan daripada elektrolit dan disejukkan. Oleh kerana perbezaan berat lajur elektrolit yang diisi gas (dalam sel elektrolitik) dan bebas daripada gas (di ruang tengah), elektrolit beredar. Di ruang tengah ia bergerak ke bawah, membasuh tiub di mana air penyejuk dipam. Di bahagian bawah ruang tengah, elektrolit dari kedua-dua petaknya (hidrogen dan oksigen) bercampur, melalui penapis dan memasuki saluran untuk mengedarkan elektrolit di antara sel elektrolitik.

Gambarajah skematik peranti untuk menyamakan tekanan gas ditunjukkan dalam rajah.

Gambarajah skematik peranti pengatur tekanan gas

1.13 - pengawal selia terapung; 2.12 - pengawal selia hidraulik-pencuci; 3.11 - pemisah fasa-kapasitor; 4 - sel elektrolitik; 5 - ruang katod; 6 - saluran nutrien; 7 - diafragma; 8,9 - saluran keluar gas; 14,15 - penerima; 10 - ruang anod.

Pengawal selia bertindak sebagai injap hidraulik perantaraan antara penerima dan rongga elektroliser. Tekanan hidrogen dan oksigen dalam semua rongga elektrolisis sehingga pintu-pintu ini adalah sama dan lebih tinggi daripada penerima mengikut berat lajur air yang melaluinya gas-gas gelembung dalam petak oksigen dan hidrogen pengawal selia. Ketinggian tiang dilaraskan sendiri bergantung pada perbezaan tekanan gas dalam penerima. Dalam elektrolisis yang beroperasi di bawah tekanan yang jauh lebih tinggi daripada tekanan atmosfera, adalah tidak mungkin untuk mencipta pengawal selia hidraulik yang diperlukan dalam ketinggian. Kemudian pengawal selia hidraulik ditambah dengan injap apungan. Jika perlu, gas daripada elektrolisis tertakluk kepada penulenan tambahan daripada kabus elektrolit, oksigen daripada kekotoran hidrogen, dan hidrogen daripada kekotoran oksigen. Gas disucikan daripada kabus elektrolit dalam penapis berbungkus yang diisi dengan bulu kaca. Titisan kabus ditangkap oleh bulu kapas, cecair mengalir ke dalam bahagian bawah penapis, dari mana ia dikeluarkan secara berkala.

Hidrogen disucikan daripada kekotoran oksigen dengan membakar oksigen dalam peranti sentuhan. Hidrogen kemudiannya disejukkan di dalam peti sejuk dan dikeringkan dalam lajur yang diisi dengan gel silika. Oksigen juga disucikan daripada kekotoran hidrogen melalui pembakaran selepas itu, selepas itu gas disejukkan dan dikeringkan.

Pengeluaran hidrogen dan oksigen adalah automatik sepenuhnya. Kekuatan semasa dilaraskan bergantung pada prestasi yang ditentukan dengan menukar voltan yang sepadan. Voltan dipantau secara berterusan dengan voltmeter. Penurunan voltan antara katod dan bingkai, serta anod dan bingkai, diperiksa secara berkala untuk memantau litar pintas dan kebocoran semasa. Jumlah air yang dibekalkan dikawal berdasarkan paras cecair dalam pengumpul gas.

Disiarkan di Allbest.ru

Dokumen yang serupa

Struktur molekul air. Ikatan hidrogen antara molekul air. Sifat fizikal air. Kekerasan sebagai salah satu sifat air. Proses pembersihan air. Menggunakan air, cara untuk memulihkannya. Kepentingan air untuk manusia masa kini.

pembentangan, ditambah 04/24/2012


Proses elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen, penerangan dan peringkat utamanya, analisis persamaan ringkasan yang sepadan. Konsep dan jenis sel elektrokimia, strukturnya. Pengoksidaan ion klorida pada elektrod grafit dan produknya.

abstrak, ditambah 05/09/2014


Sifat fizikal, kimia dan kegunaan zink. Komposisi bahan bijih dan pekat yang mengandungi zink. Kaedah untuk memproses pekat zink. Elektrodeposisi zink: penunjuk utama proses elektrolisis, pelaksanaan dan penyelenggaraannya.

kerja kursus, ditambah 07/08/2012


Formula kimia molekul air dan strukturnya. Nama sistematik: hidrogen oksida. Sifat fizikal dan kimia, keadaan pengagregatan. Keperluan untuk kualiti air, pergantungan rasa pada komposisi mineral, suhu dan kehadiran gas.

pembentangan, ditambah 26/10/2011


Air adalah satu-satunya bahan yang wujud di alam dalam tiga keadaan pengagregatan- cecair, pepejal dan gas. Peranan air dalam peraturan iklim. Sifat fizikal dan kimia asas air. Parameter yang mempengaruhi penampilan corak pada permukaan kaca.

abstrak, ditambah 10/22/2011


Sekumpulan kaedah untuk analisis kimia kuantitatif berdasarkan penggunaan elektrolisis (kaedah analisis elektrokimia). Ciri-ciri kaedah elektrogravimetrik, intipati dan aplikasinya. Peralatan asas, kaedah elektrolisis dalaman.

abstrak, ditambah 15/11/2014


Pengagihan air dalam alam semula jadi, peranan biologi dan struktur molekulnya. Sifat kimia dan fizikal air. Penyelidikan ke atas keupayaan air untuk menstruktur dan pengaruh maklumat terhadap bentuk hablurnya. Prospek untuk penggunaan air berstruktur.

abstrak, ditambah 29/10/2013


Sifat fizikal dan kimia asas, teknologi untuk menghasilkan berilium, kejadiannya dalam alam semula jadi dan bidang aplikasi praktikal. Sebatian berilium, penyediaan dan pengeluarannya. Peranan biologi daripada unsur ini. Aloi berilium, sifatnya.

abstrak, ditambah 04/30/2011


ciri umum klorin sebagai unsur kimia, penyimpanannya, pengangkutan klorin dan piawaian kualiti. Contoh asas penggunaan dan penggunaan klorin. Elektrolisis: konsep dan intipati proses. Langkah keselamatan dalam pengeluaran klorin.

abstrak, ditambah 02/10/2015


Konsep elektrolisis, ia kegunaan praktikal. Elektrolisis dan mandian galvanik, bekalan kuasa mereka untuk pengeluaran aluminium. Aplikasi proses elektrokimia dalam pelbagai bidang teknologi moden, dalam kimia Analisis dan biokimia bahan.

Pada elektrod bercas negatif - katod sedang berlaku pengurangan elektrokimia zarah (atom, molekul, kation), dan pada elektrod bercas positif - anod datang pengoksidaan elektrokimia zarah (atom, molekul, anion). Di bawah adalah formula klasik elektrolisis

1.Garam logam aktif dan asid yang mengandungi oksigen

Na 2 SO 4 ↔2Na + +SO 4 2−

A(+): 2H 2 O - 4e = O 2 + 4H +

Kesimpulan: 2H 2 O (elektrolisis) → H 2 + O 2

2. Hidroksida: logam aktif dan ion hidroksida

NaOH ↔ Na + + OH −

K(-): 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH −

A(+): 2H 2 O - 4e = O 2 + 4H +

Kesimpulan: 2H 2 O (elektrolisis) → 2H 2 + O 2

Semasa elektrolisis air, Oksigen () dibebaskan di anod, dan Hidrogen () di katod.

Kami akan menjalankan eksperimen pertama untuk mendapatkan hidrogen dan oksigen.
Buat elektrolit daripada larutan baking soda (anda boleh menggunakan soda ash), turunkan elektrod di sana dan hidupkan sumber kuasa. Sebaik sahaja arus mengalir melalui larutan, gelembung gas yang terbentuk pada elektrod akan segera menjadi ketara: oksigen akan dibebaskan pada "+", hidrogen pada "-". Pengagihan gas inilah yang berlaku disebabkan oleh fakta bahawa berhampiran anod "+" terdapat pengumpulan ion OH- negatif dan pengurangan oksigen, dan berhampiran katod "-" ion terkumpul logam alkali, yang terkandung dalam abu soda(Na2CO3) mempunyai cas positif (Na+) dan pada masa yang sama pengurangan hidrogen berlaku. Pengurangan ion natrium kepada logam tulen Na tidak berlaku, kerana natrium logam berada dalam siri voltan logam di sebelah kiri hidrogen.
Li< K < Rb < Cs < Ba < Ca < Na < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au

Secara tradisinya, apa yang dipanggil elektrolisis kering digunakan untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen daripada air di dalam kereta. Mereka juga dipanggil Penjana NGO

Hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dalam enjin, melalui penjana HHO melalui elektrolisis, akan mempercepatkan dengan ketara pencucuhan campuran bahan api dalam silinder enjin anda, meningkatkan output kuasa enjin pembakaran dalaman (Enjin) petrol atau diesel. pembakaran dalaman). Hidrogen menyala 1000 kali lebih cepat daripada bahan api cecair sejat, dengan itu menyalakan bahan api cecair sejat dan meningkatkan kerja daya letupan omboh pada fasa pertama operasinya. Faedah penambahan NHO pada campuran bahan api enjin pembakaran dalaman, termasuk enjin diesel, telah dikaji dan didokumenkan dengan baik oleh kedua-dua kerajaan AS dan asing serta banyak universiti dan pusat penyelidikan utama di seluruh dunia.

ELEKTROLISIS

set elektrokimia pengoksidaan-pengurangan proses yang berlaku semasa laluan elektrik. arus melalui elektrolit dengan elektrod direndam di dalamnya. Di katod, kation dikurangkan menjadi ion dengan keadaan pengoksidaan yang lebih rendah atau menjadi atom, contohnya: Fe 3+ + eFe 2+, Cu 2+ + 2e Cu (e - elektron). Molekul neutral boleh mengambil bahagian dalam transformasi di katod secara langsung atau bertindak balas dengan produk proses katodik, yang dianggap dalam kes ini sebagai perantaraan. in-va E. Pada anod, pengoksidaan ion atau molekul yang datang daripada isipadu elektrolit atau kepunyaan bahan anod berlaku; dalam kes kedua, anod larut atau teroksida (lihat. pembubaran anodik). Cth:

E. merangkumi dua proses: penghijrahan zarah yang bertindak balas di bawah pengaruh elektrik. medan ke permukaan elektrod dan pemindahan cas dari zarah ke elektrod atau dari elektrod ke zarah. Penghijrahan ion ditentukan oleh pergerakan dan nombor pengangkutannya (lihat. Kekonduksian elektrik elektrolit). Proses pemindahan adalah beberapa. elektrik caj dijalankan, sebagai peraturan, dalam bentuk urutan tindak balas satu elektron, iaitu langkah demi langkah, dengan pembentukan perantaraan. zarah (ion atau radikal), yang kadang-kadang wujud untuk beberapa lama pada elektrod dalam adsorbir. syarat.
Kelajuan litar elektrod bergantung kepada komposisi dan kepekatan elektrolit, bahan elektrod, potensi elektrod, t-ry, hidrodinamik. syarat (lihat Kinetik elektrokimia). Ukuran kelajuan ialah ketumpatan arus - bilangan arus elektrik yang dipindahkan. mengecas melalui satu unit luas permukaan elektrod setiap unit masa. Bilangan produk yang terbentuk semasa E. ditentukan undang-undang Faraday. Hari pelepasan 1 gram bersamaan bahan pada elektrod memerlukan jumlah elektrik yang sama dengan 26.8 A* jam Jika beberapa terbentuk serentak pada setiap elektrod. produk hasil daripada beberapa elektrokimia. r-tions, bahagian arus (dalam %) menuju pembentukan hasil darab salah satu r-tions, dipanggil. keluaran semasa produk ini.
Proses elektrod melibatkan bahan yang memerlukan jumlah elektrik yang paling sedikit untuk memindahkan cas. potensi; ini mungkin bukan bahan yang menentukan pemindahan elektrik dalam isipadu larutan. Sebagai contoh, semasa pelepasan larutan akueus ion NaCl, Na + dan Cl + mengambil bahagian dalam penghijrahan, walau bagaimanapun, pada katod pepejal, ion Na + tidak dinyahcas, tetapi proses pelepasan molekul air terproton yang lebih bertenaga berlaku: H 3 O + + e - > 1/2H 2 + H 2 O.

Aplikasi E. Mendapatkan produk sasaran melalui elektrolisis membolehkan secara relatifnya (dengan melaraskan kekuatan semasa) mengawal kelajuan dan arah proses, berkat yang memungkinkan untuk menjalankan proses kedua-dua dalam "paling lembut" dan dalam sangat "keras" keadaan pengoksidaan atau pengurangan, mendapatkan agen pengoksidaan dan agen penurunan terkuat. Oleh E., H 2 dan O 2 dihasilkan daripada air, C1 2 daripada larutan akueus NaCl, F 2 daripada KF cair dalam KH 2 F 3.
Hidroelektrometallurgi ialah cabang penting metalurgi bukan ferus (Cu, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); ia juga digunakan untuk mendapatkan logam mulia dan surih, Mn, Cr. E. digunakan secara langsung untuk pemisahan katodik logam selepas ia telah dipindahkan dari bijih ke larutan, dan larutan telah ditulenkan. Proses ini dipanggil pengekstrakan elektro. E. juga digunakan untuk membersihkan logam - elektrolitik. penapisan (electrorefining). Proses ini terdiri daripada pembubaran anodik logam tercemar dan pemendapan katodik berikutnya. Penapisan dan pengekstrakan elektro dijalankan dengan elektrod cecair yang diperbuat daripada merkuri dan amalgam (metalurgi amalgam) dan dengan elektrod yang diperbuat daripada logam pepejal.
E. cair elektrolit adalah kaedah penting untuk penghasilan banyak. logam Jadi, sebagai contoh, aluminium mentah diperoleh daripada leburan cryolite-alumina (Na 3 AlF 6 + A1 2 O 3), bahan mentah itu disucikan secara elektrolitik. menapis. Dalam kes ini, anod dicairkan A1, mengandungi sehingga 35% Cu (untuk pemberat) dan oleh itu terletak di bahagian bawah mandi elektrolisis. Lapisan cecair tengah mandian mengandungi BaCl 2, AlF 3 dan NaF, dan lapisan atas mengandungi penapis cair. A1 berfungsi sebagai katod.
E. mencairkan magnesium klorida atau karnalit dehidrasi - maks. kaedah biasa untuk mendapatkan Mg. Dalam prom. skala E. leburan digunakan untuk mendapatkan alkali dan alkali-bumi. logam, Be, Ti, W, Mo, Zr, U, dll.
Kepada elektrolitik Kaedah untuk menghasilkan logam juga termasuk pengurangan ion logam kepada yang lain, lebih elektron-negatif. logam. Pengasingan logam dengan pengurangannya dengan hidrogen juga selalunya merangkumi peringkat tindak balas elektrokimia. pengionan hidrogen dan pemendapan ion logam disebabkan oleh elektron yang dibebaskan semasa proses ini. Peranan penting proses pengasingan bersama atau pembubaran beberapa permainan. logam, pelepasan bersama logam dan mol. hidrogen pada katod dan penjerapan komponen larutan pada elektrod. E. digunakan untuk penyediaan logam. serbuk dengan ciri-ciri tertentu.
Aplikasi penting lain E.- penyaduran elektrik, elektrosintesis, elektrokimia pemprosesan logam, perlindungan kakisan (lihat perlindungan elektrokimia).

Elektroliser. Rekabentuk industri peranti untuk menjalankan elektrolitik proses ditentukan oleh sifat proses. Dalam hidrometalurgi dan penyaduran elektrik mereka menggunakan preim. kononnya elektrolisis kotak, yang merupakan bekas terbuka dengan elektrolit, di mana katod dan anod berselang-seli diletakkan, disambungkan dengan sewajarnya. dengan negatif dan meletakkannya. kutub sumber arus terus. Untuk pembuatan anod, grafit, bahan karbon-grafit, platinum, oksida besi, plumbum, nikel, plumbum dan aloinya digunakan; Mereka menggunakan anod titanium haus rendah dengan salutan aktif yang diperbuat daripada campuran ruthenium dan titanium oksida (anod ruthenium-titanium oksida, atau ORTA), serta daripada platinum dan aloinya. Untuk katod dalam kebanyakan elektrolisis, keluli digunakan, termasuk penguraian. salutan pelindung dengan mengambil kira keagresifan produk elektrolit dan elektrolit, t-ry dan keadaan proses lain. Sesetengah elektrolisis beroperasi di bawah keadaan tekanan tinggi, contohnya, penguraian air dilakukan di bawah tekanan sehingga 4 MPa; Elektroliser juga sedang dibangunkan untuk tekanan yang lebih tinggi. Dalam moden Plastik digunakan secara meluas dalam elektrolisis. jisim, kaca dan gentian kaca, seramik.
Dalam bentuk jamak elektrokimia pengeluaran memerlukan pemisahan ruang katod dan anod, yang dilakukan menggunakan diafragma yang telap kepada ion, tetapi menghalang aliran. percampuran dan resapan. Ini mencapai pemisahan cecair dan produk gas, terbentuk pada elektrod atau dalam isipadu larutan, penyertaan yang asal, perantaraan dihalang. dan hasil akhir elektrolisis di kawasan pada elektrod tanda bertentangan dan dalam ruang berhampiran elektrod. Dalam diafragma berliang, kedua-dua kation dan anion dipindahkan melalui mikropori dalam kuantiti yang sepadan dengan nombor pemindahan. Dalam diafragma pertukaran ion (membran), sama ada hanya kation atau anion yang dipindahkan, bergantung kepada sifat kumpulan ionogenik yang termasuk dalam komposisinya. Apabila mensintesis agen pengoksidaan kuat, elektrolisis tanpa diafragma biasanya digunakan, tetapi K 2 Cr 2 O 7 ditambah kepada larutan elektrolit. Semasa proses elektromagnet, filem kromit-kromat berliang terbentuk pada katod, yang melaksanakan fungsi diafragma. Apabila menghasilkan klorin, katod dalam bentuk mesh keluli digunakan, di mana lapisan asbestos digunakan, yang bertindak sebagai diafragma. Dalam proses E., air garam dimasukkan ke dalam ruang anod, dan larutan NaOH dikeluarkan dari ruang anod.
Electrolyzer digunakan untuk penghasilan magnesium, aluminium, alkali dan alkali-bumi. logam, ialah bak mandi yang dilapisi dengan bahan tahan api, di bahagian bawahnya terdapat logam cair yang berfungsi sebagai katod, manakala anod dalam bentuk blok diletakkan di atas lapisan logam cair. Dalam proses pengeluaran membran klorin, dalam elektrosintesis, elektrolisis jenis penekan penapis digunakan, dipasang dari berasingan. bingkai, di antara membran pertukaran ion diletakkan.
Berdasarkan sifat sambungan kepada sumber kuasa, elektrolisis monopolar dan bipolar dibezakan (Rajah). Elektroliser monopolar terdiri daripada satu sel elektrolitik. sel dengan elektrod kekutuban yang sama, setiap satunya boleh terdiri daripada beberapa. elemen disambung selari dengan litar arus. Elektroliser bipolar mempunyai sejumlah besar sel (sehingga 100-160) yang disambungkan secara bersiri ke litar semasa, dan setiap elektrod, kecuali dua yang luar, berfungsi pada satu sisi sebagai katod dan yang lain sebagai anod . Elektrolis monopolar biasanya direka untuk arus tinggi dan voltan rendah, bipolar - untuk arus yang agak rendah dan voltan tinggi. Moden elektroliser membenarkan beban arus yang tinggi: monopolar sehingga 400-500 kA, bersamaan bipolar dengan 1600 kA.

Elektrolisis air- Ini adalah proses elektrolisis yang terkenal untuk semua orang yang biasa dengan teknologi, di mana air digunakan sebagai elektrolit.

Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa air sentiasa ada semasa elektrolisis. Pertama, mari kita lihat apakah proses elektrolisis secara umum.

Elektrolisis

Elektrolisis ialah proses elektrokimia, yang dijalankan dengan meletakkan dua elektrod dalam elektrolit dan menyambungkan arus terus kepada mereka.

Elektrolit dipanggil konduktor cecair, yang tergolong dalam jenis konduktor kedua. Konduktor cecair bermaksud cecair/larutan yang mempunyai kekonduksian elektrik.

Sebagai rujukan, kami menambah bahawa bekas di mana elektrolit dituangkan dipanggil mandi galvanik.

Semasa proses elektrolisis, ion, di bawah pengaruh medan elektromagnet yang terbentuk dalam elektrolit oleh arus elektrik terus, mula bergerak ke arah elektrod. Ion dengan caj positif, mengikut undang-undang fizik, bergerak ke arah elektrod dengan cas negatif, yang dipanggil CATHODE, dan ion bercas negatif dengan sewajarnya bergerak ke elektrod lain yang dipanggil ANODE. Elektrolisis disertai dengan pembebasan bahan pada elektrod, yang menunjukkan pergerakan atom dalam elektrolit. Sebagai contoh, logam dan hidrogen biasanya dilepaskan di CATHODE.

Proses elektrolisis dipengaruhi oleh beberapa faktor:

• kekuatan semasa yang disambungkan ke elektrod;
• potensi ion;
• komposisi elektrolit;
• bahan dari mana elektrod dibuat ialah KATOD dan ANOD.

Elektrolisis air

Seperti yang kami nyatakan di atas, elektrolisis air melibatkan penggunaan air sebagai elektrolit.

Sebagai peraturan, apabila elektrolisis air, untuk proses yang lebih baik, sedikit bahan ditambahkan ke dalam air, contohnya baking soda, tetapi ini tidak perlu, kerana air biasa hampir selalu mengandungi kekotoran.

Hasil daripada elektrolisis air, hidrogen dan oksigen dibebaskan. Oksigen akan dibebaskan pada ANODE, dan hidrogen pada KATOD.

Penggunaan elektrolisis air

Teknologi elektrolisis air digunakan:

• dalam sistem penulenan air daripada semua jenis kekotoran;
• untuk menghasilkan hidrogen. Hidrogen, sebagai contoh, digunakan dalam industri yang sangat menjanjikan - tenaga hidrogen. Kami telah menulis tentang perkara ini dengan lebih terperinci dalam bahan kami.

Seperti yang kita lihat, elektrolisis air, walaupun kelihatan sederhana, digunakan dalam bidang yang sangat penting - di kawasan di mana pembangunan dan kemakmuran seluruh tamadun kita bergantung.

Elektrolisis air dipanggil proses fizikal-kimia, di mana, di bawah pengaruh arus elektrik terus, air terurai menjadi oksigen dan hidrogen. Voltan DC untuk sel biasanya diperoleh dengan membetulkan arus ulang-alik tiga fasa. Dalam sel elektrolitik, air suling mengalami elektrolisis, manakala tindak balas kimia mengikut skema yang terkenal berikut: 2H2O + tenaga -> 2H2 + O2.

Hasil daripada membahagikan molekul air kepada bahagian, isipadu hidrogen yang dihasilkan adalah dua kali ganda daripada oksigen. Sebelum digunakan, gas dalam pemasangan didehidrasi dan disejukkan. Paip alur keluar pemasangan sentiasa dilindungi oleh injap sehala untuk mengelakkan kebakaran.

Rangka struktur itu sendiri diperbuat daripada paip keluli dan kepingan keluli tebal, yang memberikan keseluruhan struktur ketegaran tinggi dan kekuatan mekanikal. Tangki gas mesti diuji di bawah tekanan.

Unit elektronik peranti mengawal semua peringkat proses pengeluaran, dan membolehkan pengendali memantau parameter pada panel dan tolok tekanan, yang memastikan keselamatan. Kecekapan elektrolisis adalah sedemikian rupa sehingga daripada 500 ml air kira-kira satu meter padu kedua-dua gas diperoleh dengan kos kira-kira 4 kW/j tenaga elektrik.

Berbanding dengan kaedah lain untuk menghasilkan hidrogen, elektrolisis air mempunyai beberapa kelebihan. Pertama, bahan mentah yang ada digunakan - air dan elektrik yang telah dinyahmineral. Kedua, tiada pelepasan pencemaran semasa pengeluaran. Ketiga, proses ini sepenuhnya automatik. Akhirnya, output adalah produk yang agak tulen (99.99%).

Oleh itu, loji elektrolisis dan hidrogen yang dihasilkan daripadanya digunakan hari ini dalam banyak industri: dalam sintesis kimia, dalam rawatan haba logam, dalam pengeluaran minyak sayuran, dalam industri kaca, dalam elektronik, dalam sistem penyejukan dalam sektor tenaga. , dan lain-lain.

Pemasangan elektrolisis dipasang dengan cara berikut. Panel kawalan untuk penjana hidrogen terletak di luar. Seterusnya, penerus, pengubah, suis, sistem air demineral dan unit untuk menambahnya dipasang.

Dalam sel elektrolitik, hidrogen dihasilkan pada bahagian plat katod, dan oksigen dihasilkan pada bahagian plat anod. Di sinilah gas meninggalkan sel. Mereka dipisahkan dan dimasukkan ke dalam pemisah, kemudian disejukkan dengan air demineral, selepas itu ia dipisahkan daripada fasa cecair oleh graviti. Hidrogen dihantar ke mesin basuh, di mana titisan minuman keras dikeluarkan dari gas dan penyejukan berlaku dalam gegelung.

Akhirnya, hidrogen melalui penapisan (penapis di bahagian atas pemisah), di mana titisan air disingkirkan sepenuhnya, dan memasuki ruang pengeringan. Oksigen biasanya dilepaskan ke atmosfera. Air terdemineralisasi dibekalkan kepada mesin basuh oleh pam.

Lye digunakan di sini untuk meningkatkan kekonduksian elektrik air. Sekiranya operasi elektrolisis adalah normal, maka minuman keras itu diisi semula sekali setahun dalam jumlah yang kecil. Kalium kaustik pepejal diletakkan di dalam tangki alkali dua pertiga diisi dengan air yang telah dinyahmineral, selepas itu pam mengacaukannya ke dalam larutan.

Sistem penyejukan air elektroliser mempunyai dua tujuan: ia menyejukkan minuman keras kepada 80-90°C dan menyejukkan gas yang terhasil kepada 40°C.

Sistem analisis gas menerima sampel hidrogen. Titisan minuman keras dalam pemisah diasingkan, gas dibekalkan kepada penganalisis, tekanan dikurangkan, dan kandungan oksigen hidrogen diperiksa. Sebelum hidrogen dihantar ke tangki, takat embun akan diukur dalam meter kelembapan. Isyarat akan dihantar kepada operator atau PC untuk memutuskan sama ada hidrogen yang terhasil sesuai untuk dihantar ke tangki simpanan dan sama ada gas memenuhi syarat penerimaan.

Tekanan operasi pemasangan dikawal menggunakan sistem kawalan automatik. Sensor menerima maklumat tentang tekanan di dalam elektrolisis, kemudian data dihantar ke PC, di mana ia dibandingkan dengan parameter yang ditentukan. Seterusnya, hasilnya ditukar kepada isyarat kira-kira 10 mA, dan tekanan operasi dikekalkan pada tahap tertentu.

Suhu operasi unit dikawal oleh injap diafragma pneumatik. Komputer juga akan membandingkan suhu dengan suhu yang ditetapkan, dan perbezaan itu akan ditukar kepada isyarat yang sesuai untuk .

Keselamatan elektrolisis dipastikan oleh sistem penguncian dan penggera. Sekiranya berlaku kebocoran hidrogen, pengesanan berlaku secara automatik oleh pengesan. Program ini segera mematikan penjanaan dan memulakan kipas untuk mengudarakan bilik. Operator mesti mempunyai pengesan kebocoran mudah alih. Semua langkah ini memungkinkan untuk mencapai tahap keselamatan yang tinggi semasa operasi elektrolisis.