Elektroliza wody. Elektrolizer

Wielu z nas zapewne uwielbiało przeprowadzane na nich eksperymenty lekcje szkolne chemia. Zawsze ciekawie jest obserwować, jak na siebie oddziałują różne substancje i co się w końcu stanie. A niektórzy eksperymentatorzy z powodzeniem powtarzają w domu coś takiego jak elektroliza wody. Jak wiadomo, proces ten prowadzi do uwolnienia tlenu i wodoru. Ale jak dokładnie to wszystko się dzieje? Po co w ogóle potrzebna jest elektroliza wody i jakie są jej perspektywy? Przyjrzyjmy się temu bardziej szczegółowo.

Jak przebiega elektroliza wody?

Jeśli bierzesz zwykły zasilacz, podłącz pręty grafitowe do biegunów i opuść je woda z kranu, wówczas przepłynie przez niego prąd stały i w cieczy zaczną zachodzić różne reakcje elektrochemiczne. Ich aktywność zależy bezpośrednio od napięcia i obecności różnych soli w wodzie. Jeśli weźmiemy pod uwagę elektrolizę wody w domu przy użyciu zwykłej soli kuchennej, to w jej najbardziej uproszczonej formie można wyróżnić kilka niezależnych procesów.

Proces elektrochemiczny

Polega ona na tym, że na anodzie wydziela się tlen – i w tym miejscu ciecz ulega zakwaszeniu, a na katodzie wydziela się wodór – i tutaj ciecz ulega alkalizowaniu. Ale to nie wszystko. Jeśli użyjesz specjalnych elektrod, podczas elektrolizy wody powstanie ozon na biegunie ujemnym i nadtlenek wodoru na biegunie dodatnim. Woda świeża (niedestylowana) zawsze zawiera sole mineralne - chlorki, siarczany, węglany. Kiedy zachodzi elektroliza wody, biorą one również udział w reakcjach. Na przykład, gdy prąd stały zaczyna przepływać przez wodę z rozpuszczoną solą kuchenną, na anodzie zaczyna tworzyć się chlor - i tutaj woda ulega zakwaszeniu, a na katodzie powstaje wodorotlenek sodu - a woda jest alkalizowana. Taka reakcja jest krótkotrwała, a powstałe pierwiastki chemiczne zaczynają ponownie ze sobą oddziaływać. W efekcie wkrótce zaczyna się pojawiać podchloryn sodu – 2NaOCl. Mniej więcej to samo dzieje się z chlorkami potasu i wapnia. Jak widać, w wyniku rozkładu słodkiej wody powstaje mieszanina silnych utleniaczy: ozonu, tlenu, podchlorynu sodu i nadtlenku wodoru.

Proces elektromagnetyczny

Polega to na tym, że cząsteczki wody są ustawione równolegle do ruchu prądu tak, że ich część wodorowa (ze znakiem „+”) jest przyciągana do katody, a część tlenowa (ze znakiem „-”) do katody anoda. Siła oddziaływania na nie jest tak duża, że ​​prowadzi do osłabienia, a czasami zerwania wiązań wodorowych. W rezultacie powstaje tlen atomowy, który zmniejsza twardość wody. Utlenia jony wapnia do tlenku (Ca + + O → CaO), który z kolei łączy się z wodą i tworzy odpowiedni hydrat: CaO + H 2 O → Ca (OH) 2.

Proces kawitacji

Zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków wodoru i tlenu, które powstają w wyniku elektrolizy, uwalnia ogromną energię, która niszczy cząsteczki wody tworzące ich ściany. W rezultacie pojawiają się jony i cząsteczki atomowe tlenu i wodoru, grupy hydroksylowe i inne substancje.

Aplikacja

Elektroliza wody ma ogromne znaczenie praktyczne dla współczesnego przemysłu. Często wykorzystuje się go do oczyszczania wody różne zanieczyszczenia. On jest także w prosty sposób otrzymywanie wodoru. To drugie jest interesujące jako możliwa alternatywa dla paliwa konwencjonalnego. Obecnie naukowcy badają elektrolizę plazmową wody, która jest znacznie wydajniejsza niż konwencjonalna elektroliza. Poza tym istnieje teoria, według której do rozłożenia „eliksiru życia” można użyć specjalnych bakterii, które potrafią wytworzyć niewielki prąd. Jak widać, elektroliza wody wcale nie jest tak prosta, jak się początkowo wydaje i z pewnością możemy spodziewać się, że dalsze badania nad nią mogą równie dobrze doprowadzić do przejścia na paliwo wodorowe.

Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

1. Właściwości, wytwarzanie i zastosowanie wodoru

Podstawowe pojęcia dotyczące energii wodorowej

Istnieje kierunek w technologii zwany „energią wodorową”. W energii wodorowej wodór jest uważany nie tylko za odczynnik chemiczny, ale także za nośnik energii. Energia wodorowa obejmuje produkcję, magazynowanie, transport i wykorzystanie wodoru.

Istnieje kilka powodów, dla których wodór ma potencjał wykorzystania jako nośnik energii:

§ najczęstszym pierwiastkiem (0,01% masy skorupy ziemskiej to wodór, frakcja atomowa wynosi 17% (at.));

§ wodór można otrzymać z wody, podczas spalania wodoru powstaje woda, która zawracana jest do obiegu;

§ wodór nie jest toksyczny, przy jego spalaniu powstaje mniej szkodliwych składników niż przy spalaniu naturalnego paliwa organicznego;

§ Wykorzystując wodór, można akumulować energię wytwarzaną w elektrowniach, a także energię ze źródeł odnawialnych.

Wodór jako produkt techniczny ma szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu Gospodarka narodowa- w procesach technologicznych rafinacji ropy naftowej, produkcji amoniaku, metanolu, w przemyśle metalurgicznym, w wielu gałęziach nauki i techniki. Zastosowanie wodoru jako paliwa w pojazdy(transport drogowy i lotniczy, obiekty lotnicze) ze względu na wysoką wartość opałową i znaczną zdolność chłodniczą. Szczególne zainteresowanie reprezentuje wodór jako akumulator energii – wtórny nośnik energii, który można efektywnie wykorzystać np. w elektrowniach do pokrycia szczytowych obciążeń. Ponadto zastosowanie wodoru jako nośnika energii umożliwia przesyłanie energii na duże odległości z większą wydajnością, niż zapewniają to nowoczesne systemy.

Właściwości fizyczne i chemiczne wodoru

Wodór cząsteczkowy przy normalne warunki- gaz bezbarwny i bezwonny, palny, pali się niebieskawym, słabym płomieniem. Występuje bardzo rzadko w stanie wolnym (gazy wulkaniczne i ziemne). Wodór występuje w wodzie, węglu, ropie, gazie ziemnym i wielu minerałach materia organiczna a także w organizmach zwierzęcych i roślinnych.

Atom wodoru ma jeden elektron walencyjny, który znajduje się w zakresie działania jądro atomowe. Dlatego wodór tworzy tylko cząsteczki dwuatomowe. Cząsteczki wodoru charakteryzują się dużą wytrzymałością i niską polaryzowalnością, mają małe rozmiary i małą masę. Powoduje to większą mobilność cząsteczek wodoru, niska temperatura topnienie (- 259,1° C) i wrzenie (- 252,6° C). Wodór jest słabo rozpuszczalny w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych.

Niektóre właściwości fizyczne wodoru podano w tabeli.

Właściwości fizyczne wodoru w warunkach otoczenia

Wodór zawarty w cząsteczce wody jest mieszaniną trzech izotopów: protu H masa atomowa 1, deuter D o masie atomowej 2 i tryt T o masie atomowej 3.

Ciężka woda (tlenek deuteru) D 2 O to izotopowa odmiana wody, której cząsteczki zawierają atomy deuteru zamiast 1 atomów H. W wodzie naturalnej na jeden atom deuteru przypada 6500 - 7200 atomów 1 N.

Masa cząsteczkowa D 2 O - 20,09; temperatura wrzenia - 101,43 ° C; temperatura topnienia - 3,81°C; gęstość fazy ciekłej - 1,104 kg/m3.

Ciężka woda spowalnia procesy biologiczne i działa depresyjnie na organizmy żywe.

Główną metodą wytwarzania ciężkiej wody jest elektroliza wody. Proces opiera się na właściwości koncentracji ciężkiej wody w elektrolicie ze względu na mniejszą szybkość elektrochemicznego rozkładu D 2 O.

Używana jest ciężka woda reaktor nuklearny jako moderator i chłodziwo neutronów, stosowany jako składnik paliwa w reaktorach termojądrowych.

Właściwości chemiczne wodoru są określone przez jego pojedynczy elektron. Ilość energii potrzebnej do usunięcia tego elektronu jest większa niż może zapewnić jakikolwiek znany chemiczny środek utleniający. Dlatego wiązanie chemiczne wodór z innymi atomami jest bardziej kowalencyjny niż jonowy. Większość reakcji wymaga rozbicia lub osłabienia, aby je zainicjować silne połączenie H-H, to wymaga sporo energii. Szybkość reakcji wodorowych wzrasta wraz z zastosowaniem katalizatorów (metale z grupy platynowców, przejściowe lub metale ciężkie), wzbudzając cząsteczkę wodoru za pomocą światła, wyładowania elektrycznego lub łuk elektryczny w wysokiej temperaturze. W takich warunkach wodór reaguje z niemal każdym pierwiastkiem z wyjątkiem gazów szlachetnych.

Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem. Jego gęstość jest około 14 razy mniejsza niż gęstość powietrza. Rozprzestrzenia się szybko w otaczającym powietrzu, przenikając przez nieszczelności i małe otwory. Utrudnia to przechowywanie. Atomy wodoru łatwo włączają się w sieć molekularną wielu metali (szczególnie w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach), co jest przyczyną „kruchości wodorowej” metali. Podczas spalania wodór wytwarza około 3 razy więcej ciepła niż benzyna i prawie 2,5 razy więcej ciepła niż gaz ziemny (na jednostkę masy). Zapala się w szerokim zakresie stężeń (od 4 do 74%), czyli znacznie większych niż inne nośniki energii – gaz ziemny, benzyna oraz mieszanina propan-butan. Podczas interakcji z tlenem w procesach spalania lub przemianach elektrochemicznych otrzymuje się parę wodną.

Właściwości chemiczne wodoru zostały dobrze zbadane. Jest dobrym środkiem redukującym. W zwykłych temperaturach praktycznie nie reaguje z tlenem i chlorem. Na powierzchni katalizatora wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury proces gwałtownie przyspiesza. Po podgrzaniu wodór redukuje tlenki metali i łatwo przyłącza się do atomów węgla wiązaniami wielokrotnymi, dlatego wykorzystuje się go do uwodornienia tłuszczów i węglowodorów nienasyconych. W wodorkach metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych wodór występuje w postaci jonu H.

Podstawowe metody przemysłowePprodukcjawodór

Istnieje kilka głównych przemysłowych metod produkcji wodoru.

Główną przemysłową metodą produkcji wodoru jest produkcja wodoru poprzez reforming parowy metanu. Podstawowym produktem konwersji metanu jest gaz syntezowy (m CO+ n H 2). Reforming katalityczny metanu w piecu rurowym (reforming pierwotny) polega na utlenianiu metanu parą wodną. W rurach reakcyjnych pieca rurowego na katalizatorze niklowym proces konwersji pary gazu ziemnego za pomocą pary odbywa się według reakcji:

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

CO + H2O = CO2 + H2 + Q; (4)

Katalityczna konwersja metanu w parę wodną w konwertorze wałowym (reforming wtórny) przeprowadzana jest na katalizatorze niklowym według reakcji:

CH4 +0,5O2 = CO + 2H2 + 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)

Konwersja tlenku węgla z parą wodną zachodzi zgodnie z reakcją:

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

W przemyśle wodór produkowany jest także na inne sposoby:

§ poprzez obróbkę gorącego węgla parą wodną w specjalnych urządzeniach - wytwornicach gazu. W wyniku oddziaływania pary wodnej z węglem powstaje tzw. gaz wodny, składający się z wodoru i tlenku węgla:

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

Kiedy gaz wodny traktuje się parą wodną w obecności katalizatora żelazowego, tlenek węgla przekształca się w dwutlenek, który łatwo rozpuszcza się w wodzie w temperaturze wysokie ciśnienie krwi lub w roztworach alkalicznych:

CO + H2O = CO2 + H2; (jedenaście)

Proces ten odbywa się w temperaturze około 1000°C w obecności katalizatora na bazie niklu z dodatkiem tlenków magnezu, glinu i innych metali. Powstałą mieszaninę można wykorzystać jako surowiec do produkcji różnych substancji organicznych (metanol, aldehydy, węglowodory itp.) lub do produkcji wodoru (mieszaninę traktuje się parą wodną, ​​jak pokazano powyżej);

§ jako produkt uboczny wytwarzania chloru i wodorotlenków metali alkalicznych w wyniku elektrolizy roztworów ich chlorków.

Produkcja wodoru z biomasy. Wodór pozyskiwany jest z biomasy metodami termochemicznymi lub biochemicznymi. Metodą termochemiczną biomasa jest podgrzewana bez udziału tlenu do temperatury 500 – 800°C (w przypadku odpadów drzewnych), która jest znacznie niższa od temperatury procesu zgazowania węgla. W wyniku tego procesu wydzielają się H 2, CO i CH 4. W procesie chemicznym wodór wytwarzany jest przez różne bakterie.

Najczystszy wodór w przemyśle wytwarzany jest w procesie elektrolizy wody. Elektroliza wody jest jedną z najbardziej znanych i najlepiej zbadanych metod wytwarzania wodoru. Ekonomika procesu zależy głównie od kosztu energii elektrycznej. W kosztach produkcji wodoru, koszt energia elektryczna wynosi około 85%. Metodę tę zastosowano w wielu krajach posiadających znaczne zasoby energii wodnej. Największe kompleksy elektrochemiczne znajdują się w Kanadzie, Indiach, Egipcie, Norwegii, ale w wielu krajach powstało i działa ponad tysiąc małych instalacji. Metoda ta jest o tyle istotna, że ​​jest najbardziej uniwersalna w odniesieniu do wykorzystania pierwotnych źródeł energii. Ze względu na rozwój energia nuklearna możliwy jest nowy rozkwit elektrolizy wody w oparciu o tanią energię elektrownie jądrowe. Elektrochemiczna metoda wytwarzania wodoru z wody ma następujące pozytywne cechy:

1) wysoka czystość produkowanego wodoru – do 99,9%;

2) prostota procesu technologicznego, jego ciągłość, możliwość jak najpełniejszej automatyzacji, brak ruchomych części w ogniwie elektrolitycznym;

3) możliwość uzyskania najcenniejszych produktów ubocznych – ciężkiej wody i tlenu;

4) surowiec ogólnodostępny – woda;

5) elastyczność procesu i możliwość wytwarzania wodoru bezpośrednio pod ciśnieniem;

6) fizyczne oddzielenie wodoru i tlenu podczas samego procesu elektrolizy.

Jeśli w wodnym roztworze elektrolitu, w którym zanurzone są dwie elektrody, wytworzy się stałe napięcie elektryczne, które przekracza napięcie rozkładu wody, wówczas w obwodzie pojawi się prąd i na anodzie zacznie się uwalniać tlen, i wodór na katodzie w stosunku objętościowym 1:2.

Wodór i tlen powstający w wyniku elektrolizy wody mają wysoką czystość. Ich skład jest standaryzowany przez GOST. Wodór otrzymywany w procesie elektrolizy wody musi spełniać wymagania GOST 3022-80 (wodór techniczny klasa B).

Uzyskiwanie ciężkiej wody

Elektrochemiczne metody wytwarzania ciężkiej wody opierają się na frakcjonowaniu izotopów wodoru w procesie elektrochemicznego wyładowania wodoru. W wyniku różnicy w potencjałach uwalniania lekkiego protu i ciężkiego deuteru, prot jest uwalniany z większą szybkością niż deuter. Prowadzi to do gromadzenia się deuteru w elektrolicie.

Głównym etapem produkcji ciężkiej wody jest elektroliza wody. Podczas elektrolizy woda i D 2 O rozkładają się z różną szybkością. W rezultacie elektrolit zostaje wzbogacony ciężką wodą. Dzieje się tak, ponieważ potencjały równowagi podczas uwalniania deuteru są bardziej elektroujemne niż w przypadku protu, a przepięcie jest wyższe. Wodór wytwarzany w procesie elektrolizy zawiera mniej deuteru niż pierwotna woda.

Zagęszczanie ciężkiej wody odbywa się metodą okresową i ciągłym schematem technologicznym.

Jeśli elektrolizę przeprowadzisz w trybie okresowym, ładując porcję wody naturalnej, możesz otrzymać ciężką wodę o dowolnym stężeniu w elektrolicie. Aby wyprodukować 1 g ciężkiej wody o stężeniu substancji głównej 99,8%, należy zużyć 100 kg wody naturalnej. W takim przypadku 5% deuteru zawartego w wodzie źródłowej przejdzie do gotowego produktu. Pozostała część deuteru zostanie usunięta wraz z wodorem. W procesie okresowym zawartość ciężkiej wody w elektrolicie stopniowo wzrasta. Przychodzi moment, gdy względna zawartość deuteru w gazie katodowym przekracza jego zawartość w pierwotnym elektrolicie. W takim przypadku wskazane jest zawrócenie gazu katodowego do procesu.

Na produkcja przemysłowa stosuje się proces ciągły, w którym koszty energii produkcja ciężkiej wody jest znacznie niższa niż przy produkcji seryjnej. Rozwinięty różne opcje proces ciągły, umożliwiając zawrócenie do procesu wodoru wzbogaconego deuterem, wzbogacając jedną z faz ciężką wodą. Wszystkie metody ciągłego procesu wytwarzania ciężkiej wody opierają się na zastosowaniu schodkowej kaskady elektrolizerów.

Pierwszy stopień kaskady obejmuje elektrolizery świeżo przefiltrowane, w których jako elektrolit stosuje się KOH (C = 26%). Podczas procesu elektrolizy z elektrolizerów uwalnia się tlen i wodór oraz odparowuje woda wzbogacona w D 2 O. Woda ta jest skraplana i kierowana do elektrolizerów drugiego stopnia kaskady. Drugi stopień kaskady obejmuje mniejszą liczbę elektrolizerów, gdyż do ich zasilania wykorzystywana jest wyłącznie woda uniesiona wraz z gazami elektrolitycznymi z pierwszego stopnia kaskady. Trzeci etap kaskady obejmuje najmniejszą liczbę elektrolizerów. Do zasilania elektrolizerów tego stopnia wykorzystuje się kondensat z drugiego stopnia.

Nowoczesne, ciągłe schematy technologiczne wytwarzania ciężkiej wody projektowane są z wykorzystaniem procesów elektrolizy, odzysku, katalitycznej wymiany izotopów i fazowej wymiany izotopów.

Katalityczna wymiana izotopowa polega na tym, że w wyniku kontaktu pary wodnej z wodorem zawierającym zwiększoną ilość deuteru zachodzą kolejno następujące reakcje:

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

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

Równowaga w tych reakcjach jest przesunięta w prawo.

Podstawową konstrukcję instalacji do zatężania ciężkiej wody pokazano na rysunku.

Podstawowa konstrukcja stacji zagęszczania ciężkiej wody:

1 - etapy elektrolizy;

2 - lodówki;

3 - etapy katalitycznej wymiany fazowej.

Para wzbogacona ciężką wodą skrapla się, a kondensat oddziela się od fazy gazowej. Deuter przechodzi z fazy gazowej do fazy ciekłej. Rozkład deuteru pomiędzy fazę gazową i ciekłą charakteryzuje się współczynnikiem separacji:

gdzie, C i są stężeniami deuteru w roztworze elektrolitu i fazie gazowej, ułamkami molowymi.

Na wartość współczynnika separacji wpływają następujące czynniki: materiały katod i stan ich powierzchni, potencjał katody, temperatura procesu.

Zależność od materiału katody w temperaturze 75°C

W przypadku wymiany izotopów fazowych przy kontakcie woda w stanie ciekłym z wodorem zawierającym zwiększoną ilość gazowego deuteru zachodzi reakcja:

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

Równowaga tej reakcji jest przesunięta w prawo. W oparciu o wymianę izotopową można skonstruować proces przeciwprądowy, w którym deuter systematycznie przechodzi z fazy gazowej do fazy ciekłej.

Podczas procesu odzysku wodór zawierający zwiększoną ilość deuteru spala się w piecu regeneracyjnym w stechiometrycznej ilości tlenu, a woda wzbogacona deuterem jest podawana na wcześniejszy etap elektrolizy.

Nowoczesne, ciągłe przepływy procesowe do produkcji ciężkiej wody projektuje się z wykorzystaniem elektrolizy, odzysku, katalitycznej wymiany izotopów i fazowej wymiany izotopów. W tym przypadku do odzyskiwania gazów wykorzystywana jest kaskada elektrolizerów i pieców. Stopień wzbogacenia wody w deuter w każdym elektrolizerze kaskady zależy od zależności pomiędzy natężeniem prądu elektrolizy a dopływem wody do elektrolizy. Stosując ten schemat, możliwe jest przekształcenie 25 - 40% deuteru zawartego w wodzie źródłowej w ciężką wodę.

2 . Produkcja wodoruelektrolizaomwoda

Pojęcie i istota elektrolizy

Elektroliza to proces redoks, który zachodzi na elektrodach pod wpływem prąd elektryczny zasilane z zewnętrznego źródła. Elektroliza przekształca energię elektryczną w energię chemiczną.

Ogniwo elektrolityczne nazywane jest elektrolizerem i składa się z dwóch elektrod i elektrolitu. Elektrodę, na której zachodzi reakcja redukcji (katoda) w elektrolizerze, podłącza się do bieguna ujemnego zewnętrznego źródła prądu. Elektroda, na której zachodzi reakcja utleniania (anoda), jest podłączona do bieguna dodatniego źródła prądu. Na charakter i przebieg procesów elektrodowych duży wpływ ma skład elektrolitu, rozpuszczalnik, materiał elektrody i tryb elektrolizy (napięcie, gęstość prądu, temperatura itp.).

Całkowite napięcie, jakie należy przyłożyć do ogniwa elektrolitycznego, aby rozpoczął się proces elektrolizy, nazywane jest napięciem rozkładu - rozkładem E. .

Przepięcie podczas elektrolizy - godz. Przepięcie katodowe to dodatkowe napięcie przyłożone do katody w celu przesunięcia jej potencjału na stronę ujemną, natomiast przepięcie anodowe jest przyłożone do anody w celu przesunięcia jej potencjału na stronę ujemną. pozytywna strona. Napięcie można zmniejszyć zmniejszając rezystancję elektrod i elektrolitu, a także polaryzację elektrod. Opór wewnętrzny elektrolizera można zmniejszyć stosując elektrolit o wysokiej przewodności elektrycznej, podnosząc temperaturę i zmniejszając odległość między elektrodami.

Polaryzację można zmniejszyć poprzez zwiększenie powierzchni elektrod, temperatury, stężenia odczynników, mieszanie, a także zmniejszenie prądu i zastosowanie elektrod katalitycznych.

Sekwencja procesów elektrodowych. Często w elektrolicie występuje kilka rodzajów kationów i anionów oraz niezdysocjowanych cząsteczek, dlatego może wystąpić kilka reakcji elektrodowych.

Procesy katodowe. Ponieważ na katodzie zachodzi reakcja redukcji, tj. Kiedy elektrony są akceptowane przez utleniacz, najsilniejsze utleniacze muszą zareagować jako pierwsze. Na katodzie najpierw zachodzi reakcja o najbardziej dodatnim potencjale. W przypadku redukcji katodowej podczas elektrolizy wodnego roztworu elektrolitu wszystkie środki utleniające można podzielić na trzy grupy. Jony metali, których potencjał jest bardziej ujemny niż potencjał elektrody wodorowej. Należą do nich jony metali w zakresie napięć do aluminium włącznie. W roztworach wodnych wyładowanie tych jonów na katodzie praktycznie nie występuje, zamiast tego wydziela się wodór:

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

Procesy anodowe. Reakcje utleniania środków redukujących zachodzą na anodzie, tj. oddanie elektronów. Dlatego na anodzie najpierw utleniają się substancje o najbardziej ujemnym potencjale. Charakter reakcji na anodzie zależy również od materiału elektrody. Istnieją nierozpuszczalne i rozpuszczalne anody. Nierozpuszczalne anody są wykonane z węgla, grafitu i platyny. Podczas elektrolizy same nierozpuszczalne anody nie wysyłają elektronów do obwodu zewnętrznego, elektrony są wysyłane w wyniku utleniania anionów i cząsteczek wody.

Teoretyczne podstawy procesu elektrolizy wody

Proces elektrolitycznego rozkładu wody opisuje następujące ogólne równanie chemiczne:

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

Do oddzielnego wytwarzania gazów stosuje się elektrolizery z membranami lub membranami oddzielającymi przestrzeń katodową i anodową.

Przewodność właściwa oczyszczonej wody jest niewielka: w temperaturze 18°C ​​wynosi 4,41·10 -6 Ohm -1 m -1 . Dlatego elektrolityczny rozkład wody przeprowadza się w obecności elektrolitu tła. Ze względu na znaczne problemy z korozją występujące podczas elektrolizy kwasów, prawie wszystkie obecnie stosowane elektrolizery są stosowane roztwory wodne na bazie wodorotlenków potasu i sodu o stężeniu 350-400 g/l. Roztwory KOH mają przewagę nad NaOH ze względu na większą przewodność jonu K+ w stosunku do jonu Na+. Stężenie KOH odpowiada optymalnym gęstościom prądu. Drobne zanieczyszczenia w KOH nie stanowią przeszkody w jego stosowaniu. Aby zapobiec lub ograniczyć korozję części elektrolizera, podczas przygotowywania elektrolitu stosuje się wyłącznie czyste KOH i NaOH.

Do produkcji wodoru w drodze elektrolizy wody stosuje się destylowaną lub odsoloną wodę naturalną, co pozwala uniknąć gromadzenia się różnych zanieczyszczeń w elektrolicie.

Roztwór elektrolitu stosowany w instalacjach do elektrolizy wody zawiera 16-20% NaOH lub 25-30% KOH.

ItpOprocesy na elektrodach

Proces katodowy można opisać równaniami podsumowującymi:

2H + + 2e = H 2 (w środowisku kwaśnym) (18)

2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH - (cal środowisko alkaliczne) (19)

Rozważmy mechanizm katodowej ewolucji wodoru roztwory alkaliczne. Bezpośrednie wyładowanie cząsteczek wody następuje wraz z utworzeniem atomów wodoru i jonów wodorotlenkowych zaadsorbowanych na elektrodzie. Następnie zachodzi tzw. reakcja desorpcji elektrochemicznej. W sumie te dwa procesy dają reakcję katodową wydzielania wodoru.

Proces anodowy zależy również od kwasowości ośrodka:

H 2 O = 2H + + 0,5O 2 + 2e (w środowisku kwaśnym) (20)

2OH- = H2O + 0,5O2 + 2e (w środowisku alkalicznym) (21)

W środowisku zasadowym przepływ jonów wodorotlenkowych do powierzchni anody nie jest utrudniony i następuje bezpośrednie utlenianie OH- z utworzeniem tlenu i wody (rysunek).

Obwód elektrolizy

chemikalia wodorowe, elektroliza

Projekty elektrolizerów

Elektrolizery przemysłowe do produkcji wodoru występują w dwóch typach:

Monopolarny – elektrody zasilane są równolegle w tym samym pojemniku;

Bipolarne - elektrody podawane są szeregowo (elektroda po jednej stronie powierzchni jest anodą, a po drugiej - katodą) i tworzą stos ogniw. Schematy takich elektrolizerów przedstawiono na rysunku 1.3.

Gdy elektrody są połączone monopolarnie, wszystkie elektrody tego samego znaku są podłączone do szyny wychodzącej z odpowiedniego bieguna źródła prądu stałego. Gdy elektrody są połączone dwubiegunowo, prąd jest dostarczany tylko do najbardziej zewnętrznych elektrod 1 i 2, które są elektrodami monopolarnymi. Wszystkie pozostałe elektrody nie mają zasilania prądem i działają dwubiegunowo.

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Zależność prądu od napięcia w elektrolizerach

Im niższe napięcie na ogniwie elektrolizera, tym mniej energii zużywa. Wraz ze wzrostem temperatury elektrolitu maleje napięcie elektrolizera, dlatego energetycznie korzystna jest praca elektrolizerów w podwyższonych temperaturach (przy pracy pod ciśnieniem - w temperaturze 100°C i nawet wyższej). Jednakże wraz ze wzrostem temperatury elektrolitu nasilają się procesy korozyjne i starzenie się materiału uszczelki paronitowej ulega znacznemu przyspieszeniu. Dlatego też w przypadku małych instalacji elektrolizy w elektrowniach najważniejsza jest niezawodność urządzeń i czas pracy pomiędzy naprawami, temperatura elektrolitu powinna być utrzymywana na poziomie 60-75°C, a w przypadkach, gdy praca elektrolizera w temperaturze pełne obciążenie nie jest wymagane, zaleca się utrzymanie temperatury 40-50°C. Jednocześnie, aby utrzymać pożądaną wydajność elektrolizera, należy zwiększyć napięcie.

Aby prąd przepłynął przez elektrolizer z bipolarnym połączeniem elektrod, napięcie na elektrolizerze (U) musi być równe:

U=U 1 n, (22)

n - liczba komórek.

Napięcie na elektrolizerze monopolarnym jest równe napięciu między parą elektrod (na jednym ogniwie U= U 1).

Prąd (I) dostarczany do elektrolizera monopolarnego rozgałęzia się na wszystkie elektrody zgodnie z prawami połączenie równoległe. Zatem prąd płynący przez parę elektrod I 1 =I/n.

W elektrolizerze bipolarnym prąd przepływający przez każdą parę elektrod jest równy prądowi przepływającemu przez cały elektrolizer (I 1 = I) - prawo łączenia szeregowego.

Zatem przy tym samym obciążeniu prądowym elektrolizerów monopolarnych i bipolarnych ilość powstałej substancji w elektrolizerze bipolarnym jest n razy większa. Dlatego w przypadku elektrolizera bipolarnego istnieją koncepcje prądu liniowego i równoważnego. Prąd zastępczy jest równy prądowi liniowemu przepływającemu przez elektrolizer pomnożonemu przez liczbę ogniw:

I równanie =I n. (23)

Elektrolizery monopolarne nie są przeznaczone do obciążeń prądowych większych niż 200 - 300 kA, elektrolizery bipolarne działają przy równoważnym obciążeniu prądowym do 2000 kA. W rezultacie elektrolizery bipolarne są mocniejsze i bardziej produktywne.

Kolejną zaletą elektrolizerów bipolarnych jest zmniejszenie spadków napięcia na szynie elektrolizera i na stykach poprzez zmniejszenie ich liczby (patrz rys. 3).

Ponadto poziom automatyzacji elektrolizerów bipolarnych jest wyższy niż monopolarnych, co zmniejsza koszty siła robocza za ich służbę.

Wszystkie współczesne konstrukcje elektrolizerów do elektrolizy wody są typu prasy filtracyjnej z bipolarnym włączeniem elektrod.

Schemat elektrolizera w prasie filtracyjnej

Schemat elektrolizera w prasie filtracyjnej do produkcji wodoru i tlenu przedstawiono na rysunku 1.4.

Elektrolizery tego typu nie posiadają korpusu, lecz składają się z pojedynczych ogniw (liczba ogniw może przekraczać 100), które za pomocą płytek łączących (6) i śrub (7) są sztywno mocowane w jedną konstrukcję prasy filtracyjnej. Boczne ścianki ogniw stanowią główne arkusze (3) elektrod, do których przymocowane są oddalone od siebie elektrody perforowane (1). Pozostałe cztery ściany ogniwa stanowią ramę membrany (8), do której przymocowana jest membrana (5), oddzielająca przestrzeń anodową i katodową ogniwa. Membrana wykonana jest z azbestu wzmocnionego drutem niklowym. Uszczelnienie elektrolizera ułatwiają uszczelki (9). Elektrolit dostarczany jest do ogniw kanałem zasilającym (10) poprzez złączkę (11). Do usuwania wodoru i tlenu z ogniw wraz z elektrolitem stosuje się złączki (12) oraz kanały (13) i (14). Gaz oddzielany jest od elektrolitu w specjalnych odwadniaczach. W ten sposób wszystkie ogniwa elektrolizera bipolarnego w prasie filtracyjnej komunikują się ze sobą poprzez systemy dostarczania i usuwania krążącego elektrolitu.

Niewielkie grubości ogniw elektrolizujących (5 - 6 cm) i ich bardzo bliskie zbliżenie wzajemne porozumienie, jak również wysokie napięcie całkowite na elektrolizerze przyczyniają się do występowania upływów prądu.

Istnieją dwa sposoby upływu prądu z ogniw przez złączki (11, 12) i kanały (10, 13, 14):

1) przez elektrolit w armaturze i kanałach;

2) wzdłuż ścianek kształtek i kanałów.

Może wystąpić upływ prądu z elektrody głównej do ramy membrany. Aby zmniejszyć upływ prądu przez elektrolit, należy zwiększyć jego rezystancję w armaturze:

gdzie R jest rezystancją elektrolitu (omy);

Z - oporność elektrolit (om? m);

l - długość kanału (m);

S - przekrój kanału (m2).

Zgodnie ze wzorem (24) w celu zwiększenia rezystancji elektrolitu w kształtkach należy zwiększyć ich długość i zmniejszyć przekrój.

Upływ prądu przez części elektrolizera (armatury, ramy membran itp.) z pominięciem wewnętrznych elektrod bipolarnych zmniejsza przepływający przez nie prąd, a co za tym idzie, ilość otrzymywanych produktów (wodór i tlen). Ponadto upływy prądu mogą obejmować części elektrolizera (armaturę i ramy membran) w procesie elektrolizy jako elektrody bipolarne, przez co dochodzi do wzajemnego zanieczyszczenia gazów. Aby ograniczyć upływ prądu wzdłuż ścianek armatury i kanałów zasilających, wykonuje się je z dielektryków lub stosuje się wkładki izolacyjne. Aby zmniejszyć upływ prądu wzdłuż ramy membrany, pomiędzy głównym arkuszem elektrody a ramą membrany umieszcza się izolacyjne uszczelki paronitowe (9), a rama membrany jest wyłożona.

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Schemat dwubiegunowego elektrolizera w prasie filtracyjnej:

1 - elektroda zdalna; 2 - elektroda monopolarna (anoda); 3 - elektroda bipolarna; 4 - elektroda monopolarna (katoda); 5 - membrana; 6 - płyta wiążąca; 7 - śruba sprzęgająca; 8 - rama membrany; 9 - uszczelka paronitowa; 10 - kanał dostarczania elektrolitu; 11 - armatura do zasilania elektrolitem; 12 - armatura do spuszczania mieszaniny gaz-ciecz; 13 - kanał do zbierania wodoru; 14 - kanał do zbierania tlenu

Elektrody bipolarne przechodząc przez elektrolizer prądu stałego wytwarzają wodór z jednej strony (katoda), a tlen z drugiej (anoda). Elektrody bipolarne wykonane są ze stali węglowej, a anody dodatkowo pokryte są warstwą niklu.

Gazy uwalniane na elektrodach są oddzielane przez azbestową membranę przymocowaną do ram membran. Elektrolizer posiada trzy kolektory: górny przeznaczony jest do usuwania gazów i elektrolitu, dolny służy do zawracania elektrolitu chłodzącego do ogniw. Wszystkie elementy elektrolizera są połączone we wspólny pakiet i skręcone czterema śrubami łączącymi. Aby skompensować rozszerzalność cieplną aparatu, na końcach śrub instalowane są sprężyny talerzowe. Śruby ściągające izolowane są od płyt końcowych za pomocą specjalnych tulei.

3 . Opis procesu technologicznego i schematy instalacji elektrolizy

Proces wytwarzania wodoru i tlenu poprzez elektrolizę wody dla wszystkich rodzajów elektrolizy składa się z następujących operacji:

Przygotowanie wody destylowanej;

Przygotowanie elektrolitu;

Przeprowadzanie procesu elektrolizy wody.

Dwie pierwsze operacje przeprowadza się okresowo, w zależności od zapotrzebowania na wodę destylowaną i elektrolit, trzecią operację przeprowadza się w sposób ciągły.

Produkcja wody zasilającej – destylatu – prowadzona jest w gorzelnikach parowych lub elektrycznych. W przypadku elektrolizerów pracujących pod ciśnieniem destylaty z elektrolizerów podawane są za pomocą pomp dozujących.

Elektrolit przygotowywany jest w specjalnych skrzynkach z fałszywym dnem, na których umieszczane są wstępnie beczki z żrącym sodem usunięte osłony i cewki grzewcze dla szybszego rozpuszczania. Przygotowany roztwór wodorotlenku sodu w wodzie destylowanej pompuje się do zbiorników, których pojemność powinna być nieco większa niż pojemność jednego elektrolizera. Elektrolizery uzupełniane są okresowo elektrolitem poprzez filtry elektrolitowe, jeżeli stężenie wodorotlenku sodu w elektrolizerze spadnie poniżej poziomu dopuszczalnego.

Proces wytwarzania wodoru w procesie elektrolizy wody

Gdy woda jest wystawiona na działanie prądu elektrycznego, woda rozkłada się na wodór i tlen H 2 O = H 2 + 0,5 O 2 z uwolnieniem wodoru na katodzie i tlenu na anodzie. Do wody dodaje się chemicznie czysty wodorotlenek sodu(NaOH) lub żrący potas (KOH). Napięcie między elektrodami wynosi 1,6 - 2,3 V, co wystarcza do rozkładu wody, ale nie wystarcza do rozkładu zasad.

Na procesy elektrolizy wody negatywnie wpływa obecność w elektrolicie jonów chloru, siarki, kwasu węglowego i żelaza. Żelazo może gromadzić się na katodzie, tworząc mostki w kierunku anody, powodując zanieczyszczenie tlenu wodorem. Aby wyeliminować ten proces, do elektrolitu dodaje się dwuchromian potasu K 2 Cr 2 O 7 lub dwuchromian sodu Na 2 Cr 2 O 7.

Warsztat produkcji wodoru obejmuje:

Dział elektrolizy, w którym znajduje się główny proces technologiczny- elektroliza wody;

Dział przygotowawczy;

Analizator gazu;

Podstacja konwertorowa (do konwersji prądu przemiennego na prąd stały);

Otwarta podstacja transformatorowa;

Pomieszczenia domowe.

Wodór i tlen powstają w elektrolizerze w wyniku rozkładu wody DC. Czysta woda ma bardzo niską przewodność elektryczną, dlatego jako elektrolit stosuje się roztwór KOH (hydratu tlenku potasu). Zasada w roztworze występuje w postaci naładowanych cząstek - jonów. Woda nieznacznie dysocjuje na jony. Po przyłożeniu pola elektrycznego do roztworu na katodzie i anodzie zachodzą następujące procesy:

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

4OH- + 4e- > O2 + 2H2O

2H 2O > 2H 2 + O 2

Jon potasu nie jest wyładowywany na katodzie, jest jedynie nośnikiem prądu elektrycznego. Z elektrolizerów gazy dostają się do kolumn separacyjnych wraz z elektrolitem. Elektrolit jest schładzany i zawracany do elektrolizerów. Wodór z kolumn trafia do regulatorów ciśnienia wodoru, tlen z kolumn trafia do regulatorów ciśnienia tlenu. Regulatory są połączone ze sobą od dołu. Nad regulatorami ciśnienia zamontowane są zbiorniki wyrównawcze, z których woda grawitacyjnie przepływa do układu ciekłego regulatorów ciśnienia po opuszczeniu wody w regulatorze ciśnienia wodoru do armatury, która jest połączona z górną strefą zbiorników wyrównawczych. Elektrolit jest przygotowywany w zbiorniku i pompowany do elektrolizera. Podczas pracy instalacji elektrolizy wodór doprowadzany jest do suszenia przez lodówkę; Podczas rozruchu wodór jest uwalniany do atmosfery przez przerywacz pożaru, tlen przez uszczelnienie wodne. Po napełnieniu zbiorników wyrównawczych wodą wodór jest uwalniany do atmosfery poprzez ekspander.

Schemat procesu wytwarzania wodoru i tlenu w procesie elektrolizy wody

Zdolności produkcyjne i główne technologicznesprzęt

Zdolność produkcyjną określa się na podstawie wydajności elektrolizera w m 3 /godzinę produkcji wodoru.

Główne urządzenia technologiczne to:

Elektrolizery

Transformatory mocy i prostowniki

Destylatory

Zbiorniki do przygotowania i przechowywania elektrolitu

Zbiorniki do przechowywania wody destylowanej

Pompy zasilające elektrolit i destylat.

Charakterystyka techniczna elektrolizerów

Charakterystyki techniczne elektrolizerów podano zgodnie z dokumentacją techniczną zakładów produkcyjnych w tabeli.

Charakterystyka elektrolizerów

Schematyczny diagram elektrolizy wody pokazano na rysunku.

Schematyczny diagram elektrolizy wody

Schemat technologiczny wytwarzania wodoru metodą elektrolizy wOTak

Do elektrolizy wody potrzebny jest zestaw urządzeń. Są one połączone w schemat technologiczny. Głównym urządzeniem obwodu jest elektrolizer. W nim pod wpływem stałego prądu elektrycznego część wody rozkłada się na wodór i tlen, a elektrolit w sposób ciągły krąży, przechodząc przez ogniwa elektrolityczne, a następnie przez lodówkę. Krążący elektrolit niesie ze sobą uwolniony wodór i tlen. Gazy są z niego oddzielane i zbierane oddzielnie. Następnie gazy przechodzą przez urządzenia oddzielające rozpryski elektrolitu, pralki oraz lodówki (skraplacze).

Schemat technologiczny elektrolizy wody obejmuje następujące główne elementy i etapy:

- jednostka przygotowania elektrolitu;

- etap oczyszczania wody za pomocą filtrów mechanicznych i jonowymiennych;

- etap elektrolizy z układami chłodzenia i cyrkulacji elektrolitu, regulującymi poziom elektrolitu i utrzymującymi jednakowe ciśnienie gazu w ogniwie; etapy suszenia i oczyszczania gazów.

Na ryżu W sekcji 1.7 przedstawiono schemat technologiczny wytwarzania wodoru i tlenu w procesie elektrolizy wody.

Roboczy roztwór elektrolitu przygotowuje się poprzez rozpuszczenie stałych zasad z beczek 1 w zbiorniku rozpuszczalnika 2. Powstały roztwór przesyła się do zbiornika 3 w celu regulacji i wprowadza do elektrolizera 21. Aby stłumić korozję stali, do elektrolitu wprowadza się 2-3 kg/m 3 K 2 Cr 2 O 7.

Woda oczyszczona z zanieczyszczeń mechanicznych na filtrze 4 kierowana jest sekwencyjnie do kolumn 6, 7 wypełnionych odpowiednio żywicami kationowymi i anionowymiennymi, gdzie następuje głębokie oczyszczenie z zanieczyszczeń i grawitacyjnie wpływa do zbioru 9, skąd jest on pompowany do zbiornika zasilającego 10 i poprzez gaz płuczący dostarczany jest do elektrolizera 21.

Wodór i tlen otrzymane w procesie elektrolizy oddzielane są od krążącego roztworu elektrolitu w kolumnach 20 i podawane do płuczek – regulatorów ciśnienia gazu 18 i 19, w których gazy są schładzane i odmywane z zasad.

Z podkładek gazy są przesyłane przez regulatory ciśnienia zaworów 17 do konsumenta. W razie potrzeby gazy elektrolizowe poddaje się dodatkowemu oczyszczaniu. Na filtrach przyłączeniowych 11 wypełnionych watą szklaną oczyszczane są gazy z mgły alkalicznej. Wodór oczyszcza się z zanieczyszczeń tlenowych w aparacie kontaktowym 12 na katalizatorach niklowo-aluminiowych lub niklowo-chromowych w temperaturze 100-130°C. Tlen oczyszcza się z zanieczyszczeń wodorowych w aparacie kontaktowym 13 wypełnionym platynowanym azbestem, platyną osadzoną na tlenku glinu lub hopkalitem.

Oczyszczone gazy dostarczane są do lodówek 14, a po ochłodzeniu przekazywane są do suszenia do kolumn suszących 15 wypełnionych żelem krzemionkowym lub żelem aluminiowym. Wysuszone gazy przesyłane są do odbiorców poprzez odbiorniki 16.

Schemat technologiczny wytwarzania wodoru metodą elektrolizy wody

1 - bębny z alkaliami; 2 - zbiornik rozpuszczalnika; 3 - pojemniki; 4 - filtr do usuwania zanieczyszczeń mechanicznych z wody; 5 - pojemnik na roztwór regenerujący kwas; 6 , 7 - kolumny jonowymienne; 8 - pojemnik na alkaliczny roztwór regeneracyjny; 9 - zbiory wody oczyszczonej; 10 - zbiornik składników odżywczych; 11 - filtry do oczyszczania gazów z mgły alkalicznej; 12 - aparatura do katalitycznego oczyszczania wodoru; 13 - aparatura do dopalania zanieczyszczeń wodorowych i tlenowych; 14 - lodówki gazowe; 15 - suszarki gazowe; 16 - odbiorniki wodoru i tlenu; 17 - zaworowe regulatory ciśnienia gazu; 18, 19 - płuczki tlenu i wodoru - regulatory różnicy ciśnień gazu; 20 - kolumny separacyjne; 21 - elektrolizer; 22 - butle z azotem do czyszczenia elektrolizera; 23 - przetwornik prądu

Urządzenia te są montowane jako jedna jednostka i współdziałają w następującej kolejności. Z części tlenowej i wodorowej każdego ogniwa elektrolitycznego elektrolit wypełniony gazem jest transportowany do kanałów zbierających gaz elektrolizera, oddzielnie do kanałów tlenowych i wodorowych. Kanały te kończą się odpowiednio przedziałami wodoru i tlenu w komorze środkowej. W środkowej komorze gazy oddzielane są od elektrolitu i schładzane. Ze względu na różnicę masy kolumny z elektrolitem wypełnionym gazem (w ogniwie elektrolitycznym) i pozbawionej gazu (w komorze środkowej), elektrolit krąży. W środkowej komorze przesuwa się w dół, myjąc rurki, przez które pompowana jest woda chłodząca. W dolnej części środkowej komory elektrolit z obu jej przedziałów (wodór i tlen) miesza się, przechodzi przez filtr i wchodzi do kanału rozprowadzającego elektrolit pomiędzy ogniwami elektrolitycznymi.

Schemat ideowy urządzenia do wyrównywania ciśnienia gazu pokazano na rysunku.

Schemat ideowy urządzenia regulatora ciśnienia gazu

1.13 - regulatory pływaka; 2.12 - podkładki-regulatory hydrauliczne; 3.11 - separatory faz-kondensatory; 4 - ogniwo elektrolityczne; 5 - przestrzeń katodowa; 6 - kanał odżywczy; 7 - membrana; 8,9 - kanały wylotowe gazu; 14,15 - odbiorniki; 10 - przestrzeń anodowa.

Regulatory pełnią rolę pośrednich zaworów hydraulicznych pomiędzy odbiornikami a wnękami elektrolizera. Ciśnienie wodoru i tlenu we wszystkich wnękach elektrolizera aż do tych bramek jest takie samo i wyższe niż w odbiornikach wagą słupów wody, przez którą bąbelkują gazy w komorach tlenowych i wodorowych regulatora. Wysokość słupków reguluje się samoczynnie w zależności od różnicy ciśnień gazu w odbiornikach. W elektrolizerach pracujących pod ciśnieniem znacznie wyższym od atmosferycznego nie jest możliwe wykonanie regulatorów hydraulicznych o wymaganej wysokości. Następnie regulatory hydrauliczne uzupełniane są zaworami pływakowymi. W razie potrzeby gazy z elektrolizera poddawane są dodatkowemu oczyszczaniu z mgły elektrolitowej, tlenu z zanieczyszczeń wodorowych i wodoru z zanieczyszczeń tlenowych. Gazy oczyszczane są z mgły elektrolitowej w filtrach wypełnionych watą szklaną. Krople mgły wychwytywane są przez watę, ciecz spływa do dolnej części filtra, skąd jest okresowo odprowadzana.

Wodór oczyszcza się z zanieczyszczeń tlenowych poprzez dopalanie tlenu w urządzeniach kontaktowych. Następnie wodór schładza się w lodówce i suszy w kolumnie wypełnionej żelem krzemionkowym. Tlen oczyszcza się również z zanieczyszczeń wodorowych poprzez dopalanie, po czym gaz jest schładzany i suszony.

Produkcja wodoru i tlenu jest w pełni zautomatyzowana. Natężenie prądu reguluje się w zależności od określonej wydajności poprzez odpowiednią zmianę napięcia. Napięcie jest stale monitorowane za pomocą woltomierza. Spadek napięcia pomiędzy katodą a ramą oraz anodą a ramą jest okresowo sprawdzany w celu monitorowania zwarć i upływów prądu. Ilość dostarczanej wody regulowana jest w oparciu o poziom cieczy w kolektorze gazu.

Opublikowano na Allbest.ru

Podobne dokumenty

    Struktura cząsteczki wody. Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody. Właściwości fizyczne wody. Twardość jako jedna z właściwości wody. Proces oczyszczania wody. Wykorzystanie wody, sposoby jej przywracania. Znaczenie wody dla współczesnego człowieka.

    prezentacja, dodano 24.04.2012

    Proces elektrolizy wody w celu wytworzenia wodoru i tlenu, jego opis i główne etapy, analiza odpowiedniego równania podsumowującego. Pojęcie i rodzaje ogniw elektrochemicznych, ich budowa. Utlenianie jonów chlorkowych na elektrodzie grafitowej i jego produkty.

    streszczenie, dodano 09.05.2014

    Właściwości fizyczne, chemiczne i zastosowanie cynku. Skład materiału rudy i koncentraty zawierające cynk. Metody przetwarzania koncentratu cynku. Elektroosadzanie cynku: główne wskaźniki procesu elektrolizy, jego realizacja i utrzymanie.

    praca na kursie, dodano 08.07.2012

    Wzór chemiczny cząsteczki wody i jej struktura. Nazwa systematyczna: tlenek wodoru. Właściwości fizyczne i chemiczne, stany skupienia. Wymagania dotyczące jakości wody, zależność jej smaku od skład mineralny, temperatura i obecność gazów.

    prezentacja, dodano 26.10.2011

    Woda - jedyna substancja, występujący w przyrodzie w trzech stanach skupienia - ciekłym, stałym i gazowym. Rola wody w regulacji klimatu. Podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne wody. Parametry wpływające na wygląd wzoru na powierzchni szkła.

    streszczenie, dodano 22.10.2011

    Grupa metod ilościowych Analiza chemiczna w oparciu o zastosowanie elektrolizy ( metody elektrochemiczne analiza). Cechy metody elektrograwimetrycznej, jej istota i zastosowanie. Podstawowe wyposażenie, metoda elektrolizy wewnętrznej.

    streszczenie, dodano 15.11.2014

    Rozmieszczenie wody w przyrodzie, jej rola biologiczna i budowa molekularna. Właściwości chemiczne i fizyczne wody. Badania zdolności wody do tworzenia struktury i wpływu informacji na kształt jej kryształów. Perspektywy wykorzystania wody strukturowanej.

    streszczenie, dodano 29.10.2013

    Podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne, technologie otrzymywania berylu, jego występowanie w przyrodzie i obszary zastosowań praktycznych. Związki berylu, ich otrzymywanie i wytwarzanie. Rola biologiczna tego elementu. Stopy berylu, ich właściwości.

    streszczenie, dodano 30.04.2011

    Ogólna charakterystyka chloru jako pierwiastka chemicznego, jego magazynowanie, transport chloru i standardy jakości. Podstawowe przykłady zastosowania i wykorzystania chloru. Elektroliza: koncepcja i istota procesu. Środki ostrożności przy produkcji chloru.

    streszczenie, dodano 02.10.2015

    Pojęcie elektrolizy, jego praktyczne zastosowanie. Kąpiele elektrolizowe i galwaniczne, ich zasilanie do produkcji aluminium. Aplikacja procesy elektrochemiczne V różne obszary nowoczesna technologia, V chemia analityczna i biochemia substancji.

Proces elektrolizy jest reakcją redoks, która zachodzi tylko pod wpływem prądu elektrycznego. Elektroliza zachodzi w stopach i roztworach. W laboratoriach woda jest poddawana elektrolizie w celu wytworzenia czystych gazów – wodoru i tlenu.

Co to jest elektroliza

Aby przeprowadzić proces elektrolizy, w roztworze lub stopie umieszcza się dwie elektrody podłączone do przeciwnych biegunów źródła prądu. Jako elektrody najczęściej stosuje się metal lub grafit, ponieważ materiały te przenoszą prąd elektryczny.

Ryż. 1. Elektrolity w roztworze.

Pod wpływem prądu elektroda podłączona do bieguna ujemnego staje się katodą, a elektroda podłączona do bieguna dodatniego staje się anodą. Katoda i anoda przyciągają przeciwne jony: dodatnio naładowane kationy są kierowane do katody, ujemnie naładowane aniony są kierowane do anody.

Katoda jest czynnikiem utleniającym, zachodzi na niej proces redukcji kationów. Na anodzie zachodzi proces utleniania: anoda redukuje aniony i utlenia się.

Proces elektrolizy można podzielić na dwa etapy. Najpierw następuje dysocjacja - rozkład elektrolitu (roztworu lub stopu) na jony. Reakcje zachodzą wówczas na elektrodach.

Elektroliza wody

Jeśli przepuścisz prąd elektryczny przez wodę, ciecz zacznie dysocjować na atomy tworzące cząsteczkę wody. W wyniku procesu elektrolizy wody otrzymuje się tlen i wodór. Jednakże, w zależności od rodzaju elektrod, może wytwarzać się ozon i nadtlenek wodoru.

  • anoda:

    2H 2O → O 2 + 4H + + 4e – ;

  • katoda:

    4H + + 4e – → 2H 2 .

  • anoda:

    3H 2O → O 3 + 6e – + 6H + ;

  • katoda:

    O 2 + 2H 2 O + 2e – → H 2 O 2 + 2OH – .

Równanie ogólne:

2H 2O → 2H 2 + O 2.

Ryż. 2. Schemat elektrolizy wody.

Woda - słaby elektrolit dlatego elektroliza czystej wody destylowanej przebiega powoli lub w ogóle nie zachodzi. Aby przyspieszyć proces, do wody dodaje się mocny elektrolit, który zwiększa przewodność prądu elektrycznego.

Elektrolit dobiera się tak, aby wyeliminować konkurencję pomiędzy kationami elektrolitu i kationami wody (H+). W przeciwnym razie wodór nie będzie produkowany. Aby wyeliminować konkurencję, należy wybrać elektrolit, którego kationy będą miały niższy potencjał elektrodowy niż woda H+. Do roli kationu elektrolitu odpowiednie są:

  • Li + ;
  • Rb + ;
  • K + ;
  • CS + ;
  • Ba2+;
  • Sr2+;
  • Ca2+;
  • Na+;
  • Mg2+.

Przeciwnie, aby wyeliminować konkurencję anionów, do elektrolitu dobiera się aniony o wyższym potencjale elektrodowym niż anion OH – woda. Jako taki elektrolit stosuje się alkalia, tworząc jon hydroksylowy OH –.

Ryż. 3. Dysocjacja zasad.

Do elektrolizy wody stosuje się mocne zasady: wodorotlenek potasu (KOH) lub wodorotlenek sodu (NaOH). W niektórych przypadkach stosuje się mocny kwas, na przykład H 2 SO 4.

Czego się nauczyliśmy?

Elektroliza to proces powstawania i osadzania jonów substancji na elektrodach pod wpływem prądu elektrycznego. Woda dzieli się na kationy wodoru i aniony tlenu. Dodatnie kationy przesuwają się w stronę katody, ujemne aniony w kierunku anody. W niektórych przypadkach woda dysocjuje na ozon i nadtlenek wodoru. Ze względu na niską zdolność dysocjacji do wody dodaje się mocny elektrolit, który nie zakłóca powstawania wodoru i tlenu. Najczęściej dodaje się zasadę lub mocny kwas.

W tym artykule porozmawiamy o elektrolizie zwykłej wody.

Kto bez zastanowienia bawi się filmikami z YouTube'a, a potem próbuje powtórzyć to, co mu podano na talerzu, jest skazany na porażkę. W Internecie „roi się” od filmów zawierających oszustwa, a ten program jest częścią życia ludzi. Ktoś na tym zarabia, a ktoś pomaga mu zarabiać, oglądając ten program. Do filmów należy podchodzić ostrożnie. Wiem na przykład, że można zwiększyć wydajność instalacji elektrolizy, ale nie jestem pewien, czy Mayer rzeczywiście jeździł swoim samochodem po wodzie? To pierwsze udowodniłem sobie zarówno teoretycznie, jak i praktycznie, natomiast drugiego nie udało się jeszcze udowodnić.

Dla wystarczającej ilości gazu potrzebnej samochodowi powierzchnia elektrod w ogniwie Mayera jest za mała! Jednym z tajemniczych elementów konstrukcji samochodu Mayera jest czerwony zbiornik paliwa umieszczony za fotelem kierowcy. Nigdzie nic o nim nie jest napisane. Do zbiornika wprowadza się ogniwo „wnęki rezonansowej”, wskaźnik poziomu wody i stymulator laserowy. Wszystko z wyjątkiem tego czołgu jest opisane w ten czy inny sposób, ale w ogóle nic o czołgu. Czy to na pewno zbiornik paliwa (na wodę). Ale na filmach Mayer wlewa wodę bezpośrednio do celi. To było mały odwrót od tematu artykułu, ale dla Ciebie - temat do przemyśleń.

Moje badania nie mają na celu przede wszystkim szybkiego „podłączenia” ogniwa elektrolizy do samochodu, ale maksymalizację jego produktywności. Celem jest zmniejszenie prądu elektrolizy, czyli innymi słowy kosztów energii, ale jednocześnie zwiększenie objętości wyjściowej mieszaniny tlenu i wodoru. Podczas moich badań eksperymentalnych odkryto pewne właściwości fizyczne wody, które po zbadaniu i późniejszym zastosowaniu kilkukrotnie zwiększyły wydajność zwykłej instalacji do elektrolizy. Początkowo zaczynałem swoje eksperymenty od układu złożonego z płytek, jednak w trakcie eksperymentów musiałem je porzucić i przejść na lampy. Płyty wykazywały nierównomierne obciążenie ultrawysokie częstotliwości. Trudno było wykonać rozdzielacz mikrofalowy w trybie wspólnym bez utraty mocy. Najbardziej banalne, ale główny problem– wszystkie elementy aktywne musiały znajdować się w jednakowej odległości od specjalnego rezonatora mikrofalowego w odległości będącej wielokrotnością długości fali, w przeciwnym razie doszłoby do nierównomiernego wydzielania się gazu. Zmuszony byłem zatem przerzucić się na lampy.

Aby mieć z czym w przyszłości porównać, sekwencję eksperymentów rozpoczęto od zwykłej elektrolizy prądem stałym. Eksperymenty przeprowadziłem na konfiguracji pokazanej poniżej. Celę elektrolizy napełniłem zwykłą wodą z kranu przepuszczoną przez filtr węglowy, bez użycia kwasów i zasad. Podczas eksperymentu z ogniwa elektrolizy mieszanina wodorowo-tlenowa trafiała do „odwróconego” pojemnika wypełnionego wodą o pojemności 100 mililitrów. Na początku eksperymentu, po włączeniu urządzenia, uruchamiał się stoper. Kiedy pojemnik napełnił się gazem i wydostały się z niego 2 bąbelki do pojemnika zewnętrznego, stoper zatrzymał się. Aby skrócić czas eksperymentów, pobrano trzy pary rurek opisanych w patentach Meyera, o długości 4 cali. Całkowita powierzchnia Przestrzeń aktywna elektrolizy (powierzchnia elektrody) wynosiła około 180 cm2.

Kilkakrotnie „napełniłem” wskazany pojemnik gazem o godz różne prądy elektroliza. Prądy jakie wybrałem to: 0,25A; 0,5A; 1A; 1,5A; 2A.

W zwykłej elektrolizie prądem stałym odkryto, że wraz ze wzrostem napięcia U na płytkach instalacji elektrolizy następuje nieliniowy wzrost prądu I. Według wstępnych założeń pęcherzyki gazu powinny zapobiegać przepływowi prądu w międzyelektrodach przestrzeni, zatem wzrost napięcia na płytach powinien prowadzić do wzrostu rezystancji mieszanin woda-gaz zgodnie z prawem parabolicznym. W rzeczywistości wystąpiło zjawisko odwrotne.

Rezystancja R gwałtownie spadła wraz ze wzrostem napięcia zgodnie z nieliniowym wykresem - „hiperbolą”. Oczekiwano, że pojawiające się na powierzchni elektrod pęcherzyki gazu powinny zapobiegać przepływowi prądu elektrycznego pomiędzy elektrodami. Ale w praktyce okazało się, że gdy prąd wzrósł przy wciąż niskich wartościach, nastąpił gwałtowny spadek rezystancji, a przy prądach powyżej 7 amperów właściwości przewodności wody nie zmieniają się - prawo Ohma jest spełnione. Opisane zjawisko ilustrują wykresy.

Oczywiście przy dużym prądzie wytwarza więcej gazu, bo do tego dążymy więcej gazu, jednak stosunek wydajności gazu do pobieranej mocy gwałtownie spada, co zmniejsza sprawność instalacji.

Należało stworzyć urządzenie, które „wstrząśnie” instalacją elektrolizy. Do roli shakera możesz wziąć pod uwagę emeryta - nigdzie nie pracuje, siedzi i się trzęsie, ale zajmuje pewną ilość miejsca, trzeba go nakarmić, jego stare kości trzeba leczyć! Będzie drożej! Dlatego potrzebne są środki techniczne.

Na niektórych stronach można znaleźć artykuły mówiące, że lampy Mayera mają specjalne nacięcia do dostrojenia do rezonansu przy częstotliwościach dźwięku. Na zdjęciu widać rozcięcia.

Oczywiście taka możliwość wykorzystania wibracji dźwiękowych jest możliwa, jednak mocowanie lamp jest wykonane w taki sposób, aby nie pozwalały na drgania lamp. Wiedząc, że woda dobrze przenosi drgania dźwiękowe, łatwiej jest zamontować w zbiorniku np. rezonator ultradźwiękowy i efekt zostanie osiągnięty. Użyłem zwykłego generatora impulsów kwadratowych na mikroukładzie TTL i ultradźwiękowego „grosza”. Doświadczenie z rezonatorem ultradźwiękowym wykazało nieznaczny wzrost ilości wydalanego gazu, przy stałym poborze mocy. Charakterystykę tego procesu przedstawiono na wykresie.

Tutaj pierwszy wykres przedstawia stosunek objętości wychodzącego gazu V do mocy elektrycznej P, pochodzącej z samej mocy zużytej na wytworzenie mieszaniny tlenu i wodoru bez wpływu ultradźwięków, a drugi wykres przedstawia wpływ ultradźwięków. Pozytywny efekt obecny, ale nie wyrazisty. Przy małej mocy (niski prąd) ekspozycja na ultradźwięki w ogóle nie wpływa na proces elektrolizy, ale duża moc Wydajność instalacji została w pewnym stopniu poprawiona. Idealnie można założyć, że im silniejsze wibracje, tym wyższy będzie wykres wydajności, ale nadal potrzeba czasu, aby usunąć pęcherzyki gazu z przestrzeni międzyelektrodowej.

Jedną z możliwości usunięcia pęcherzyków gazu z przestrzeni międzyelektrodowej jest zapewnienie szybkiego obiegu wody, która wypłukuje pęcherzyki tlenu i wodoru. Towarzysz Kanarev stosuje tę metodę w swoich reaktorach. Meyer zaprojektował między innymi rury swojej mobilnej instalacji tak, aby zapewnić najlepszą naturalną cyrkulację wody i gazów.

Wracając do patentów Mayera, zauważyłem, że w patentach poświęca on znaczące miejsce stymulacji laserowej. Diody LED migają z częstotliwością około 30 kHz. Jako stymulatory zastosowano mocne czerwone diody LED, podobne do tych znajdujących się we wskaźnikach laserowych. Wybieranie wskaźników laserowych nie jest tanią przyjemnością, więc tego nie robiłem. Można oczywiście majstrować przy superjasnych diodach LED, ale ja się tym nie zajmowałem. Jeśli masz ochotę i możliwość, spróbuj.

Nie dotarłem do zasięgu światła czerwonego, zatrzymując się na częstotliwościach mikrofalowych. Jak pisałem wcześniej, wykorzystuje się częstotliwość rezonansową cząsteczek wody. Dzięki temu krótki impuls o małej mocy z napełnieniem mikrofalowym „wstrząsa” niemal dowolną objętością wody. Ponieważ jednak ciągłe oscylacje przy ultrawysokich częstotliwościach mogą podgrzewać jedynie cząsteczki wody (jak quasi-ciągłe oscylacje w kuchence mikrofalowej), a my tego nie potrzebujemy, użyłem krótkiego impulsu. Stara konstrukcja wykazywała nierówny przepływ gazu różne pary rurowych, więc musieliśmy przerobić projekt ogniwa, wykorzystując zawiłości technologii mikrofalowej. Dzięki zastosowaniu krótkiego impulsu o ultrawysokiej częstotliwości, nastąpił znaczny wzrost ilości wydalanego gazu, przy zachowaniu tego samego poboru mocy.

Tutaj pierwszy wykres przedstawia zależność stosunku objętości wychodzącego gazu V do mocy P, od samej mocy elektrycznej wydanej na otrzymanie mieszaniny tlenu i wodoru bez dodatkowego wpływu. Drugi wykres przedstawia ekspozycję na działanie ultradźwięków, a trzeci na działanie impulsu mikrofalowego. Pozytywny efekt stymulacji impulsami mikrofalowymi jest bardziej wyrazisty niż stymulacja ultradźwiękami. Podczas eksperymentów ze stymulacją mikrofalową zaobserwowano niewielki spadek wydajności przy mocy wejściowej około 16 W, a następnie ponownie zaobserwowano wzrost wydajności. Co to za kropla, nie potrafię jeszcze wyjaśnić, myślałem, że to błąd pomiaru, ale przy powtarzanych eksperymentach i tych przeprowadzonych na innych instrumentach „spadek” się powtarzał. Dla dokładności powtarzano pomiary w krokach prądowych co 0,2A w zakresie od 0,2A do 2,4A. Na końcu wykresu nastąpił gwałtowny spadek wydajności. Bardziej poprawne byłoby stwierdzenie, że prąd wzrósł, ale ilość gazu nie wzrosła. Zakładam, że przy dużych prądach duża ilość wydzielającego się gazu zakłócała ​​pracę instalacji, więc przy większych prądach nie eksperymentowałem, nie ma sensu.

Jeśli spojrzysz na ostatni wykres, możesz stwierdzić: to Zestaw doświadczalny przy powierzchni użytkowej elektrod równej 180 cm 2 (trzy pary rurek) jest w stanie wyprodukować około 2,2 litra mieszaniny tlenu i wodoru na godzinę przy użyciu 27 watów energii elektrycznej. Przy wskazanej mocy i napięciu 12 woltów pobór prądu wyniesie około 2,25 ampera. Wynika z tego, że do wytworzenia 22 litrów mieszaniny tlenu i wodoru na godzinę potrzeba 270 W energii elektrycznej, co przy napięciu pokładowym wynoszącym 12 woltów odpowiada prądowi o natężeniu 22,5 ampera. Wymaga to 30 par rurek o wysokości około 10 centymetrów. Jak widać prąd nie jest mały, ale dobrze „wpisuje się” w pobór energii standardowego generatora samochodowego. Można to zrobić inaczej: na 1 kilowat zużytej energii elektrycznej wytwarza się 81 litrów gazu, a jeśli przeliczyć na metry sześcienne, potrzeba około 12,3 kilowatogodzin. wyprodukować jeden metr sześcienny mieszanina tlenu i wodoru.

Jeśli porównamy ze znanymi instalacjami do elektrolizy, na przykład IPTI, które zużywają 4...5 kilowatogodzin na znormalizowany metr sześcienny wodoru, to instalacja opisana w tym artykule traci na produktywności, ponieważ zużywa 18,5 kilowatogodzin na sześcienny znormalizowany metr wodoru. Dlatego wyciągnij własne wnioski z liczb, które podałem.

Ile gazu potrzeba do uruchomienia silnika? wewnętrzne spalanie, jeszcze na to nie wpadłem. Ale to, co pokazuje YouTube, ma niewiele wspólnego z rzeczywistością.

Elektrolizer to specjalne urządzenie przeznaczone do oddzielania składników związku lub roztworu za pomocą prądu elektrycznego. Urządzenia te znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle m.in. do otrzymywania aktywnych składników metalicznych z rudy, oczyszczania metali, nakładania powłok metalowych na produkty. Są rzadko używane do codziennego użytku, ale można je również znaleźć. W szczególności oferowane są urządzenia do użytku domowego, które pozwalają określić stopień skażenia wody lub uzyskać tzw. wodę „żywą”.

Podstawą działania urządzenia jest zasada elektrolizy, której odkrywcą uważany jest za słynnego zagranicznego naukowca Faradaya. Jednak pierwszy elektrolizer wody został stworzony 30 lat przed Faradaya przez rosyjskiego naukowca Petrov. W praktyce udowodnił, że wodę można wzbogacać w stanie katodowym lub anodowym. Pomimo tej niesprawiedliwości jego praca nie poszła na marne i przyczyniła się do rozwoju technologii. Obecnie wynaleziono i z powodzeniem stosuje się wiele rodzajów urządzeń działających na zasadzie elektrolizy.

Co to jest

Elektrolizer działa dzięki zewnętrznemu źródłu prądu dostarczającemu prąd elektryczny. W uproszczeniu urządzenie wykonane jest w postaci obudowy, w której zamontowane są dwie lub więcej elektrod. Wewnątrz obudowy znajduje się elektrolit. Po przyłożeniu prądu elektrycznego roztwór rozkłada się na wymagane składniki. Dodatnio naładowane jony jednej substancji kierowane są do ujemnie naładowanej elektrody i odwrotnie.

Główną cechą takich jednostek jest produktywność. Oznacza to, że jest to ilość roztworu lub substancji, którą instalacja może przetworzyć w określonym czasie. Parametr ten jest wskazany w nazwie modelu. Jednak mogą na to wpływać również inne wskaźniki: siła prądu, napięcie, rodzaj elektrolitu i tak dalej.

Gatunki i typy

W zależności od konstrukcji anody i umiejscowienia przewodnika, elektrolizer może być trzech typów; są to jednostki z:

  1. Prasowane, pieczone anody.
  2. Ciągła anoda samozapiekająca się oraz przewód boczny.
  3. Ciągła anoda samozapiekająca się, a także górny przewodnik prądowy.

Elektrolizery stosowane do roztworów można podzielić na:

  • Suchy.
  • Przepływ przez.
  • Membrana.
  • Membrana.

Urządzenie

Konstrukcje jednostek mogą być różne, ale wszystkie działają na zasadzie elektrolizy.

Urządzenie w większości przypadków składa się z następujących elementów:

  • Obudowa przewodząca elektrycznie.
  • Katoda.
  • Anoda.
  • Rury przeznaczone do wprowadzania elektrolitu, a także usuwania substancji powstałych w trakcie reakcji.

Elektrody są hermetycznie zamknięte. Zazwyczaj prezentowane są w formie cylindrów, które komunikują się z otoczeniem zewnętrznym za pomocą rur. Elektrody wykonane są ze specjalnych materiałów przewodzących. Na katodzie osadza się metal lub kierowane są na nią jony wydzielonego gazu (podczas rozszczepiania wody).

W przemyśle metali nieżelaznych często wykorzystuje się specjalistyczne urządzenia do elektrolizy. Są to bardziej złożone instalacje, które mają swoje własne cechy. Zatem elektrolizer do oddzielania magnezu i chloru wymaga kąpieli składającej się ze ścianek czołowych i wzdłużnych. Jest wyłożony cegłami ogniotrwałymi i innymi materiałami, a także podzielony przegrodą na komorę elektrolizy i ogniwo, w którym gromadzą się produkty końcowe.

Cechy konstrukcyjne każdego rodzaju takiego sprzętu pozwalają nam tylko decydować specyficzne zadania, które są związane z zapewnieniem jakości uwalnianych substancji, szybkości reakcji, energochłonności instalacji i tak dalej.

Zasada działania

W urządzeniach do elektrolizy prąd elektryczny przewodzą wyłącznie związki jonowe. Dlatego po opuszczeniu elektrod do elektrolitu i włączeniu prądu elektrycznego zaczyna w nim płynąć prąd jonowy. Na katodę kierowane są cząstki dodatnie w postaci kationów, na przykład wodór i różne metale. Aniony, czyli jony naładowane ujemnie, przepływają do anody (tlen, chlor).

Zbliżając się do anody, aniony tracą swój ładunek i stają się cząstkami obojętnymi. W rezultacie osadzają się na elektrodzie. Podobne reakcje zachodzą na katodzie: kationy pobierają elektrony z elektrody, co prowadzi do ich neutralizacji. W efekcie na elektrodzie osadzają się kationy. Na przykład, gdy woda pęka, powstaje wodór, który unosi się do góry w postaci pęcherzyków. Aby zebrać ten gaz, nad katodą budowane są specjalne rury. Za ich pośrednictwem wodór dostaje się do wymaganego pojemnika, po czym można go wykorzystać zgodnie z jego przeznaczeniem.

Zasada działania w konstrukcjach różnych urządzeń jest ogólnie podobna, ale w niektórych przypadkach mogą występować ich własne cechy. Zatem w jednostkach membranowych stosuje się stały elektrolit w postaci membrany, która ma baza polimerowa. Główną cechą takich urządzeń jest podwójne przeznaczenie membrany. Warstwa ta może transportować protony i jony, w tym elektrody oddzielające i końcowe produkty elektrolizy.

Urządzenia membranowe stosuje się w przypadkach, gdy nie można dopuścić do dyfuzji końcowych produktów procesu elektrolizy. W tym celu stosuje się porowatą membranę, która jest wykonana ze szkła, azbestu lub ceramiki. W niektórych przypadkach jako taką membranę można zastosować włókna polimerowe lub watę szklaną.

Aplikacja

Elektrolizer jest szeroko stosowany w różne branże przemysł. Ale pomimo prostej konstrukcji ma różne konstrukcje i funkcje. Sprzęt ten służy do:

  • Ekstrakcja metali nieżelaznych (magnezu, aluminium).
  • Otrzymywanie pierwiastków chemicznych (rozkład wody na tlen i wodór, produkcja chloru).
  • Oczyszczanie ścieków (odsalanie, dezynfekcja, dezynfekcja z jonów metali).
  • Zabiegi różne produkty(demineralizacja mleka, solenie mięsa, elektroaktywacja płynów spożywczych, ekstrakcja azotanów i azotynów z produktów roślinnych, ekstrakcja białka z alg, grzybów i odpadów rybnych).

W medycynie instalacje wykorzystywane są na intensywnej terapii do detoksykacji organizmu człowieka, czyli do tworzenia roztworów podchlorynu sodu o wysokiej czystości. W tym celu wykorzystuje się urządzenie przepływowe z elektrodami tytanowymi.

Do rozwiązywania szeroko stosowane są urządzenia do elektrolizy i elektrodializy problemy środowiskowe i odsalanie wody. Ale jednostki te są rzadko używane ze względu na ich wady: złożoność projektu i ich działanie, zapotrzebowanie na prąd trójfazowy i wymóg okresowej wymiany elektrod z powodu ich rozpuszczania.

Instalacje takie wykorzystywane są także w życiu codziennym, np. do pozyskiwania „żywej” wody, a także jej oczyszczania. W przyszłości możliwe będzie stworzenie miniaturowych jednostek, które będą wykorzystywane w samochodach do bezpiecznego wytwarzania wodoru z wody. Wodór stanie się źródłem energii, a samochód będzie można zasilać zwykłą wodą.