Suyun kimyasal bileşimi ilk kez 1784 yılında Fransız kimyager Lavoisier tarafından belirlendi. Lavoisier, askeri mühendis Meunier ile birlikte su buharını sıcak bir demir levhanın üzerinden geçirirken suyun ayrışarak hidrojen ve oksijen açığa çıkardığını keşfetti. Evet, elbette, kendi zamanları için, "bir şeyleri sipariş etme" çağı için bu sonuçlar büyük değer. Aslında bu keşiften önce suyun tamamen var olduğu düşünülüyordu. homojen madde. Ancak başka bir şeyi not etmemek mümkün değil: Bu keşif de oldukça bariz bir rol oynadı. olumsuz rol uzun süre diğer bilim adamlarının dikkatini bu alandaki araştırmalardan uzaklaştırdığı ve birçok neslin zihninde yanılmazlığı tesis ettiği için bu sonuçüstelik bir bilim adamının otoritesi tarafından kutsanmıştır.
Ancak bunun gerçekleştirildiği koşullar o kadar kusurluydu ki, “kirliydi”.
Üzerinden su buharının geçtiği demirin varlığını düşünün. Önceden hesaba katılması bile zor olan anları deneyime dahil edebilir. Lavoisier ve ortağı, deneylerinde en bariz olanı kaydetti: iki gazın (hidrojen ve oksijen) salınması ve bunun ötesinde, buna hiç dikkat etmediler, büyük olasılıkla bunun "ek olarak" olması nedeniyle. iki gazın salınması kadar açık değildi.
Bu keşiften önce bilimde hakim olan genel görüş suyun homojen bir madde olduğu yönünde olduğundan, heterojen bileşiminin keşfi gerçeği devrim niteliğinde olarak adlandırılabilir. Kaşiflerden daha ne istenebilir ki! Üstelik deneyin sonuçlarının açıklığı fazlasıyla büyüleyiciydi.
Eski su görüşü atıldı ve yerini, bilimde hızla yerleşen iki elementin (hidrojen ve oksijen) birleşimi olarak yeni bir su fikri aldı. Bu, geliştirme sayesinde büyük ölçüde kolaylaştırıldı. elektrokimya.
Davy'ye göre ELEKTROLİZ
Bir dizi bilim adamı (Nicholson, Cavendish, vb.) elektrokimyasal üzerinde bir deney gerçekleştirdiayrışmasu (benzer bir tanım bu süreç tamamen yanlış). "Ayrışma" kelimesiyle suyun elektrolizini karmaşık bir redoks işlemi olarak anlamalıyız, ancak hiçbir şekilde suyun kendisini oluşturan elementlere basit bir şekilde ayrışması olarak anlamamalıyız.
Yani ayrışma sırasında, yani. Suyun elektrolizi sırasında hidrojen ve oksijen açığa çıktı ve bu da Lavoisier'in sonucunu dışarıdan doğruluyor gibi görünüyordu. Ancak aynı zamanda “kara kutu” birdenbire daha önce orada olmayan ek bilgiler sağlamaya başladı. Elektroliz işlemi sırasında iki garip olay keşfedildi: birincisi, suyun her iki bileşeni birlikte değil, birbirinden ayrı olarak serbest bırakıldı - bir elektrotta oksijen, diğerinde hidrojen; ikinci olarak oksijen kutbunda asit, hidrojen kutbunda alkali oluşumu gözlendi. BuOzad suyunun "garip" ayrışmasıbilim adamı sayısı; Üstelik ikinci “tuhaflık” konusunda daha çok endişeleniyorlardı; asit ve alkali görünümü.
Gerçek şu ki, sudan geçerken elektrik akımı Hidrojen ve oksijen açığa çıktı, bu da bilim adamlarına oldukça uygundu, çünkü suyun bileşimi hakkında halihazırda hakim olan görüşü doğruluyor gibiydi. Bu bileşenlerin, hangi koşullar altında, işgal edilmesine rağmen nasıl ayrıldığı sorusu bunun bilim adamları ama yine de o kadar değil: dikkatleri esas olarak ikinciye odaklanmıştı. "tuhaflık", çünkü o keşfedilen su formülüne şüphe gölgesi düşürdü. Suyun elektrolizi sırasında asit ve alkali oluşumuna neyin sebep olduğu sorusu kaçınılmaz olarak ortaya çıktı.
Seçkin bir İngiliz kimyager bu bilmecenin çözümünü üstlendi. Humphry Davy(1778-1829). Davy, bir dizi deneyle, o zamanın tüm bilim adamlarının varsaydığı, suyun elektrolizi sırasında asit ve alkali oluşumunun, suyun kendisiyle ilgili olmayan, rastgele bir olay olduğu ve belirlendiği gibi oluştuğu gerçeğini doğrulamış görünüyordu. Lavoisier, hidrojen ve oksijenden. Peki Davy bunu nasıl "kanıtlamayı" başardı?
Davy, kap malzemesinin deney sonuçları üzerindeki etkisini en aza indirmek için çeşitli kaplarda dikkatlice arıtılmış suyun elektrikle "ayrışması" üzerine çok sayıda deney gerçekleştirdi: akik, cam, fluorspardan yapılmış, barit sülfat vb. . Suyun elektrolizi sırasında yapılan istisnasız tüm deneylerde, anotta güçlü bir asit ve katotta bir alkali aldı. Bunu şu gerçekle ilişkilendirdi: temiz su asit ve alkali oluşumunun nedeni olan kapların malzemesini hâlâ kısmen ayrıştırıyordu. Ancak deneylerin önemli bir sonucu, elektrotlarda oluşan asit ve alkali miktarının doğrudan deneylerin süresine bağlı olmasıydı; yani deneyler ne kadar uzun sürerse, o kadar fazla asit ve alkali oluşuyor ve konsantrasyonları da o kadar güçlü oluyordu. .
Davy'nin çeşitli tuz çözeltilerinin elektrolizi üzerine yaptığı deneylerde de benzer bir tablo elde edildi: anotta oksijen salınımıyla asit oluşumu, katotta - hidrojen veya saf amonyak salınımıyla alkali oluşumu vardı. Bu süreçlerin kendileri, benzetme yoluyla, elektroliz süreciyle ilgili genel yasalara ilişkin sonuçlara yol açmış olmalıdır.
Elektroliz sırasında iyi bilinmektedir. çeşitli maddeler elektrotlardaRedoks süreçleri meydana gelir, ancak maddelerin basit ayrışması gerçekleşmez. Dahası, elektrolizin kendisi yalnızca bir redoks işleminin varlığında gerçekleşebilir.
Bu durumda, bir elektrotta oksidasyon reaksiyonu, diğerinde ise indirgeme reaksiyonu meydana gelir. Bu nedenle olurdu
en büyük hata
Elektrolizi, maddelerin su, tuz veya asit gibi kendilerini oluşturan elementlere ayrıştırılmasının basit bir işlemi olarak düşünün. Bir kutupta oksidasyon, diğer kutupta eşzamanlı indirgeme ile meydana gelir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu hükümler, elektrokimyasal proseslerin kutsallarının kutsalıdır ve tamamen tutarlıdır. termodinamiğin ikinci yasası
. Aslında, tuzların elektrolizi ile ilgili örnekler alırsak, anotta oksijenin salınmasıyla bir indirgeme reaksiyonunun meydana geldiğini görmek kolaydır (bu reaksiyonun anotta biriken ürünü, her durumda bir tür asitti). ). Katotta hidrojen veya metalin salınmasıyla bir oksidasyon reaksiyonu meydana geldi (katotta biriken bu reaksiyonun ürünü her zaman bir tür alkaliydi). Aynı modeli suya da uygulamak doğal görünebilir: birçok açıdan sahip olduğu kimyasal bir madde olarak su. asidik özellikler prensip olarak hizmet veremez bu durumda
istisnadır ve tıpkı bazı mekanik karışımlar gibi, diğer tüm maddelerin karmaşık redoks işlemlerine tabi tutulduğu kendisini oluşturan parçalara ayrılır. Bu nedenle, suyun elektrolizi sırasında ilgili elektrotlarda asit ve alkali oluşumunun önceden beklenmesi mümkündür. Tek soru şu: Hangi asit ve hangi alkali? Ama bu kesinlikle bariz şeyarkasını döndü. Onun düşüncesine izin verilmedi ya da sadece ihmal edildi. Üstelik bu bazı amatörler tarafından değil, profesyoneller tarafından yapıldı. yüksek sınıf bu gerçek, ama kesinlikle doğruluğunu doğrulamak için değil. Elektroliz sırasında her iki gazın da farklı elektrotlarda da olsa salınması, elektroliz ve termodinamiğin tüm yasalarına aykırı olsa bile bu inancı doğruluyor gibiydi. Aynı zamanda, suya düşen iki yapıştırılmış tahta parçası gibi, suyun bileşen parçalarına bu kadar kolay bölünebilmesinden hiç kimse utanmıyordu.
Herhangi bir yan etkiden kaçınmak için Davy, iyi arıtılmış suyla altın kaplarda bir dizi deney gerçekleştirdi. Deneyin sürdüğü on dört saat boyunca anot kabındaki asit miktarı sürekli arttı. Davy, özelliklerinin diğerlerinden farklı olmadığını keşfetti.azot
asitler, daha önce cam kaplarda yaptığı deneylerde de aynı şekilde oluşmuştu. Katot kabında, miktarı kısa sürede belirli bir sınıra ulaşan uçucu bir alkali oluştu. Amonyağın özelliğini keşfetti (
NH3).Davy deneyini tekrarladı ve üç gün boyunca ara vermeden sürdürdü. Bu sürenin sonunda, kendisinin de ifade ettiği gibi, kaplardaki su ayrıştı ve orijinal değerinin yarısından fazlasına kadar buharlaştı.
Davy'nin suyu "işkence altında"
Davy'nin deneylerinde gerçekten her şey bu kadar kusursuz bir şekilde saf ve iyi miydi? Davy'nin bir hava pompasının çanı altında suyun elektroliziyle ilgili deneyini ele alalım. Bu deneyde neden anot kabında sadece az miktarda asit oluştu ve katot kabında hiç alkali tespit edilmedi? Gerçekten Davy'nin düşündüğü gibi zilin altından dışarı pompalanan havanın eksikliğinden mi kaynaklanıyordu? Kısmen evet ama beklediğinden tamamen farklı bir anlamda. Öncelikle Davy, asit ve alkali oluşumunun şunlardan kaynaklandığı yönündeki ilk varsayımında ciddi bir hata yaptı:havanın nitrojeniydi. Asit ve alkali oluşumunun hava nitrojeniyle hiçbir ilgisi olamaz çünkü nitrojenin havadaki nitrojen olması basit bir nedendir. normal koşullar Kimyasal olarak aktif değildir, suda çözünmez ve oksijen veya hidrojenle reaksiyona girmez. Bu gerçek tek başına asit ve alkali oluşumunun diğer kaynaklarının araştırılmasına yol açmalıdır. Ancak daha sonra yapılan deneylerde asit ve alkali oluşumunun muhtemelen havada belirli miktarda amonyum tuzlarının bulunmasından kaynaklandığı öne sürüldü. Bu açıklama bizi tatmin etti. Ancak bu açıklamayı ciddiye almak pek mümkün değildir, çünkü öncelikle olay gerçekleştikten sonra yapılmıştır ve ikinci olarak Bu tür tuzların belirli bir miktarı gerçekten mevcut olsa bile, her deneyde sabit ve düzenli bir asit ve alkali oluşumuna neden olmayacak kadar küçük olması gerekirdi; bu miktar, belirtildiği gibi, yalnızca doğrudan orantılıydı. deneylerin süresine bağlıdır.
Ancak asıl mesele bu değil, zilin altındaki deneylerde tam olarak ne olduğu ve neden normal koşulların aksine orada sadece az miktarda asit oluştuğu ve hiç alkali bulunmadığıdır. Her şeyden önce, oldukça seyrekleştirilmiş bir atmosferin deneyin sonuçları üzerindeki olası etkisini ele alalım. Seyreltilmiş bir atmosferde, içinde çözünmüş gazların sıvılardan hızlı bir şekilde salındığı ve buharlaşma sürecinin önemli ölçüde hızlandığı, ikincisinin önce daha uçucu maddeleri, ardından daha az uçucu maddeleri etkilediği bilinmektedir. Davy'nin oldukça seyrekleştirilmiş bir atmosferde yaptığı deneylerde, her şeyden önce, uçucu alkaliyi çözeltiden serbest bırakma sürecinin başladığını varsaymak doğaldır, bu kısmen katot kabında tespit edilmemesinin nedenidir. Daha sonra sıcaklıktan dolayıNitrik asit suyun kaynama noktasının altında şarkı söylemeye başladığında anot kabında oluşan nitrik asit de kısmen buharlaşmaya başladı.
Ancak deneyin gidişatına yan etkiler bununla sınırlı değildi. Suyun elektrolizi sırasında oksijen ve hidrojen açığa çıktığı ve salınan hidrojenin hacmi oksijen hacminden yedi kat daha fazla olduğu için, bu gazlar ve her şeyden önce hidrojen deneyin gidişatını etkilemekten başka bir şey yapamadı. Normal koşullar altında, yani. zilin altında değil, deney sırasında oluşan hem amonyak hem de hidrojen buharlaştı ve deneyin sonucunu etkilemedi, daha sonra zilin altında bu maddeler toplandı kapalı alan
. Bu durumda amonyak, ortaya çıkan nitrik asitle kısmen reaksiyona girerek bir kısmını nötralize edebilir. Ek olarak ve belki de en önemlisi, güçlü bir indirgeyici madde olarak zilin altında önemli miktarlarda biriken hidrojen, şüphesiz reaksiyonun tüm seyrini etkileyerek Davy tarafından nihai olarak kaydedilen sonuçları verdi.
Hidrojenin indirgeyici etkisinin gösterimi. e Biri cilalı gümüş plaka, diğeri sıradan bir dikiş iğnesi olan iki elektrot alırsanız, bunları çanın altına yerleştirin ve çok seyrekleştirilmiş havada bir elektrik akımı geçirin.İğnenin ucundan cilalı bir plakaya geçirilirse, daha sonra iğnenin ucunun karşısında plaka gözle görülür şekilde değişecektir - oksitlenecek ve solacaktır ve ne kadar çok olursa, elektrik akımı o kadar uzun süre iletilecektir. Bundan sonra hava, seyreltilmiş hidrojenle değiştirilirse, diğer tüm eşit ve değişmemiş koşullar altında, akımın daha fazla geçmesi, plakadaki oksidin yavaş yavaş çıkmasına ve cilalamanın büyük ölçüde eski haline gelmesine yol açacaktır.Bu da hidrojenin indirgeyici özelliklerini iyi bir şekilde göstermektedir.
İÇİNDE Bir başka örnek ise canlı doğa alanından. Claude Bernard şu deneyi yapıyor: Bir hacim havayı iki hacim hidrojenle karıştırıp tohumları bu atmosfere yerleştirdi. Diğer tüm uygun koşullar altında (nem, ısı vb.), oksijen gerilimi yaşam aktivitesi için oldukça yeterli olmasına rağmen tohum çimlenmesi gerçekleşmedi.. Açıkçası, olumsuz sonuç yine güçlü bir indirgeyici etkiye sahip olan, redoks işleminin akışına müdahale eden hidrojenin etkisinden ve bununla birlikte onun oluşumundan kaynaklanıyordu. gerekli ürünler- asitler ve alkaliler.
T Retier: Nitrik asidin kolayca indirgenebilen bir madde olduğu fiziksel kimyadan iyi bilinmektedir. Örneğin, hidrojen tarafından serbest nitrojene indirgenir:
2 N 0 3 + 12Н + 10е—> N 2 + 6Н 2 0
Nitrik asidin bu özelliği, bazı galvanik hücrelerde polarizasyonu önlemek için özel olarak kullanılır. Bu durumlarda nitrik asit hidrojenin açığa çıktığı katot bölmesine eklenir.
Davy'nin deneylerinde de zilin altında benzer süreçler yaşandı. İkinci deneyde havayı hidrojenle değiştirdiğinde, burada güçlü bir indirgeyici ortam yarattı; bunun etkisi de sonuçları etkilemeyi ihmal etmedi: doğal olarak anot kabında asit tespit edilmedi (ve tespit edilemedi), ancak katotisim - alkali. Her şey doğal ve doğaldı. Ancak gerçek şu ki: Davy'nin deneyleri sonunda herkesi suyun iki basit elementten (hidrojen ve oksijen) oluştuğuna ikna etti.
Davy Ancak suyun elektrolizi sırasında, her zaman normal, doğal koşullar altında oluşan ne asit ne de alkalinin oluşmadığı koşullar yaratmak mümkündü.
Ancak suyun aslında hidrojen ve oksijenden oluştuğunu varsayalım. O halde suyun kendisini oluşturan parçalara bu kadar kolay ayrıştığına göre, bunların sentezi sonucunda da aynı kolaylıkla oluşması gerektiğini varsaymak doğal olacaktır. Ancak böyle bir şey olmuyor. Bilindiği gibi, iki gazın bire iki oranındaki karışımı (bir hacim oksijen ve iki hacim hidrojen), patlayıcı gaz olarak adlandırılan gazı üretir, ancak su üretmez. Hidrojen ve oksijenden su oluşturma girişimleri yalnızca bir katalizör varlığında başarılı oldu (bu arada demir de bir katalizör görevi görebilir, Lavoisier'in üzerinden su buharını geçirdiği ve tarihsel sonuçlarını çıkardığı demirin aynısı).
Suyun kimyasal bileşimini belirlemeye yönelik deneylerin çoğunun amacının olmadığı söylenebilir.Objektif araştırmalar için olduğu kadar sonuçlarını mevcut bir sonuca göre ayarlamak için de, bu gerçekten bir inanç meselesi haline geldi. “Kara kutu” temelde kendisinden beklenen ve genellikle girdilerine yönelik yönlendirilmiş bir eylemle kasıtlı olarak önceden belirlenen bilgiyi sağlıyordu.
Bu nedenle biyolojik, kimyasal ve fiziksel özelliklere ilişkin birçok gerçek, tanınmaya zemin oluşturmaz. mevcut formül gerçek su. Yalnızca ampirik gerçekler değil, aynı zamanda teorik hükümler ve her şeyden önce aşağıdaki gibi temel hükümlerden çıkan hükümler de buna karşı çıkıyor: termodinamiğin başlangıcı
. Kesinlikle - hava ve vakum
- kendiliğinden nesil
- suyun elektrolizi (bölüm 2)
Doğrudan elektrolizle su dezenfeksiyonu
Suyun doğrudan elektrolizi nedir?
Arıtılmış sudan elektrik akımının geçişine bir dizi elektrokimyasal reaksiyon eşlik eder, bunun sonucunda suda yeni maddeler oluşur ve moleküller arası etkileşimlerin yapısı değişir. Suyun doğrudan elektrolizi sırasında, oksitleyici maddelerin sentezi meydana gelir - oksijen, ozon, hidrojen peroksit, vb. Ayrıca, çok düşük klorür içeriğine sahip suda bile, doğrudan elektroliz sırasında uzun süreli kullanım için çok önemli olan artık klor oluşur. Su dezenfeksiyonunun etkisi.
Su elektroliz işleminin teorisi
Basitleştirilmiş bir biçimde suyun doğrudan elektrolizi birkaç işlemden oluşur.
1) Elektrokimyasal süreç.
Suda (H 2 O ) iki plaka (elektrotlar) paralel olarak yerleştirilmiştir: anot ve katot. Gerilim DC Elektrotlara sağlanan suyun elektrolizine yol açar.
Anotta üretilir oksijen: 2H 2 Ö → O2+ 4H + + 4e – (su asitlenir).
Katotta hidrojen oluşur: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (su alkalileşir).
Açığa çıkan hidrojen miktarı küçüktür ve büyük bir sorun değildir.
Özel elektrotların kullanılması sudan ozon ve hidrojen peroksit üretimine olanak sağlar.
Anotta üretilir ozon: 3H 2 Ö → Ç 3+ 6e − + 6H +(su asitlenir).
Katotta - hidrojen peroksit : Ö 2 + 2H 2 Ö + 2e - → H2O2+ 2OH -(su alkali hale gelir).
Doğal tatlı (damıtılmamış) su her zaman mineral tuzları içerir - sülfatlar, karbonatlar, klorürler. Su dezenfeksiyonunun uzun süreli etkisi için klor elde etmek için yalnızca klorürler ilgi çekicidir. Suda bunlar esas olarak sodyum klorür (NaCl), kalsiyum klorür (CaCl) ve potasyum klorürdür (KCl).
Sodyum klorür örneğini kullanırsak, elektroliz yoluyla klor oluşumuna yönelik reaksiyon aşağıdaki gibi olacaktır.
Suda çözünmüş tuz: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O
Elektroliz sırasında anotta klor oluşur: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (su asitlenir).
Ve katotta sodyum hidroksit oluşur: Na + + OH – → NaOH (su alkali hale gelir).
Bu reaksiyon kısa ömürlüdür, çünkü anotta üretilen klor hızlı bir şekilde tüketilerek bir form oluşturur. sodyum hipoklorit : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl.
Kalsiyum ve potasyum klorürlerde de benzer elektroliz reaksiyonları meydana gelir.
Böylece elektroliz sonucu tatlı su güçlü oksitleyici maddelerin bir karışımı üretilir:oksijen + ozon + hidrojen peroksit + sodyum hipoklorit .
2) Elektromanyetik süreç.
Bir su molekülü, kutuplarında pozitif (hidrojen tarafı) ve negatif (oksijen tarafı) yükler içeren küçük bir dipoldür. Elektromanyetik alanda, su molekülünün hidrojen kısmı katoda, oksijen kısmı ise anoda çekilir. Bu zayıflamaya ve hatta kopmaya yol açar hidrojen bağları bir su molekülünde. Hidrojen bağlarının zayıflaması atomik oksijen oluşumunu teşvik eder. Sudaki atomik oksijenin varlığı aşağıdakilere katkıda bulunur: su sertliğinin azaltılması. Kalsiyum her zaman sıradan suda bulunur. Ca + iyonları atomik oksijen tarafından oksitlenir: Ca + + O → CaO. Kalsiyum oksit, suyla birleşerek kalsiyum oksit hidratı oluşturur: CaO + H2O → Ca (OH) 2. Kalsiyum oksit hidrat – güçlü temel, suda oldukça çözünür. Su sertliğinin diğer unsurlarında da benzer süreçler meydana gelir.
3) Kavitasyon süreçleri.
Elektrokimyasal ve elektromanyetik sürecin bir sonucu olarak, oksijen ve hidrojenden oluşan mikroskobik gaz kabarcıkları oluşur. Elektrotların yüzeyinin yakınında ortaya çıkan kabarcıklardan oluşan beyazımsı bir bulut belirir. Suyun akışıyla sürüklenen kabarcıklar, akış hızının daha düşük, basıncın daha yüksek olduğu bir bölgeye doğru yer değiştirir ve yüksek hızla çöker.
Baloncuğun anında çökmesi, baloncuğun su duvarını tahrip eden muazzam bir enerji açığa çıkarır; su molekülleri. Bir su molekülünün yok edilmesinin sonucu, hidrojen ve oksijen iyonlarının, hidrojen ve oksijenin atomik parçacıklarının, hidrojen ve oksijen moleküllerinin, hidroksillerin ve diğer maddelerin oluşumudur.
Listelenen süreçler oluşuma katkıda bulunur ana oksitleyici ajan - atomik oksijen.
Suyun doğrudan elektrolizinin benzersiz yanı nedir?
Doğrudan elektroliz yoluyla su dezenfeksiyonu, bir tür oksidatif su arıtımıdır, ancak oksitleyici maddelerin suyun kendisinden üretilmesi ve dışarıdan getirilmemesi ve işlevlerini yerine getirdikten sonra geri dönmeleri nedeniyle temel olarak yaygın dezenfeksiyon yöntemlerinden farklıdır. önceki durum. Doğrudan elektroliz yoluyla su dezenfeksiyonunun etkinliği, kimyasal yöntemlere kıyasla birkaç kat daha yüksektir. Suyun doğrudan elektrolizi, rengin giderilmesi, hidrojen sülfür, amonyum kaynak suyu. Doğrudan elektroliz, dozaj pompası veya reaktif gerektirmez.
Dağıtım şebekelerinde suyun ikincil bakteriyel kirlenmesini önlemek için gerekli olan klor, elektrolizörden geçen sudaki doğal mineral tuzlarından aktive edilir ve içinde anında çözünür. Doğrudan elektroliz, kloraminleri parçalayarak nitrojen ve tuza dönüştürür.
Suyun düşük akım elektrolizi
Düşük voltajlı su elektroliz işlemi Faraday zamanından beri bilinmektedir. Yaygın olarak kullanılır modern endüstri. Elektrolizörün anot ve katodu arasındaki çalışma voltajı 1,6-2,3 Volt'tur ve akım onlarca ve yüzlerce ampere ulaşır. Su elektroliz işleminin başladığı minimum voltaj yaklaşık 1,23 V'tur.
Düşük amperli bir elektroliz hücresinin laboratuvar modeli (Şekil 210) az miktarda gaz ürettiğinden, bunların miktarını belirlemenin en güvenilir yöntemi, deney sırasında çözeltinin kütlesindeki değişimi belirleme ve sonraki hesaplama yöntemidir. açığa çıkan hidrojen ve oksijen miktarları.
Gram atomunun sayısal olarak eşit olduğu bilinmektedir. atom kütlesi maddeler ve bir gram molekül moleküler ağırlık maddeler. Örneğin, bir su molekülündeki bir gram hidrojen molekülü iki grama eşittir ve bir oksijen atomunun bir gram atomu 16 gramdır. Bir gram su molekülü 18 grama eşittir. Bir su molekülündeki hidrojenin kütlesi 2x100/18 = %11,11 ve oksijenin kütlesi 16x100/18 = %88,89 olduğundan, bir litre suda aynı oranda hidrojen ve oksijen bulunur. Bu, 1000 gram suyun 111,11 gram hidrojen ve 888,89 gram oksijen içerdiği anlamına gelir.
Pirinç. 210. Düşük amperli elektrolizör (Pat. No. 2227817)
Bir litre hidrojen 0,09 gram, bir litre oksijen ise 1,47 gramdır. Bu da 1 litre sudan 111,11/0,09=1234,44 litre hidrojen ve 888,89/1,47=604,69 litre oksijen elde edilebileceği anlamına geliyor.
Anot ve katot arasında 1,5-2,0 V voltajda elektroliz işleminin gerçekleşebileceği ortaya çıktı ve ortalama güç akım 0,02 A. Bu nedenle bu işleme düşük amper denir. Sonuçları tablodadır. 46.
İşlem düşük akım elektrolizi iki döngüden oluşabilir, bir döngüde elektrolizör elektrik şebekesine bağlanır, diğerinde ise kapatılır (Tablo 56).
Her şeyden önce, anot ve katot malzemesinin aynı olduğunu, yani galvanik hücre oluşturma olasılığını ortadan kaldıran çelik olduğunu not ediyoruz. Ancak hücre elektrotlarında yaklaşık 0,1'lik bir potansiyel farkı ortaya çıkar. İÇİNDE en tam yoklukİçinde elektrolitik çözelti var. Çözeltiyi döktükten sonra potansiyel fark artar. Bu durumda, yükün pozitif işareti her zaman üst elektrotta, negatif işaret ise alt elektrotta görünür. Doğru akım kaynağı darbe üretiyorsa gaz çıkışı artar.
Tablo 56. Su elektrolizinin göstergeleri
| Göstergeler | Toplam |
| 1 – ağa bağlı elektrolizörün altı döngüde çalışma süresi t, min | 6x10=60,0 |
| 2 – voltmetre okumaları V, Volt | 11,40 |
| 2’ – osiloskop okumaları V’, Volt | 0,40 |
| 3 – ampermetre okumaları I, Amper | 0,020 |
| 3’ – osiloskop okumaları, I’, Amper | 0,01978 |
| 4 – gerçek enerji tüketimi (P’=V’xI’x τ/60) Wh | 0,0081 |
| 5 – altı döngü boyunca ağ bağlantısı kesilmiş elektrolizörün çalışma süresi, min | 6x50=300,0 |
| 6 – çözelti kütlesindeki değişiklik m, gram | 0,60 |
| 7 – buharlaşan suyun kütlesi m’, gram | 0,06 |
| 8 – Gaza dönüşen suyun kütlesi, m’’=m-m’, g. | 0,54 |
| 9- Açığa çıkan hidrojen miktarı ΔМ=0,54x1,23x0,09=0,06, gram | 0,06 |
| 10 – osiloskop okumalarına göre gaza dönüştürülen gram su başına enerji tüketimi E'=P'/m'', Wh/g; | 0,015 |
| 11 – Gaza dönüşen gram su başına mevcut enerji tüketimi E'', Wh/g. su | 5,25 |
| 12 – K'=E''/P' osiloskop okumalarına göre sudan hidrojen üretmek için enerji tüketiminde azalma, zamanlar; | 648,15 |
| 13 - ortaya çıkan hidrojenin enerji içeriği (W=0,06x142/3,6) =2,36, Wh | 2,36 |
| 14 - enerji verimliliği Osiloskop okumalarına (Wх100/P') göre su elektroliz işlemi, %; | 1035,80 |
| 14’ – osiloskop okumalarına (Gx100/P") göre su elektroliz prosesinin enerji verimliliği% | 190322,6 |
Gaz üretme süreci, ortaya çıkan kabarcıkların salınmasıyla kolayca gözlemlenir. Elektrolizörün ağ ile bağlantısı kesildikten sonra bile serbest bırakılmaya devam ederler. Elbette elektrolizörün ağdan ayrılmasından sonra gazların yoğunluğu giderek azalır ancak saatlerce durmaz. Bu, elektrolizin elektrotlar arasındaki potansiyel farkından dolayı meydana geldiği gerçeğini ikna edici bir şekilde kanıtlıyor. Tabloda Şekil 48, elektrolizörün düzeltilmiş voltaj ve akım darbeleriyle periyodik güç beslemesi ile yapılan bir deneyin sonuçlarını sunmaktadır.
Düşük amperli bir elektrolizörün (Şekil 210) yalnızca bir kapasitör özelliklerine değil, aynı zamanda bir elektrik kaynağına da sahip olduğuna inanmak için nedenler vardır. Başlangıçta şarj edildikten sonra, içinde meydana gelen elektrolitik süreçlerin etkisi altında yavaş yavaş deşarj olur. Ürettiği miktar elektrik enerjisi elektroliz işlemini desteklemede yetersiz kalır ve yavaş yavaş boşalır. Enerji tüketimini telafi eden voltaj darbeleriyle periyodik olarak yeniden şarj edilirse, elektrolizörün şarjı bir kapasitör gibi sabit kalacak ve elektroliz işlemi stabil olacaktır.
Gaz üretme süreci, ortaya çıkan kabarcıkların salınmasıyla kolayca gözlemlenir. Elektrolizörün ağ ile bağlantısı kesildikten sonra bile salınmaya devam ederler. Elbette elektrolizörün ağ ile bağlantısı kesildikten sonra gaz salınımının yoğunluğu azalır ancak saatlerce durmaz. Bu, elektrolizin elektrotlar arasındaki potansiyel farkından dolayı meydana geldiği gerçeğini ikna edici bir şekilde kanıtlıyor.
Elektrolizörün ağdan uzun süre ayrılmasından sonra gazların salınması, oksijen ve hidrojen moleküllerinin oluşumunun katot tarafından yayılan elektronlar olmadan, yani su molekülünün elektronlarından dolayı meydana geldiğini kanıtlar (Şekil 209). ).
Aynı malzemeden (çelik) yapılmış konik elektrotların boyutlarını ölçeklendirerek düşük amperli bir elektrolizörün (Şekil 210) verimliliğini artırma girişimi başarısız oldu. Verimlilik yalnızca optimum boyutlardaki elektrolizörlerin sayısındaki artışla artar. Finansman eksikliği, farklı koni malzemelerinin su elektroliz işleminin verimliliği üzerindeki etkisini test etmemize izin vermedi (Şekil 210). Finansman devam ederse yeni ticari örnek bir darbeli elektrik motoru jeneratörü (Şekil 169 ve 172), katot ve anot boşluklarını birbirine bağlayan bir katot-anot elektroliz tüpünde gerçekleşen yeni su elektroliz işlemi için güç kaynağı olacaktır (Şekil 211, a).
Pirinç. 211: a) katot-anot elektroliz tüpü; b) katot-anot elektroliz tüpünden hidrojen-oksijen alevi
Negatif yüklü bir elektrotta - katot oluyor elektrokimyasal indirgeme parçacıklar (atomlar, moleküller, katyonlar) ve pozitif yüklü bir elektrot üzerinde - anot gelen elektrokimyasal oksidasyon parçacıklar (atomlar, moleküller, anyonlar). Aşağıda klasik formüller elektroliz
1. Aktif metal ve oksijen içeren asitin tuzu
Na 2 SO 4 ↔2Na + +SO 4 2−
A(+): 2H20 - 4e = O2 + 4H +
Sonuç: 2H 2 O (elektroliz) → H 2 + O 2
2. Hidroksit: aktif metal ve hidroksit iyonu
NaOH ↔ Na + + OH -
K(-): 2H 2 Ö + 2e = H 2 + 2OH −
A(+): 2H20 - 4e = O2 + 4H +
Sonuç: 2H 2 O (elektroliz) → 2H 2 + O 2
Suyun elektrolizi sırasında anotta Oksijen () ve katotta Hidrojen () salınır.
Hidrojen ve oksijen elde etmek için ilk deneyi yapacağız.
Bir çözeltiden elektrolit yapın karbonat(soda külü alabilirsiniz), elektrotları oraya indirin ve güç kaynağını açın. Akım çözeltiden aktığı anda, elektrotlarda oluşan gaz kabarcıkları hemen farkedilecektir: "+" konumunda oksijen, "-" konumunda hidrojen salınacaktır. Anot “+” yakınında bir birikimin olması nedeniyle ortaya çıkan bu gaz dağılımıdır. negatif iyonlar OH- ve oksijen azalması ve “-” iyonları katodun yakınında birikir alkali metal, içinde yer alan soda külü(Na2CO3) pozitif yüke (Na+) sahiptir ve aynı zamanda hidrojen indirgenmesi meydana gelir. Sodyum iyonlarının saf metal Na'ya indirgenmesi gerçekleşmez, çünkü metal sodyum, hidrojenin solundaki metal voltaj serisindedir.
Li< K < Rb < Cs < Ba < Ca < Hayır < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au
Geleneksel olarak, arabalarda sudan hidrojen ve oksijen üretmek için kuru elektrolizörler adı verilen cihazlar kullanılır. Bunlara aynı zamanda STK Jeneratörleri de denir.
HHO jeneratörü aracılığıyla elektroliz yoluyla motorda üretilen hidrojen ve oksijen, motorunuzun silindirlerindeki yakıt karışımının ateşlenmesini önemli ölçüde hızlandıracak ve benzinli veya dizel içten yanmalı motorun (Motor) güç çıkışını artıracaktır. içten yanmalı). Hidrojen buharlaşmış sıvı yakıttan 1000 kat daha hızlı tutuşur, böylece buharlaşan sıvı yakıtı ateşler ve çalışmasının ilk aşamasında pistonun patlayıcı kuvvetinin işini arttırır. Dizel motorlar da dahil olmak üzere içten yanmalı motorların yakıt karışımına NHO eklemenin faydaları, hem ABD hem de yabancı hükümetler, birçok büyük üniversite ve araştırma merkezleri dünyanın her yerinde.
ELEKTROLİZ
elektrokimyasal set oksidasyon-redüksiyon elektriğin geçişi sırasında meydana gelen süreçler. İçine elektrotlar daldırılmış bir elektrolitten geçen akım. Katotta katyonlar daha düşük oksidasyon durumuna sahip iyonlara veya atomlara indirgenir, örneğin: Fe 3+ + eFe 2+, Cu 2+ + 2e Cu (e - elektron). Nötr moleküller katottaki dönüşümlere doğrudan katılabilir veya bu durumda ara maddeler olarak kabul edilen katodik prosesin ürünleriyle reaksiyona girebilir. in-va E. Anotta, elektrolit hacminden gelen veya anot malzemesine ait iyonların veya moleküllerin oksidasyonu meydana gelir; V ikinci durum anot çözünür veya oksitlenir (bkz. Anodik çözünme).Örneğin:
E. iki süreci içerir: reaksiyona giren parçacıkların elektriğin etkisi altında göçü. elektrot yüzeyine alanlar ve yükün parçacıktan elektrota veya elektrottan parçacığa aktarımı. İyonların göçü, hareketlilikleri ve taşınma sayılarıyla belirlenir (bkz. Elektrolitlerin elektriksel iletkenliği). Transfer süreci birkaç tanedir. elektrik yükler, kural olarak, tek elektronlu reaksiyonlar dizisi şeklinde gerçekleştirilir, yani. ara maddelerin oluşumu ile adım adım. adsorbirdeki elektrot üzerinde bazen bir süre mevcut olan parçacıklar (iyonlar veya radikaller). durum.
Elektrot sistemlerinin hızları, elektrolitin bileşimine ve konsantrasyonuna, elektrotların malzemesine, elektrot potansiyeline, sıcaklığa ve hidrodinamiğe bağlıdır. koşullar (bkz. Elektrokimyasal kinetik). Hızın ölçüsü akım yoğunluğudur, yani aktarılan elektrik akımlarının sayısıdır. birim zamanda elektrot yüzeyinin birim alanı boyunca şarj olur. E. sırasında oluşan ürün sayısı belirlenir Faraday'ın yasaları. 1 gram eşdeğer maddenin elektrot üzerine salındığı gün, elektrotların her birinde aynı anda birkaç tane oluşması durumunda 26,8 A* saate eşit miktarda elektrik gerektirir. Bir takım elektrokimyasalların bir sonucu olarak ürünler. R-tion'lardan birinin ürününün oluşumuna giden akımın payına (% olarak) denir. Bu ürünün mevcut çıkışı.
Elektrot işlemi, yükü aktarmak için en az miktarda elektriğe ihtiyaç duyan maddeleri içerir. potansiyel; bu olabilir çözeltinin hacmindeki elektriğin transferini belirleyen maddeler değil. Örneğin E ile. su çözeltisi NaCl iyonları göç sırasında Na + ve Cl + iyonlarını içerir, ancak katı katotlarda Na + iyonları boşaltılmaz, ancak protonlanmış su moleküllerinin enerji açısından daha uygun bir deşarj süreci meydana gelir: H 3 O + + e --> 1/ 2H2 + H20.
E.'nin başvurusu Hedef ürünlerin elektroliz yoluyla elde edilmesi, işlemin hızını ve yönünü nispeten basit bir şekilde (akım gücünü ayarlayarak) kontrol etmeyi mümkün kılar, bu sayede hem "en yumuşak" hem de son derece "sert" işlemler gerçekleştirilebilir. oksidasyon veya indirgeme koşulları, en güçlü oksitleyici ajanların ve indirgeyici ajanların elde edilmesi. E. ile H2 ve O2 sudan, C12 NaCl'nin sulu çözeltilerinden, F2 KF'den KH2F3 içindeki eriyikten üretilir.
Hidroelektrometalurji, demir dışı metalurjinin (Cu, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn) önemli bir dalıdır; aynı zamanda asil ve eser metaller, Mn, Cr elde etmek için de kullanılır. E., metalin cevherden çözeltiye aktarılmasından ve çözeltinin saflaştırılmasından sonra doğrudan metalin katodik ayrılması için kullanılır. Bu süreç denir elektroekstraksiyon. E. ayrıca metal - elektrolitik temizliği için de kullanılır. rafinasyon (elektrorafinasyon). Bu işlem, kirlenmiş metalin anodik çözünmesini ve ardından katodik çökelmesini içerir. Rafinasyon ve elektroekstraksiyon, cıva ve amalgamlardan (amalgam metalurjisi) yapılmış sıvı elektrotlar ve katı metallerden yapılmış elektrotlar ile gerçekleştirilir.
E. elektrolit eriyikleri birçok üretim için önemli bir yöntemdir. metaller Örneğin, kriyolit-alümina eriyiğinden (Na3AlF6 + A1203) ham alüminyum elde edilir, hammadde elektrolitik olarak saflaştırılır. rafine etme. Bu durumda anot, %35'e kadar Cu içeren (ağırlıklandırma için) eriyik A1'dir ve bu nedenle elektroliz banyosunun tabanında bulunur. Banyonun orta sıvı tabakası BaCl 2, A1F 3 ve NaF, üst tabakası ise erimiş rafineri içermektedir. A1 katot görevi görür.
E. magnezyum klorür veya susuz karnalit eriyiği - maks. Mg elde etmek için yaygın bir yöntem. Baloda. E ölçekli eriyikler alkalin ve alkalin toprak elde etmek için kullanılır. metaller, Be, Ti, W, Mo, Zr, U vb.
Elektrolitik için Metal üretme yöntemleri aynı zamanda metal iyonlarının daha elektron negatif olanlara indirgenmesini de içerir. metal. Metallerin hidrojen ile indirgenmesi yoluyla izolasyonu da sıklıkla elektrokimyasal reaksiyonların aşamalarını içerir. Bu işlem sırasında açığa çıkan elektronlar nedeniyle hidrojenin iyonlaşması ve metal iyonlarının birikmesi. Birkaçının ortak serbest bırakılması veya çözülmesi süreçleri önemli bir rol oynar. metaller, metallerin ve mollerin ortak salınımı. katotta hidrojen ve elektrotlarda çözelti bileşenlerinin adsorpsiyonu. E. metalik hazırlanmasında kullanılır. Belirtilen özelliklere sahip tozlar.
E.-'nin diğer önemli uygulamaları elektrokaplama, elektrosentez, elektrokimyasal metal işleme,
korozyon koruması (bkz. Elektrokimyasal koruma).
Elektrolizörler. Endüstriyel tasarım elektrolitik işlemleri gerçekleştirmek için cihazlar Süreçler sürecin doğasına göre belirlenir. Hidrometalurji ve elektrokaplamada preim kullanırlar. sözde alternatif katotların ve anotların yerleştirildiği, elektrolit içeren açık bir kap olan kutu elektrolizörler buna göre bağlanır. negatif ile ve yere koy. Doğru akım kaynağının kutupları. Anotların üretiminde grafit, karbon-grafit malzemeleri, platin, demir oksitleri, kurşun, nikel, kurşun ve alaşımları kullanılır; Rutenyum ve titanyum oksitlerin (rutenyum-titanyum oksit anotları veya ORTA) yanı sıra platin ve alaşımlarından oluşan bir karışımdan yapılmış aktif bir kaplamaya sahip, aşınması düşük titanyum anotlar kullanırlar. Çoğu elektrolizördeki katotlar için ayrışma dahil çelik kullanılır. elektrolit ve elektrolit ürünlerinin agresifliği, t-ry ve diğer proses koşulları dikkate alınarak koruyucu kaplamalar. Bazı elektrolizörler aşağıdaki koşullar altında çalışır: yüksek basınçlarörneğin suyun ayrışması 4 MPa'ya kadar basınç altında gerçekleştirilir; Daha yüksek basınçlar için elektrolizörler de geliştirilmektedir. Modern olarak Plastikler elektrolizörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. kütleler, cam ve fiberglas, seramik.
çoğul olarak elektrokimyasal üretim, iyonları geçirgen olan ancak akışı engelleyen diyaframlar kullanılarak yapılan katot ve anot boşluklarının ayrılmasını gerektirir. karıştırma ve difüzyon. Bu, sıvının ayrılmasını sağlar ve gazlı ürünler Elektrotlar üzerinde veya çözelti hacminde oluşan orijinal, ara maddelerin katılımı önlenir. ve elektrot üzerindeki zıt işaretli alanlarda ve elektrot yakınındaki alanda elektrolizin son ürünleri. Gözenekli diyaframlarda hem katyonlar hem de anyonlar, transfer sayılarına karşılık gelen miktarlarda mikro gözenekler yoluyla aktarılır. İyon değiştirme diyaframlarında (membranlar), bileşimlerinde bulunan iyonojenik grupların doğasına bağlı olarak ya yalnızca katyonlar ya da anyonlar aktarılır. Güçlü oksitleyici maddeleri sentezlerken genellikle diyaframsız elektrolizörler kullanılır, ancak elektrolit çözeltisine K2Cr207 eklenir. Elektromanyetik işlem sırasında katot üzerinde diyaframın işlevlerini yerine getiren gözenekli bir kromit-kromat filmi oluşur. Klor üretirken, üzerine diyafram görevi gören bir asbest tabakasının uygulandığı çelik ağ şeklinde bir katot kullanılır. E. işleminde, anot odasına tuzlu su beslenir ve anot odasından NaOH çözeltisi çıkarılır.
Magnezyum, alüminyum, alkalin ve alkali toprak üretiminde kullanılan elektrolizör. metaller, refrakter malzeme ile kaplı bir banyodur, altta katot görevi gören erimiş bir metal bulunurken, blok şeklindeki anotlar bir sıvı metal tabakasının üzerine yerleştirilir. Membran klor üretimi süreçlerinde, elektrosentezde, ayrı olarak monte edilen filtre pres tipi elektrolizörler kullanılır. arasına iyon değişim membranlarının yerleştirildiği çerçeveler.
Güç kaynağına bağlantının niteliğine bağlı olarak, monopolar ve bipolar elektrolizörler ayırt edilir (Şekil). Monopolar bir elektrolizör bir elektrolitik hücreden oluşur. her biri birkaç taneden oluşabilen, aynı polariteye sahip elektrotlara sahip hücreler. Bir akım devresine paralel bağlanan elemanlar. Bipolar elektrolizör büyük sayı akım devresine seri olarak bağlanan hücreler (100-160'a kadar), en dıştaki ikisi hariç her elektrot bir tarafta katot, diğer tarafta anot olarak çalışır. Monopolar elektrolizörler genellikle yüksek akım ve düşük voltaj için, bipolar - nispeten düşük akım ve yüksek voltaj için tasarlanmıştır. Modern elektrolizörler yüksek akım yüküne izin verir: 400-500 kA'ya kadar monopolar, 1600 kA'ya kadar bipolar eşdeğeri.
Elektroliz yaygın olarak kullanılmaktadır. üretim sektörüörneğin, alüminyum (PA-300, PA-400, PA-550, vb. fırınlanmış anotlara sahip cihazlar) veya klor ( endüstriyel tesisler Asahi Kasei). Günlük yaşamda bu elektrokimyasal işlem çok daha az kullanıldı; örnekler arasında Intellichlor havuz elektrolizörü veya Star 7000 plazma kaynak makinesi yer alıyor. Yakıt, gaz ve ısıtma tarifelerindeki artış durumu kökten değiştirdi ve bu fikir ortaya çıktı. evde su elektrolizi popüler. Suyu bölmek için hangi cihazların (elektrolizörler) olduğunu ve tasarımlarının ne olduğunu ve kendi ellerinizle basit bir cihazın nasıl yapılacağını düşünelim.
Elektrolizör nedir, özellikleri ve uygulaması
Bu, aynı adı taşıyan elektrokimyasal işlem için cihazın adıdır; harici kaynak beslenme. Yapısal olarak bu cihaz, içine iki veya daha fazla elektrotun yerleştirildiği, elektrolitle dolu bir banyodur.
Bu tür cihazların temel özelliği üretkenliktir, genellikle bu parametre modelin adında belirtilir, örneğin sabit elektroliz tesislerinde SEU-10, SEU-20, SEU-40, MBE-125 (membran blok elektrolizörleri), vb. . Bu durumlarda sayılar hidrojen üretimini (m3/saat) gösterir.
Geriye kalan özelliklere gelince, bunlar cihazın spesifik tipine ve uygulama kapsamına bağlıdır; örneğin suyun elektrolizi yapıldığında kurulumun verimliliği aşağıdaki parametrelerden etkilenir:
Böylece çıkışlara 14 volt uygulayarak her hücreye 2 volt elde edeceğiz, her iki taraftaki plakaların ise farklı potansiyelleri olacaktır. Benzer plaka bağlantı sistemini kullanan elektrolizörlere kuru elektrolizörler denir.
- Plakalar arasındaki mesafe (katot ile anot alanı arasındaki mesafe) ne kadar küçük olursa, direnç o kadar düşük olur ve bu nedenle elektrolit çözeltisinden daha fazla akım geçecek ve bu da gaz üretiminin artmasına yol açacaktır.
- Plakanın boyutları (elektrotların alanı anlamına gelir), elektrolitten akan akımla doğru orantılıdır ve bu nedenle performansı da etkiler.
- Elektrolit konsantrasyonu ve termal dengesi.
- Elektrotları yapmak için kullanılan malzemenin özellikleri (altın ideal bir malzemedir, ancak çok pahalıdır, bu nedenle ev yapımı devrelerde paslanmaz çelik kullanılır).
- Proses katalizörlerinin uygulanması vb.
Yukarıda belirtildiği gibi ayarlar bu türden klor, alüminyum veya diğer maddeleri üretmek için hidrojen jeneratörü olarak kullanılabilir. Ayrıca suyu arıtan ve dezenfekte eden cihazlar (UPEV, VGE) olarak da kullanılırlar. karşılaştırmalı analiz kalitesi (Tesp 001).
Biz öncelikle Brown gazını (oksijenli hidrojen) üreten cihazlarla ilgileniyoruz, çünkü alternatif enerji taşıyıcısı veya yakıt katkı maddesi olarak kullanım için her türlü potansiyele sahip olan bu karışımdır. Bunlara biraz sonra bakacağız ama şimdilik suyu hidrojen ve oksijene ayıran basit bir elektrolizörün tasarımına ve çalışma prensibine geçelim.
Cihaz ve detaylı çalışma prensibi
Patlayıcı gaz üretimine yönelik cihazlar, güvenlik nedenleriyle birikimini içermez; gaz karışımı alındıktan hemen sonra yakılır. Bu, tasarımı biraz basitleştirir. Önceki bölümde cihazın performansını etkileyen ve belirli performans gereksinimleri getiren ana kriterleri inceledik.
Cihazın çalışma prensibi Şekil 4'te gösterilmektedir, kaynak DC gerilimi elektrolit çözeltisine daldırılmış elektrotlara bağlanır. Sonuç olarak, voltajı su moleküllerinin ayrışma noktasından daha yüksek olan bir akım içinden geçmeye başlar.
Şekil 4. Basit bir elektrolizörün tasarımı Bu elektrokimyasal işlem sonucunda katot hidrojeni, anot ise 2'ye 1 oranında oksijeni serbest bırakır.
Elektrolizör türleri
Ana su bölme cihazlarının tasarım özelliklerine kısaca bakalım.
Kuru
Bu tip bir cihazın tasarımı Şekil 2'de gösterilmiştir; özelliği, hücre sayısını değiştirerek cihaza minimum elektrot potansiyelini önemli ölçüde aşan bir voltajla güç sağlamanın mümkün olmasıdır.
Akış geçişi
Bu tip cihazların basitleştirilmiş bir tasarımı Şekil 5'te bulunabilir. Gördüğünüz gibi tasarım, tamamen çözeltiyle doldurulmuş "A" elektrotlu bir banyo ve bir "D" tankı içerir.
Şekil 5. Akış elektrolizörünün tasarımı Cihazın çalışma prensibi şu şekildedir:
- elektrokimyasal prosesin girişinde gaz, elektrolitle birlikte “B” borusu vasıtasıyla “D” kabına sıkılır;
- “D” tankında gaz, “C” çıkış vanasından boşaltılan elektrolit çözeltisinden ayrılır;
- elektrolit “E” borusu aracılığıyla hidroliz banyosuna geri döner.
Membran
Bu tip cihazların temel özelliği katı bir elektrolitin (membran) kullanılmasıdır. polimer bazlı. Bu tip cihazların tasarımı Şekil 6'da bulunabilir.
Şekil 6. Membran tipi elektrolizör Bu tür cihazların ana özelliği, zarın ikili amacıdır: yalnızca protonları ve iyonları aktarmakla kalmaz, aynı zamanda fiziksel seviye Elektrokimyasal prosesin hem elektrotlarını hem de ürünlerini ayırır.
Diyafram
Elektroliz ürünlerinin elektrot odaları arasında difüzyonuna izin verilmediği durumlarda, gözenekli bir diyafram kullanılır (bu tür cihazlara adını veren). Bunun malzemesi seramik, asbest veya cam olabilir. Bazı durumlarda böyle bir diyafram oluşturmak için polimer elyaflar veya cam yünü kullanılabilir. Şekil 7'de gösterilenler en basit seçenek elektrokimyasal işlemler için diyafram cihazı.
Açıklama:
- Oksijen çıkışı.
- U şeklinde şişe.
- Hidrojen çıkışı.
- Anot.
- Katot.
- Diyafram.
Alkali
Damıtılmış suda elektrokimyasal işlem mümkün değildir; katalizör olarak kullanılır. konsantre çözelti alkali (klor saldığı için tuz kullanımı istenmez). Buna dayanarak onlara alkalin diyebiliriz. çoğu Suyu ayırmak için elektrokimyasal cihazlar.
Tematik forumlarda, kabartma tozundan (NaHCO3) farklı olarak elektrotu aşındırmayan sodyum hidroksit (NaOH) kullanılması tavsiye edilir. İkincisinin iki önemli avantajı olduğunu unutmayın:
- Demir elektrotlar kullanılabilir.
- Hiçbir zararlı madde açığa çıkmaz.
Ancak önemli bir dezavantaj, bir katalizör olarak kabartma tozunun tüm faydalarını ortadan kaldırır. Sudaki konsantrasyonu litre başına 80 gramdan fazla değildir. Bu, elektrolitin donma direncini ve akım iletkenliğini azaltır. Birincisi sıcak mevsimde hala tolere edilebiliyorsa, ikincisi elektrot plakalarının alanında bir artış gerektirir ve bu da yapının boyutunu arttırır.
Hidrojen üretimi için elektrolizör: çizimler, diyagram
Hidrojen ve oksijen karışımıyla çalışan güçlü bir gaz yakıcıyı nasıl yapabileceğinize bakalım. Böyle bir cihazın diyagramı Şekil 8'de görülebilir.
Pirinç. 8. Hidrojen yakıcı tasarımı Açıklama:
- Brülör nozulu.
- Kauçuk borular.
- İkinci su contası.
- İlk su mühürü.
- Anot.
- Katot.
- Elektrotlar.
- Elektroliz banyosu.
Şekil 9, brülörümüzün elektrolizörünün güç kaynağının şematik diyagramını göstermektedir.
Pirinç. 9. Elektroliz meşale güç kaynağı Güçlü bir doğrultucu için aşağıdaki parçalara ihtiyacımız olacak:
- Transistörler: VT1 – MP26B; VT2 – P308.
- Tristörler: VS1 – KU202N.
- Diyotlar: VD1-VD4 – D232; VD5 – D226B; VD6, VD7 – D814B.
- Kapasitörler: 0,5 µF.
- Değişken dirençler: R3 -22 kOhm.
- Dirençler: R1 – 30 kOhm; R2 – 15 kOhm; R4 – 800Ohm; R5 – 2,7 kOhm; R6 – 3 kOhm; R7 – 10 kOhm.
- PA1, ölçüm ölçeği en az 20 A olan bir ampermetredir.
Elektrolizör parçalarına ilişkin kısa talimatlar.
Eski bir bataryadan küvet yapılabilir. Plakalar çatı demirinden 150x150 mm kesilmelidir (sac kalınlığı 0,5 mm). Yukarıda açıklanan güç kaynağıyla çalışmak için 81 hücreli bir elektrolizör monte etmeniz gerekecektir. Kurulum çizimi Şekil 10'da gösterilmektedir.
Pirinç. 10. Hidrojen yakıcı için elektrolizörün çizimi Böyle bir cihazın bakımının ve yönetiminin zorluklara neden olmadığını unutmayın.
Bir araba için DIY elektrolizör
İnternette, yazarlara göre% 30 ila% 50 arasında yakıt tasarrufu yapmanızı sağlayan HHO sistemlerinin birçok diyagramını bulabilirsiniz. Bu tür ifadeler fazla iyimserdir ve kural olarak herhangi bir kanıtla desteklenmemektedir. Böyle bir sistemin basitleştirilmiş bir diyagramı Şekil 11'de gösterilmektedir.
Bir araba için elektrolizörün basitleştirilmiş diyagramı Teorik olarak, böyle bir cihazın tamamen tükenmesi nedeniyle yakıt tüketimini azaltması gerekir. Bunu yapmak için Brown karışımı yakıt sistemi hava filtresine verilir. Bu, otomobilin dahili ağından güç alan bir elektrolizörden elde edilen ve yakıt tüketimini artıran hidrojen ve oksijendir. Kısır döngü.
Elbette bir PWM akım regülatör devresi kullanılabilir, daha verimli bir anahtarlamalı güç kaynağı kullanılabilir veya enerji tüketimini azaltmak için başka hileler kullanılabilir. Bazen internette bir elektrolizör için düşük amperli bir güç kaynağı satın alma teklifleriyle karşılaşırsınız, bu genellikle saçmadır, çünkü işlemin performansı doğrudan mevcut güce bağlıdır.
Bu, su aktivatörü kaybolan ve patenti eksik olan Kuznetsov sistemi gibidir. Bu tür sistemlerin yadsınamaz avantajlarından bahsettikleri yukarıdaki videolarda neredeyse hiçbir gerekçeli argüman yoktur. Bu, fikrin var olma hakkının olmadığı anlamına gelmez, ancak beyan edilen tasarruflar "biraz" abartılı.
Ev ısıtması için DIY elektrolizör
Şu anda, bir evi ısıtmak için ev yapımı bir elektrolizör yapmanın bir anlamı yok, çünkü elektrolizle elde edilen hidrojenin maliyeti, doğal gazdan veya diğer soğutuculardan çok daha pahalıdır.
Ayrıca hiçbir metalin hidrojenin yanma sıcaklığına dayanamayacağı da dikkate alınmalıdır. Doğru, bu sorunu aşmanıza olanak tanıyan, Stan Martin tarafından patentli bir çözüm var. Şuna dikkat etmek gerekir: kilit nokta değerli bir fikri apaçık saçmalıktan ayırmanıza olanak tanır. Aralarındaki fark, birincisine patent verilmesi, ikincisinin ise internette destekçilerini bulması.
Bu, ev tipi ve endüstriyel elektrolizörler hakkındaki makalenin sonu olabilir, ancak bu cihazları üreten firmalara kısa bir genel bakış yapmak mantıklı olacaktır.
Elektrolizör üreticilerine genel bakış
Üreten üreticileri listeliyoruz yakıt hücreleri elektrolizörlere dayanan bazı şirketler ev aletleri de üretiyor: NEL Hydrogen (Norveç, 1927'den beri piyasada), Hydrogenics (Belçika), Teledyne Inc (ABD), Uralkhimmash (Rusya), RusAl (Rusya, önemli ölçüde geliştirilmiş Soderberg teknolojisi), RutTech (Rusya).