Электролиз воды – это хорошо известный для всех кто дружит с техникой процесс электролиза, у которого в качестве электролита используется вода.

Впрочем, необходимо отметить, что вода при электролизе присутствует всегда. Вначале рассмотрим, что же представляет из себя процесс электролиза в общем.

Электролиз

Электролиз – это электрохимический процесс, который осуществляется через размещение в электролите двух электродов и подключении к ним постоянного тока.

Электролитами называются жидкие проводники, которые относятся к проводникам второго типа. Под жидкими проводниками понимаются жидкости / растворы обладающие электропроводностью.

Для справки добавим, что сосуды, в которые наливаются электролиты, называются гальваническими ваннами.

В ходе процесса электролиза, ионы под воздействием электромагнитного поля, образуемого в электролите постоянным электрическим током, начинают движение к электродам. Ионы с положительным зарядом, в соответствии с законами физики, двигаются к электроду с отрицательным зарядом, который называется КАТОДОМ, а отрицательно заряженные ионы соответственно перемещаются к другому электроду, называемому АНОДОМ. Электролиз сопровождается выделением на электродах веществ, что указывает на движение в электролитах атомов. Например, как правило, металлы и водород выделяются на КАТОДЕ.

На прохождение процесса электролиза влияет несколько факторов:

• сила тока, подключаемого к электродам;
• потенциал ионов;
• состав электролита;
• материал, из которого изготовлены электроды — КАТОД и АНОД.

Электролиз воды

Как мы уже отмечали выше, электролиз воды подразумевает использование в качестве электролита воды.

Как правило, при электролизе воды, для лучшего прохождения процесса, в воду добавляют немного какого либо вещества, например пищевой соды, но не обязательно, поскольку обычная вода практически всегда уже содержит примеси.

В результате электролиза воды выделяются водород и кислород. Кислород будет выделяться на АНОДЕ, а водород на КАТОДЕ.

Применение электролиза воды

Технология электролиза воды применяется:

• в системах очистки воды от всевозможных примесей;
• для получения водорода. Водород же, например, используют в весьма перспективной отрасли — водородной энергетике. Про это мы более детально уже писали в нашем материале .

Как мы видим, электролиз воды, несмотря на кажущуюся свою простоту, применяется в весьма важных областях — в областях от которых зависит развитие и процветание всей нашей цивилизации.

В данной статье поговорим про электролиз обыкновенной воды.

Тот, кто не задумываясь, тешит себя роликами с Ютюба, а после этого пытается повторить преподнесённое им на блюдечке, обречён на неудачу. Интернет «кишит» роликами-обманками, и это шоу является частью жизни людей. Кто-то на этом зарабатывает деньги, а кто-то помогает ему зарабатывать деньги, просматривая это шоу. К видеороликам необходимо подходить осторожно. Я, например, знаю, что можно повысить КПД электролизной установки, но я не уверен, действительно ли Мэйер ездил на своем автомобиле на воде? Первое, я себе доказал и теоретически и практически, а второе пока нет.

Для достаточного количества газа необходимого автомобилю, площадь электродов в ячейке Мэйера слишком мала! Один из загадочных элементов в конструкции автомобиля Мэйера – красный бак, находящийся за креслом водителя. Про него ничего нигде не пишут. В бак вставлены ячейка — «Resonant Cavity», индикатор уровня воды – «water level indicator», и лазерный стимулятор. Всё кроме этого бака, так или иначе, описано, а про бак вообще ничего. Неужели это и есть топливный бак (для воды). Но на видеороликах Мэйер наливает воду непосредственно в ячейку. Это было небольшое отступление от темы статьи, а для Вас — тема для раздумий.

Мои исследования, прежде всего, направлены не на скорейшее «подключение» электролизной ячейки к автомобилю, а на максимальное повышение её производительности. Цель – уменьшить электролизный ток, или другими словами – затраты энергии, но при этом увеличить объём выхода кислородно-водородной смеси. В ходе моих экспериментальных исследований выявились определённые физические свойства воды, изучив которые и в последующем используя, удалось увеличить производительность обыкновенной электролизной установки в несколько раз. Сначала я начинал эксперименты с установки, собранной из пластин, но в ходе экспериментов пришлось от них отказаться, перейдя на трубки. Пластины, представляли собой несогласованную нагрузку на сверхвысоких частотах. Тяжело было сделать синфазный СВЧ-разветвитель без потери мощности. Самая банальная, но главная проблема – все активные элементы должны были быть равноудалены от специального СВЧ-резонатора на расстояние кратное длине волны, иначе происходило неравномерное выделение газа. Поэтому я вынужден был перейти на трубки.

Для того, чтобы было с чем сравнивать в дальнейшем, последовательность экспериментов началась с обыкновенного электролиза постоянным током. Опыты я проводил на установке изображённой ниже. Электролизную ячейку я наполнял обыкновенной, пропущенной через угольный фильтр водопроводной водой, не используя при этом кислоты и щелочи. Во время эксперимента, из электролизной ячейки, водородно-кислородная смесь поступала в «перевёрнутую» наполненную водой ёмкость 1 объёмом 100 миллилитров. В начале опыта, при включении установки запускался секундомер. Когда ёмкость наполнялась газом и появлялись выходящие из неё во внешнюю ёмкость 2 пузырьки, секундомер останавливался. Для сокращения времени на опыты, были взяты три пары трубок описанных в патентах Мейера длиной 4 дюйма. Общая площадь электролизного активного пространства (площади электродов) составила около 180 см 2 .

Указанную ёмкость я «наполнял» газом несколько раз при различных токах электролиза. Мной были выбраны токи: 0,25А; 0,5А; 1А; 1,5А; 2А.

При обыкновенном электролизе постоянным током обнаружилось, что с повышением напряжения U на пластинах электролизной установки, происходит нелинейный рост тока I. По предварительному предположению, пузырьки газа должны препятствовать прохождению тока в межэлектродном пространстве, поэтому увеличение напряжения на пластинах должно приводить к увеличению сопротивления водно-газовой смеси по параболическому закону. На самом деле происходило обратное явление.

Сопротивление R , с повышением напряжения резко падало по нелинейному графику – «гиперболе». Ожидалось, что появляющиеся на поверхности электродов пузырьки газов должны препятствовать прохождению электрического тока между электродами. Но на практике, оказалось, что при повышении тока еще на малых его значениях, происходило резкое падение сопротивления, а при токах выше 7-ми ампер, свойства проводимости воды не изменяются – выполняется Закон Ома. Описанное явление поясняется графиками.

Безусловно, при большом токе вырабатывается больше газа, ведь мы стремимся к большему количеству газа, но соотношение выхода газа к затраченной мощности резко падает, что снижает КПД установки.

Необходимо было создать такое устройство, которое бы «трясло» электролизную установку. На роль трясущего можно рассмотреть кандидатуру пенсионера — нигде не работает, сидит и трясёт, но он занимает определённый объём пространства, его надо кормить, лечить его старые косточки! Выйдет дороже! Поэтому необходимы технические средства.

На некоторых сайтах встречаются статьи о том, что трубки Мэйера имеют специальные пропилы для настройки в резонанс на звуковых частотах. Пропилы вы видите на рисунке.

Конечно, такой вариант использования звуковых колебаний возможен, но крепление трубок сделано так, что не позволяет трубкам вибрировать. Зная о том, что вода хорошо передает звуковые колебания, проще установить в ёмкости один, например – ультразвуковой резонатор и эффект достигнут. Мной использовался обыкновенный генератор прямоугольных импульсов на ТТЛ-микросхеме и ультразвуковой «пятак». Эксперимент с ультразвуковым резонатором показал незначительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности. Характеристика этого процесса показана на графике.

Здесь первый график – отношение объёма выходящего газа V, к электрической мощности P, от самой мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без ультразвукового воздействия, а второй график — с ультразвуковым воздействием. Положительный эффект имеется, но не выразительный. На малой мощности (малом токе), ультразвуковое воздействие вообще не влияет на процесс электролиза, а на большой мощности производительность установки в некоторой степени повышается. В идеале, можно предположить, чем сильнее вибрация, тем выше будет график производительности, но для удаления пузырьков газа из межэлектродного пространства всё равно необходимо время.

Один из вариантов, позволяющих удалять пузырьки газа из межэлектродного пространства – обеспечить быструю циркуляцию воды, вымывающую пузырьки кислорода и водорода. Этот способ использует в своих реакторах товарищ Канарёв. А Мэйер, помимо других способов, конструкцию трубок своей мобильной установки сделал так, чтобы обеспечить наилучшую естественную циркуляцию воды и газов.

Обратившись к патентам Мэйера, я обратил внимание на то, что в патентах он значительное место отводит лазерной стимуляции. Мерцание светодиодов происходит на частоте, приблизительно равной 30 кГц. В качестве стимуляторов, используются мощные красные светодиоды, подобные тем, которые стоят в лазерных указках. Колупать лазерные указки – не дешёвое удовольствие, поэтому я этого делать не стал. Можно конечно повозиться со сверхъяркими светодиодами, но я до этого не дошёл. Если у Вас есть желание и возможности, попробуйте.

До красного светового диапазона я не дошёл, остановившись на СВЧ-частотах. Как я писал ранее, используется резонансная частота молекул воды. Это позволяет коротким маломощным импульсом с СВЧ-заполнением «встряхнуть» практически любой объём воды. Но поскольку непрерывное колебание на сверхвысоких частотах способно только нагревать молекулы воды (подобно квазинепрерывному колебанию микроволновой СВЧ-печи), а нам этого не надо, я применил короткий импульс. Старая конструкция показала неравномерный выход газа из разных пар трубок, поэтому пришлось переделывать конструкцию ячейки с выполнением премудростей техники СВЧ. Благодаря использованию короткого сверхвысокочастотного импульса, произошло значительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности.

Здесь первый график – зависимость отношения объёма выходящего газа V, к мощности P, от самой электрической мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без дополнительного воздействия. Второй график – с ультразвуковым воздействием, а третий — с воздействием СВЧ-импульсом. Положительный эффект от стимуляции СВЧ-импульсами выразительнее, чем стимуляция ультразвуком. В ходе экспериментов при СВЧ-стимуляции, наблюдалось незначительное падение производительности на подводимой мощности около 16-ти Ватт, а потом снова наблюдался подъём производительности. Что это за падение, объяснить пока не могу, думал – ошибка измерения, но при повторных экспериментах и проводимых с использованием других приборов «падение» повторялось. Для точности, повторные измерения проводились с шагом тока в 0,2А, в диапазоне от 0,2А, до 2,4А. На конечном участке графика происходило резкое падение производительности. Правильнее сказать – ток повышался, а количество газа не увеличивалось. Предполагаю, что на больших токах, большое количество выделяемого газа препятствовало работе установки, поэтому при более больших токах, я экспериментировать не стал, нет смысла.

Если Вы посмотрите на последний график, то сможете сделать вывод: эта экспериментальная установка с полезной площадью электродов равной 180 см 2 (три пары трубок), способна при затрате 27 Ватт электрической мощности вырабатывать около 2,2 литров кислородно-водородной смеси в час. При указанной мощности и напряжении 12 вольт, ток потребления приблизительно будет равен 2,25 ампера. Отсюда следует, что для выработки 22 литров кислородно-водородной смеси в час, требуется 270 Вт электрической энергии, что при бортовом напряжении в 12 вольт соответствует току 22,5 ампер. При этом необходимо 30 пар трубок высотой около 10 сантиметров. Как видите, ток не малый, но он вполне «вписывается» в затраты энергии штатным генератором автомобиля. Можно и по другому: на 1 киловатт затраченной электрической мощности вырабатывается 81 литр газа, или с пересчётом на метры кубические – необходимо приблизительно 12,3 киловат*час. для выработки одного кубического метра кислородно-водородной смеси.

Если сравнивать с известными электролизными установками, например ИФТИ, затрачивающими 4…5 киловат*час на кубический нормированный метр водорода, то описанная в этой статье установка проигрывает в производительности, поскольку она затрачивает на кубический нормированный метр водорода 18,5 киловат*час. Поэтому из приведённых мной цифр делайте выводы сами.

Какой объем газа необходим для работы двигателя внутреннего сгорания, я пока не разбирался. Но то, что показывают на Ютюбе, мало соответствует действительности.

Электролиз широко используется в производственной сфере, например, для получения алюминия (аппараты с обожженными анодами РА-300, РА-400, РА-550 и т.д.) или хлора (промышленные установки Asahi Kasei). В быту этот электрохимический процесс применялся значительно реже, в качестве примера можно привести электролизер для бассейна Intellichlor или плазменный сварочный аппарат Star 7000. Увеличение стоимости топлива, тарифов на газ и отопление в корне поменяли ситуацию, сделав популярной идею электролиза воды в домашних условиях. Рассмотрим, что представляют собой устройства для расщепления воды (электролизеры), и какова их конструкция, а также, как сделать простой аппарат своими руками.

Что такое электролизер, его характеристики и применение

Так называют устройство для одноименного электрохимического процесса, которому требуется внешний источник питания. Конструктивно это аппарат представляет собой заполненную электролитом ванну, в которую помещены два или более электродов.

Основная характеристика подобных устройств – производительность, часто это параметр указывается в наименовании модели, например, в стационарных электролизных установках СЭУ-10, СЭУ-20, СЭУ-40, МБЭ-125 (мембранные блочные электролизеры) и т.д. В данных случаях цифры указывают на выработку водорода (м 3 /ч).

Что касается остальных характеристик, то они зависят от конкретного типа устройства и сферы применения, например, когда осуществляется электролиз воды, на КПД установки влияют следующие параметры:

Таким образом, подавая на выходы 14 вольт, мы получим 2 вольта на каждой ячейке, при этом на пластинах с каждой стороны будут разные потенциалы. Электролизеры, где используется подобная система подключения пластин, называются сухими.

1. Расстояние между пластинами (между катодным и анодным пространством), чем оно меньше, тем меньше будет сопротивление и, следовательно, больший ток пройдет через раствор электролита, что приведет к увеличению выработки газа.
2. Размеры пластины (имеется в виду площадь электродов), прямо пропорциональны току, идущему через электролит, а значит, также оказывают влияние на производительность.
3. Концентрация электролита и его тепловой баланс.
4. Характеристики материала, используемого для изготовления электродов (золото – идеальный материал, но слишком дорогой, поэтому в самодельных схемах используется нержавейка).
5. Применение катализаторов процесса и т.д.

Как уже упоминалось выше, установки данного типа могут использоваться как генератор водорода, для получения хлора, алюминия или других веществ. Они также применяются в качестве устройств, при помощи которых осуществляется очистка и обеззараживание воды (УПЭВ, VGE), а также проводится сравнительный анализ ее качества (Tesp 001).

Нас, прежде всего, интересуют устройства, производящие газ Брауна (водород с кислородом), поскольку именно эта смесь имеет все перспективы для использования в качестве альтернативного энергоносителя или добавок к топливу. Их мы рассмотрим чуть позже, а пока перейдем к конструкции и принципу работы простейшего электролизера, расщепляющего воду на водород и кислород.

Устройство и подробный принцип работы

Аппараты для производства гремучего газа, в целях безопасности, не предполагают его накопление, то есть газовая смесь сжигается сразу после получения. Это несколько упрощает конструкцию. В предыдущем разделе мы рассмотрели основные критерии, влияющие на производительность аппарата и накладывающие определенные требования к исполнению.

Принцип работы устройства демонстрирует рисунок 4, источник постоянного напряжения подключен к погруженным в раствор электролита электродам. В результате через него начинает проходить ток, напряжение которого выше точки разложения молекул воды.

Рисунок 4. Конструкция простого электролизера

В результате этого электрохимического процесса катод выделяет водород, а анод – кислород, в соотношении 2 к 1.

Виды электролизеров

Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.

Сухие

Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.

Проточные

С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».

Рис 5. Конструкция проточного электролизера

Принцип работы устройства следующий:

• входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
• в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
• электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».

Мембранные

Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.

Рис 6. Электролизер мембранного типа

Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.

Диафрагменные

В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.

Пояснение:

1. Выход для кислорода.
2. U-образная колба.
3. Выход для водорода.
4. Анод.
5. Катод.
6. Диафрагма.

Щелочные

Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.

На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO 3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:

1. Можно использовать железные электроды.
2. Не выделяются вредные вещества.

Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.

Электролизер для получения водорода: чертежи, схема

Рассмотрим, как можно сделать мощную газовую горелку, работающую от смеси водорода с кислородом. Схему такого устройства можно посмотреть на рисунке 8.

Рис. 8. Устройство водородной горелки

Пояснение:

1. Сопло горелки.
2. Резиновые трубки.
3. Второй водяной затвор.
4. Первый водяной затвор.
5. Анод.
6. Катод.
7. Электроды.
8. Ванна электролизера.

На рисунке 9 представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.

Рис. 9. Блок питания электролизной горелки

На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:

• Транзисторы: VT1 – МП26Б; VT2 – П308.
• Тиристоры: VS1 – КУ202Н.
• Диоды: VD1-VD4 – Д232; VD5 – Д226Б; VD6, VD7 – Д814Б.
• Конденсаторы: 0,5 мкФ.
• Переменные резисторы: R3 -22 кОм.
• Резисторы: R1 – 30 кОм; R2 – 15 кОм; R4 – 800 Ом; R5 – 2,7 кОм; R6 – 3 кОм; R7 – 10 кОм.
• PA1 – амперметр со шкалой измерения не менее 20 А.

Краткая инструкция по деталям к электролизеру.

Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150х150 мм из кровельного железа (толщина листа 0,5 мм). Для работы с вышеописанным блоком питания потребуется собрать электролизер на 81 ячейку. Чертеж, по которому выполняется монтаж, приведен на рисунке 10.

Рис. 10. Чертеж электролизера для водородной горелки

Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.

Электролизер для автомобиля своими руками

В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на 11 рисунке.

Упрощенная схема электролизера для автомобиля

По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.

Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.

Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.

Электролизер своими руками для отопления дома

Делать самодельный электролизер для отопления дома на данный момент не имеет смысла, поскольку стоимость водорода, полученного путем электролиза значительно дороже природного газа или других теплоносителей.

Также следует учитывать, что температуру горения водорода не выдержит никакой металл. Правда имеется решение, которое запатентовал Стен Мартин, позволяющее обойти эту проблему. Необходимо обратить внимание на ключевой момент, позволяющий отличить достойную идею от очевидного бреда. Разница между ними заключается в том, что на первый выдают патент, а второй находит своих сторонников в интернете.

На этом можно было бы и закончить статью о бытовых и промышленных электролизерах, но имеет смысл сделать небольшой обзор компаний, производящих эти устройства.

Обзор производителей электролизеров

Перечислим производителей, выпускающих топливные элементы на базе электролизеров, некоторые компании также выпускают и бытовые устройства: NEL Hydrogen (Норвегия, на рынке с 1927 года), Hydrogenics (Бельгия), Teledyne Inc (США), Уралхиммаш (Россия), РусАл (Россия, существенно усовершенствовали технологию Содерберга), РутТех (Россия).

Электролизер– это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока. Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются. В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.

Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров. Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий. На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.

Что это

Электролизерработает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов. Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие. Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.

Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.

Виды и типы

По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:

1. Прессованными обожженными анодами.
2. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также боковым токопроводом.
3. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также верхним токопроводом.

Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:

• Сухие.
• Проточные.
• Мембранные.
• Диафрагменные.

Устройство

Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

• Электропроводящий корпус.
• Катод.
• Анод.
• Патрубки, предназначенные для ввода электролита, а также вывода веществ, полученных в ходе реакции.

Электроды выполняются герметичными. Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов. На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).

В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности. Так электролизер для выделения магния и хлора требует ванну, выполненную из стенок торцевого и продольного вида. Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.

Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.

Принцип действия

В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).

При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации. В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки. Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.

Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности. Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны. Эта прослойка может переносить протоны и ионы, в том числе разделять электроды и конечные продукты электролиза.

Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.

Применение

Электролизершироко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:

• Добычи цветных металлов (магний, алюминий).
• Получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора).
• Очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов).
• Обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов).

В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.

Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Свойства, получение и применение водорода

Основные понятия о водородной энергетике

Существует направление в технике, получившее название «водородная энергетика». В водородной энергетике водород рассматривается не только как химический реагент, но и как энергоноситель. Водородная энергетика охватывает получение, хранение, транспорт и использование водорода.

Существует несколько причин, по которым водород имеет перспективу использования как энергоносителя:

§ наиболее распространенный элемент (0,01% массы земной коры составляет водород, атомная доля - 17%(ат.));

§ водород может быть получен из воды, при сгорании водорода образуется вода, которая возвращается в кругооборот;

§ водород не токсичен, при его сгорании образуется меньше вредных компонентов, чем при сгорании природного органического топлива;

§ с помощью водорода можно аккумулировать энергию, вырабатываемую электростанциями, а также энергию возобновляемых источников.

Водород как технический продукт широко используется во многих отраслях народного хозяйства - в технологических процессах переработки нефти, производства аммиака, метанола, в металлургической промышленности, во многих отраслях науки и техники. Весьма перспективно использование водорода в качестве горючего в транспортных средствах (авто- и авиатранспорт, авиационно-космические объекты) ввиду его высокой теплоты сгорания и значительной хладоемкости. Особый интерес представляет водород как аккумулятор энергии - вторичный энергоноситель, который можно эффективно использовать, например, на электростанциях для покрытия пиковых нагрузок. Кроме того, применение водорода в качестве энергоносителя дает возможность передавать энергию на большие расстояния с более высоким КПД, чем обеспечивают современные системы.

Физические и химические свойства водорода

Молекулярный водород при обычных условиях - газ без цвета и запаха, легко воспламеняется и горит синеватым неярким пламенем. В свободном состоянии встречается очень редко (вулканические и природные газы). Водород входит в состав воды, угля, нефти, природного газа и многих минеральных и органических веществ, а также в животные организмы и растения.

Атом водорода обладает одним валентным электроном, который находится в сфере действия атомного ядра. Поэтому водород образует только двухатомные молекулы. Молекулы водорода характеризуются большой прочностью и малой поляризуемостью, имеют незначительные размеры и малую массу. Это обуславливает большую подвижность водородных молекул, низкую температуру плавления (- 259,1?С) и кипения (- 252,6?С). Водород мало растворим в воде и органических растворителях.

Некоторые физические свойства водорода приведены в таблице.

Физические свойства водорода при н.у.

Водород, входящий в молекулу воды, является смесью трех изотопов: протия H с атомной массой 1, дейтерия D с атомной массой 2 и трития Т с атомной массой 3.

Тяжелая вода (оксид дейтерия) D 2 O представляет собой изотопную разновидность воды, молекулы которой вместо атомов 1 Н содержат атомы дейтерия. В природной воде на один атом дейтерия приходится 6500 - 7200 атомов 1 Н.

Молекулярная масса D 2 O - 20,09; температура кипения - 101,43?С; температура плавления - 3,81?С; плотность жидкой фазы - 1,104 кг/м 3 .

Тяжелая вода замедляет биологические процессы, действует угнетающе на живые организмы.

Электролиз воды является основным методом получения тяжелой воды. В основе процесса лежит свойство тяжелой воды концентрироваться в электролите за счет меньшей скорости электрохимического разложения D 2 O.

Тяжелая вода применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя, используется как компонент топлива термоядерных реакторов.

Химические свойства водорода определяются его единственным электроном. Количество энергии, необходимое для отрыва этого электрона, больше, чем может предоставить любой известный химический окислитель. Поэтому химическая связь водорода с другими атомами ближе к ковалентной, чем к ионной. Для инициирования большинства реакций необходимо разорвать или ослабить прочную связь H-H, на это расходуется достаточно много энергии. Скорость реакций водорода возрастает с использованием катализаторов (металлы платиновой группы, оксиды переходных или тяжелых металлов), путем возбуждения молекулы водорода с помощью света, электрического разряда или электрической дуги при высокой температуре. В таких условиях водород реагирует практически с любым элементом, кроме благородных газов.

Водород является наиболее легким элементом. Его плотность примерно в 14 раз меньше, чем у воздуха. Он быстро распространяется в окружающем воздухе, диффундирует через неплотности и малые отверстия. Это затрудняет его хранение. Атомы водорода легко внедряются в молекулярную решетку многих металлов (особенно при повышенных температурах и давлениях), что является причиной «водородной хрупкости» металлов. При сгорании водород выделяет примерно в 3 раза больше тепла, чем бензин, и почти в 2,5 раза больше, чем природный газ (на единицу веса). Он воспламеняется в широком диапазоне концентраций (от 4 до 74%), что значительно больше, чем у других энергоносителей - природного газа, бензина и пропан-бутановой смеси. При взаимодействии с кислородом в процессах сгорания или электрохимических преобразований получается водяной пар.

Химические свойства водорода хорошо изучены. Он является хорошим восстановителем. При обычных температурах с кислородом и хлором практически не реагирует. На поверхности катализатора, при повышении давления и температуры процесс резко ускоряется. Водород при нагревании восстанавливает оксиды металлов, легко присоединяется к атомам углерода с кратной связью, поэтому применяется для гидрогенизации жиров и непредельных углеводородов. В гидридах щелочных и щелочноземельных металлов водород находится в виде иона Н - .

Основные промышленные способы п роизводства водорода

Существует несколько основных промышленных способов получения водорода.

Производство водорода паровой конверсией метана - основной промышленный способ производства водорода. Первичный продукт конверсии метана - это синтез-газ (m CO+ n H 2). Паровая каталитическая конверсия метана в трубчатой печи (первичный риформинг) состоит в окислении метана водяным паром. В реакционных трубах трубчатой печи на никелевом катализаторе осуществляется процесс паровой конверсии природного газа с паром по реакциям:

СН 4 + H 2 O = СО + 3H 2 - Q; (1)

СН 2n + 2n H 2 O = nСО + (2n + 1) H 2 - Q; (2)

СН 4 + 2H 2 O = СО 2 + 4H 2 - Q; (3)

СO + H 2 O = СО 2 + H 2 + Q; (4)

Паровоздушная каталитическая конверсия метана в шахтном конверторе (вторичный риформинг) осуществляется на никелевом катализаторе по реакциям:

СН 4 +0,5О 2 = СО + 2H 2 + Q; (5)

СO + Н 2 О = СО 2 + H 2 + Q. (6)

СН 4 + Н 2 О = СО + 3H 2 - Q; (7)

СН 4 + CО 2 = 2СО + 2H 2 - Q; (8)

Конверсия оксида углерода с водяным паром происходит по реакции:

СО + Н 2 О = СО 2 + H 2 + Q (9)

В промышленности водород получают и другими способами:

§ обработкой раскаленного угля водяным паром в специальных аппаратах - газогенераторах. В результате взаимодействия водяного пара с углеродом образуется так называемый водяной газ, состоящий из водорода и монооксида углерода:

С + Н 2 О = СО + Н 2 . (10)

При обработке водяного газа водяным паром в присутствии железного катализатора монооксид углерода превращается в диоксид, который легко растворяется в воде при повышенном давлении или в растворах щелочей:

СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 ; (11)

Этот процесс протекает при температуре около 1000°C в присутствии катализатора на основе никеля с добавками оксидов магния, алюминия и других металлов. Полученная смесь может использоваться как сырье для производства различных органических веществ (метанола, альдегидов, углеводородов и др.) или получения водорода (смесь обрабатывают водяным паром, как показано выше);

§ как побочный продукт производства хлора и гидроксидов щелочных металлов электролизом растворов их хлоридов.

Получение водорода из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500 - 800°C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H 2 , CO и CH 4 . в химическом процессе водород вырабатывают различные бактерии.

Наиболее чистый водород в промышленности получают электролизом воды. Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Экономика процесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%. Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают более тысячи мелких установок во многих странах. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой энергии атомных электростанций. Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами:

1) высокая чистота получаемого водорода - до 99.9%;

2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке;

3) возможность получения ценнейших побочных продуктов - тяжелой воды и кислорода;

4) общедоступное сырье - вода;

5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением;

6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Если создать в водном растворе электролита, куда погружены два электрода, постоянное электрическое напряжение, которое превышает напряжение разложения воды, то в цепи появится ток и на аноде начнет выделятся кислород, а на катоде - водород, в объемном отношении 1:2.

Получаемые при электролизе воды водород и кислород имеют высокую чистоту. Их состав нормируется ГОСТами. Полученный методом электролиза воды водород должен отвечать требованиям ГОСТ 3022-80 (технический водород марки Б).

Получение тяжелой воды

Электрохимические методы получения тяжелой воды основаны на фракционировании изотопов водорода в процессе электрохимического разряда водорода. В результате различия потенциалов выделения легкого протия и тяжелого дейтерия - протий выделяется с большей скоростью, чем дейтерий. Это приводит к накоплению дейтерия в электролите.

Основной стадией получения тяжелой воды является электролиз воды. При электролизе вода и D 2 O разлагаются с разными скоростями. В результате этого электролит обогащается тяжелой водой. Это происходит потому, что равновесные потенциалы при выделении дейтерия более электроотрицательны, чем для протия, а перенапряжение выше. В водороде, получаемом при электролизе, содержание дейтерия меньше, чем в исходной воде.

Концентрирование тяжелой воды осуществляется по периодическому методу и по непрерывной технологической схеме.

Если вести электролиз в периодическом режиме, загрузив порцию природной воды, то можно получить в электролите тяжелую воду любой концентрации. На выработку 1 г тяжелой воды с концентрацией основного вещества 99,8% необходимо затратить 100 кг природной воды. При этом в готовый продукт перейдет 5% дейтерия, содержащегося в исходной воде. Остальной дейтерий будет унесен с водородом. В периодическом процессе содержание тяжелой воды в электролите постепенно растет. Наступает момент, когда относительное содержание дейтерия в катодном газе превышает его содержание в исходном электролите. В этом случае целесообразным становится возврат катодного газа в процесс.

При промышленном производстве применяется непрерывный процесс, в котором энергетические затраты на получение тяжелой воды значительно ниже, чем в периодическом. Разработаны различные варианты непрерывного процесса, дающие возможность вернуть водород, обогащенный дейтерием, в процесс, обогатив одну из фаз тяжелой водой. Все методы непрерывного процесса получения тяжелой воды основаны на использовании ступенчатого каскада электролизеров.

Первая ступень каскада включает фильтр-пресные электролизеры, в которых в качестве электролита используется КОН (С = 26%). В процессе электролиза из электролизеров выделяется кислород, водород и испаряется вода, обогащенная D 2 O. Эту воду конденсируют и направляют в электролизеры второй ступени каскада. Вторая ступень каскада включает меньшее число электролизеров, так как для их питания используется только вода, унесенная с электролитическими газами из первой ступени каскада. Третья ступень каскада включает самое малое количество электролизеров. Для питания электролизеров этой ступени используют конденсат второй ступени.

Современные непрерывные технологические схемы для получения тяжелой воды проектируются с применением процессов электролиза, рекуперации, каталитического изотопного обмена, фазового изотопного обмена.

Каталитический изотопный обмен состоит в том, что при контакте паров воды с водородом, содержащим повышенное количество дейтерия, последовательно проходят реакции:

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

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

Равновесие в этих реакциях смещено в правую сторону.

Принципиальная сема установки для концентрирования тяжелой воды показана на рисунке.

Принципиальная сема установки для концентрирования тяжелой воды:

1 - ступени электролиза;

2 - холодильники;

3 - ступени фазового каталитического обмена.

Пар, обогащенный тяжелой водой, конденсируется, а конденсат отделяется от паровой фазы. Дейтерий из газовой фазы переходит в жидкую фазу. Распределение дейтерия между газовой и жидкой фазой характеризуется коэффициентом разделения:

где, С и - концентрации дейтерия в растворе электролита и в газовой фазе, молярные доли.

На значение коэффициента разделения оказывают влияние факторы: материалы катода и состояние их поверхности, катодный потенциал, температура процесса.

Зависимость от материала катода при температуре 75 ?С

В случае фазового изотопного обмена при контакте жидкой воды с водородом, содержащим повышенное количество газообразного дейтерия, проходит реакция:

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

Равновесие в этой реакции смещено вправо. На основе изотопного обмена может быть построен противоточный процесс, в котором дейтерий из газовой фазы систематически передается в жидкую фазу.

В процессе рекуперации водород, содержащий повышенное количество дейтерия, сжигается в рекуперационной печи в стехиометрическом количестве кислорода, а вода, обогащенная дейтерием, подается на более раннюю ступень электролиза.

Современные непрерывные технологические схемы для получения тяжелой воды проектируются с применением электролиза, рекуперации, каталитического изотопного обмена и фазового изотопного обмена. При этом используется каскад электролизеров и печей для рекуперации газов. Степень обогащения воды дейтерием в каждом электролизере каскада зависит от соотношения между силой электролизного тока и подачей воды на электролиз. Применяя эту схему, удается перевести в тяжелую воду 25 - 40% дейтерия, содержащегося в исходной воде.

2 . Получение водорода э лектролиз ом воды

Понятие и сущность электролиза

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

Ячейка для электролиза называется электролизером, она состоит из двух электродов и электролита. Электрод, на котором идет реакция восстановления (катод), у электролизера подключен к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Электрод, на котором протекает реакция окисления (анод), подключен к положительному полюсу источника тока. На характер и течение электродных процессов большое влияние оказывают состав электролита, растворитель, материал электродов и режим электролиза (напряжение, плотность тока, температура и др.).

Общее напряжение, которое необходимо приложить к электролитической ячейке, чтобы начался процесс электролиза, называют напряжением разложения - Е разл. .

Перенапряжение при электролизе - з. Катодное перенапряжение - это дополнительное напряжение, прикладываемое к катоду, чтобы сместить его потенциал в отрицательную сторону, а анодное - к аноду, чтобы сместить потенциал в положительную сторону. Напряжение может быть снижено уменьшением сопротивления электродов и электролита, а также поляризации электродов. Внутреннее сопротивление электролизера можно снизить применением электролита с высокой удельной электрической проводимостью, повышением температуры и уменьшением расстояния между электродами.

Поляризация может быть понижена увеличением поверхности электродов, температуры, концентрации реагента, перемешиванием, а также уменьшением тока и применением электродов-катализаторов.

Последовательность электродных процессов. Часто в электролите присутствуют несколько видов катионов и анионов и недиссоциированных молекул, поэтому возможно протекание нескольких электродных реакций.

Катодные процессы. Так как на катоде идет реакция восстановления, т.е. прием электронов окислителем, то в первую очередь должны реагировать наиболее сильные окислители. На катоде прежде всего протекает реакция с наиболее положительным потенциалом. Для катодного восстановления при электролизе водного раствора электролита все окислители можно разделить на три группы. Ионы металлов, потенциал которых более отрицателен, чем потенциал водородного электрода. К ним относятся ионы металлов, стоящих в ряду напряжений до алюминия включительно. В водных растворах разряд этих ионов на катоде практически не происходит, вместо них выделяется водород:

2Н 2 О + 2е = Н 2 + 2ОН - (2Н + + 2е = Н 2). (16)

Анодные процессы. На аноде протекают реакции окисления восстановителей, т.е. отдача электронов. Поэтому на аноде в первую очередь окисляются вещества, имеющие наиболее отрицательный потенциал. Характер реакций на аноде зависит также и от материала электрода. Различают нерастворимые и растворимые аноды. Нерастворимые аноды изготавливают из угля, графита, платины. При электролизе нерастворимые аноды сами не посылают электроны во внешнюю цепь, электроны посылаются в результате окисления анионов и молекул воды.

Теоретические основы процесса электролиза воды

Процесс электролитического разложения воды описывается следующим суммарным химическим уравнением:

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

Для раздельного получения газов используют электролизеры с диафрагмами или мембранами, разделяющими катодное и анодное пространство.

Удельная проводимость очищенной воды незначительна: при 18°С она составляет 4,41·10 -6 Ом -1 ·м -1 . Поэтому электролитическое разложение воды проводят в присутствии фонового электролита. Ввиду существенных коррозионных проблем, возникающих при электролизе кислот, в настоящее время почти все электролизеры используют водные растворы на основе гидроксидов калия и натрия с концентрацией 350-400 г./л. Растворы КОН имеют преимущества перед NaOH в силу больше проводимости иона К + против иона Na + . Концентрация КОН соответствует оптимальным значениям плотностей тока. Небольшие примеси к КОН не являются препятствием к его использованию. Для предотвращения или уменьшения коррозии деталей электролизеров при приготовлении электролита применяют только чистые КОН и NaOH.

Для получения водорода электролизом воды используют дистиллированную или обессоленную природную воду, что позволяет избежать накопления в электролите различных примесей.

Раствор электролита, используемый в установках для электролиза воды, содержит 16-20% NaOH или 25-30% КОН.

Пр о цессы на электродах

Катодный процесс может быть описан суммарными уравнениями:

2Н + + 2е = Н 2 (в кислой среде) (18)

2Н 2 О + 2е = Н 2 + 2ОН - (в щелочной среде) (19)

Рассмотрим механизм катодного выделения водорода из щелочных растворов. Происходит прямой разряд молекул воды с образованием адсорбированных на электроде атомов водорода и гидроксид-ионов. Далее происходи реакция так называемой электрохимической десорбции. В сумме эти два процесса дают катодную реакцию выделения водорода.

Анодный процесс также зависит от кислотности среды:

Н 2 О = 2Н + + 0,5О 2 + 2е (в кислой среде) (20)

2ОН- = Н 2 О + 0,5О 2 + 2е (в щелочной среде) (21)

В щелочной среде поступление гидроксид-ионов к поверхности анода не затруднено и происходит прямое окисление ОН- с образованием кислорода и воды (рисунок).

Схема электролиза

электролиз водород химический

Конструкции электролизеров

Промышленные электролизеры для производства водорода бывают двух типов:

Монополярные - электроды питаются параллельно в одной и той же емкости;

Биполярные - электроды питаются последовательно (электрод с одной стороны поверхности является анодом, а с другой - катодом) и образуют укладку ячейки. Схемы таких электролизеров представлены на рисунке 1.3.

При монополярном включении электродов все электроды одного знака присоединены к шине, идущей от соответствующего полюса источника постоянного тока. При биполярном включении электродов ток подводится только к крайним электродам 1 и 2, которые являются монополярными электродами. Все остальные электроды подвода тока не имеют и работают биполярно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Соотношение между током и напряжением в электролизерах

Чем ниже напряжение на ячейке электролизера, тем меньшую он потребляет мощность. С ростом температуры электролита напряжение электролизера снижается поэтому энергетически выгодно было бы эксплуатировать электролизеры при повышенных температурах (при работе под давлением - с температурой 100°С и даже выше). Однако с ростом температуры электролита усиливаются коррозионные процессы и значительно ускоряется старение прокладочного материала паронита. Поэтому для небольших электролизных установок на электростанциях основное значение имеет надежность оборудования и длительность работы между ремонтами, температуру электролита следует поддерживать 60-75°С, а в тех случаях, когда не требуется работа электролизера с полной нагрузкой, желательно поддерживать 40-50°С. При этом для сохранения нужной производительности электролизера следует повышать напряжение.

Для того чтобы ток проходил через электролизер с биполярным включением электродов, напряжение на электролизере (U) должно быть равно:

U= U 1 ·n, (22)

n - количество ячеек.

Напряжение на монополярном электролизере равно напряжению между парой электродов (на одной ячейке U= U 1).

Ток (I), подводимый к монополярному электролизеру, разветвляется на все электроды в соответствии с законами параллельного соединения. Поэтому ток, идущий через пару электродов I 1 =I/n.

В биполярномэлектролизере ток, идущий через каждую пару электродов, равен току через весь электролизер (I 1 =I) - закон последовательного соединения.

Таким образом, при одинаковой токовой нагрузке на монополярный и биполярный электролизеры количество полученного вещества в биполярном электролизере в n раз больше. Поэтому для биполярного электролизера существуют понятия линейной и эквивалентной силы тока. Эквивалентная сила тока равняется линейной силе тока, проходящего через электролизер, умноженной на количество ячеек:

I экв =I·n. (23)

Монополярные электролизеры не создаются на токовые нагрузки выше 200 - 300 кА, биполярные электролизеры работают при эквивалентной токовой нагрузке до 2000 кА. Следовательно, биполярные электролизеры более мощные и более производительные.

Другим достоинством биполярных электролизеров является снижение падения напряжения в ошиновке электролизера и в контактах за счет уменьшения их количества (см. рис. 3).

Кроме того, уровень автоматизации биполярных электролизеров выше, чем монополярных, что уменьшает затраты рабочей силы на их обслуживание.

Все современные конструкции электролизеров для электролиза воды относятся к фильтр-прессному типу с биполярным включением электродов.

Схема фильтр-прессного электролизера

Схема фильтр-прессного электролизера для получения водорода и кислорода представлена на рисунке 1.4.

Такие электролизеры не имеют корпуса, а собираются из отдельных ячеек (количество ячеек может быть более 100), которые с помощью стяжных плит (6) и болтов (7) жестко скреплены в единую фильтр-прессную конструкцию. Боковыми стенками ячеек служат основные листы (3) электродов, к которым крепятся выносные перфорированные электроды (1). Остальные четыре стенки ячейки - диафрагменная рама (8), к которой крепится диафрагма (5), разделяющая анодное и катодное пространство ячейки. Диафрагма асбестовая, армированная никелевой проволокой. Герметизации электролизера способствуют прокладки (9). Электролит по питающему каналу (10) через штуцера (11) подается в ячейки. Для вывода из ячеек водорода и кислорода совместно с электролитом служат штуцера (12) и каналы (13) и (14). Отделение газа от электролита проводится в специальных ловушках. Таким образом, все ячейки фильтр-прессного биполярного электролизера сообщаются между собой через системы подачи и отвода циркулирующего электролита.

Малые толщины электролизных ячеек (5 - 6 см) и их предельно близкое взаимное расположение, а так же высокое общее напряжение на электролизере способствуют возникновению утечек тока.

Для утечек тока из ячеек по штуцерам (11, 12) и каналам (10, 13, 14) имеется два пути:

1) по электролиту в штуцерах и каналах;

2) по стенкам штуцеров и каналов.

Возможны утечки тока с основного электрода на диафрагменную раму. Для снижения утечек тока по электролиту увеличивают его сопротивление в штуцерах:

где R - сопротивление электролита (Ом);

с - удельное сопротивление электролита (Ом?м);

l - длина канала (м);

S - сечение канала (м 2).

В соответствии с формулой (24) для увеличения сопротивления электролита в штуцерах необходимо увеличить их длину и уменьшить сечение.

Утечки тока по деталям электролизера (штуцера, диафрагменные рамы и др.) в обход внутренних биполярных электродов уменьшают ток, проходящий через них, и, соответственно, количество получаемой продукции (водорода и кислорода). Кроме того утечки тока могут включить детали электролизера (штуцера и диафрагменные рамы) в электролиз в качестве биполярных электродов, за счет чего происходит взаимное загрязнение газов. Для уменьшения утечек тока по стенкам штуцеров и питающих каналов их изготавливают из диэлектриков, либо используют изоляционные вставки. Для снижения утечек тока по диафрагменной раме между основным листом электрода и диафрагменной рамой ставят изоляционные паронитовые прокладки (9), а диафрагменную раму футеруют.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема биполярного фильтр-прессного электролизера:

1 - выносной электрод; 2 - монополярный электрод (анод); 3 - биполярный электрод; 4 - монополярный электрод (катод); 5 - диафрагма; 6 - стяжная плита; 7 - стяжной болт; 8 - диафрагменная рама; 9 - паронитовая прокладка; 10 - канал для подачи электролита; 11 - штуцер для подачи электролита; 12 - штуцер для отвода газо-жидкостной смеси; 13 - канал для сбора водорода; 14 - канал для сбора кислорода

Биполярные электроды при прохождении через электролизер постоянного тока выделяют на одной стороне (катоде) водород и на другой (аноде) - кислород. Биполярные электроды выполняются из углеродистой стали, при этом аноды дополнительно покрывают слоем никеля.

Выделяющиеся на электродах газы разделены асбестовой диафрагмой, прикрепленной к диафрагменным рамам. Электролизер имеет три коллектора: верхние предназначены для отвода газов и электролита, нижний - для возврата в ячейки охлаждающего электролита. Все элементы электролизера соединены в общий пакет и стянуты четырьмя стяжными болтами. Для компенсации температурных удлинений аппарата на концах болтов установлены тарельчатые пружины. Стяжные болты изолированы от концевых плит с помощью специальных втулок.

3 . Описание технологического процесса и схем электролизных установок

Процесс получения водорода и кислорода методом электролиза воды для всех видов электролизов состоит из следующих операций:

Приготовление дистиллированной воды;

Приготовление электролита;

Проведение процесса электролиза воды.

Первые две операции проводятся периодически, по мере потребности в дистиллированной воде и электролите, третья операция проводится непрерывно.

Получение питательной воды - дистиллянта проводится в паровых или электрических дистилляторах. Для электролизеров, работающих под давлением, питание дистиллянтов электролизеров производится насосами-дозаторами.

Электролит приготавливается в специальных коробках, имеющих ложные днища, на которые укладываются барабаны с едким натрием с предварительно снятыми крышками и змеевиками для нагрева для более быстрого растворения. Приготовленный раствор едкого натрия в дистиллированной воде, закачивается в резервуары, вместимость которых должна быть несколько больше, чем вместимость одного электролизера. Подпитка электролизеров электролитом производится периодически через фильтры для электролита, если концентрация едкого натрия в электролизере снижается ниже допустимой.

Процесс получения водорода электролизом воды

При воздействии постоянного электрического тока на воду происходит разложение воды на водород и кислород Н 2 О = Н 2 + 0,5О 2 с выделением на катоде - водорода и на аноде - кислорода. В воду добавляют химически чистый едкий натрий (NаОН) или едкий калий (КОН). Напряжение между электродами составляет 1,6 - 2,3 В, что достаточно для разложения воды, но не достаточно для разложения щелочи.

На процессы электролиза воды отрицательно влияют наличие в электролите ионов хлора, серной, углекислой кислот, железа. Железо может накапливаться на катоде, образуя мостики по направлению к аноду, благодаря чему кислород загрязняется водородом. Для устранения этого процесса в электролит добавляют бихромат калия К 2 Cr 2 О 7 или бихромат натрия Na 2 Cr 2 О 7 .

В состав цеха по производству водорода входят:

Электролизерное отделение, в котором ведется основной технологический процесс - электролиз воды;

Подготовительное отделение;

Газоанализаторная;

Преобразовательная подстанция (для преобразования переменного тока в постоянный);

Открытая трансформаторная подстанция;

Бытовые помещения.

Водород и кислород получаются в электролизере при разложении воды постоянным током. Чистая вода обладает очень низкой электрической проводимостью, поэтому в качестве электролита применяется раствор КОН (гидрат оксида калия). Щелочь в растворе находится в виде заряженных частиц - ионов. Вода диссоциирует на ионы незначительно. При наложении на раствор электрического поля в растворе на катоде и аноде происходят следующие процессы:

4Н 2 О + 4е- > 2Н 2 - 4ОН-

4ОН- + 4е- > О 2 + 2Н 2 О

2Н 2 О > 2Н 2 + О 2

Ион калия не разряжается на катоде, являясь только переносчиком электрического тока. Из электролизеров газы поступают вместе с электролитом в разделительные колонки. Электролит охлаждается и возвращается в электролизеры. Водород из колонок поступает в регуляторы давления водорода, кислород из колонок - в регуляторы давления кислорода. Регуляторы соединены между собой в нижней части. Выше регуляторов давления установлены уравнительные баки, из которых вода самотеком поступает в жидкостную систему регуляторов давления при опускании воды в водородном регуляторе давления до штуцера, который соединен с верхней зоной уравнительных баков. Электролит готовят в баке и насосом закачивают в электролизер. При работе электролизной установки водород поступает на осушку через холодильник; при пуске водород выпускается в атмосферу через огнепреградитель, кислород - через гидрозатвор. При заполнении водой уравнительных баков водород из них выпускают в атмосферу через расширитель.

Схема процесса получения водорода и кислорода электролизом воды

Мощность производства и основное технологическое оборудование

Мощность производства определяется по производительности электролизера в м 3 /час производства водорода.

Основным технологическим оборудованием являются:

Электролизеры

Силовые трансформаторы и выпрямители тока

Дистилляторы

Резервуары для приготовления и хранения электролита

Резервуары для хранения дистиллированной воды

Питательные насосы для электролита и дистиллянта.

Техническая характеристика электролизеров

Техническая характеристика электролизеров приводится по данным технической документации заводов-изготовителей в таблице.

Характеристика электролизеров

Принципиальная схема электролиза воды показана на рисунке.

Принципиальная схема электролиза воды

Технологическая схема получения водорода электролизом в о ды

Для электролиза воды нужен набор аппаратов. Их соединяют в технологическую схему. Основной аппарат схемы - это электролизер. В нем под действием постоянного электрического тока часть воды разлагается на водород и кислород, - а электролит непрерывно циркулирует, проходя через электролитические ячейки, а затем через холодильник. Циркулирующий электролит увлекает с собой выделившийся водород и кислород. Газы отделяются от него и собираются раздельно. Далее газы проходят через аппараты для отделения брызг электролита, промыватели и холодильники (конденсаторы).

Технологическая схема электролиза воды включает следующие основные узлы и стадии:

- узел приготовления электролита;

- стадию очистки воды на механическом и ионообменном фильтрах;

- стадию электролиза с системами охлаждения и циркуляции электролита, регулирования уровня электролита и поддержания равного давления газов в ячейке; стадии осушки и очистки газов.

На рис унке 1.7 приведена технологическая схема получения водорода и кислорода электролизом воды.

Рабочий раствор электролита готовят растворением твердой щелочи из барабанов 1 в баке-растворителе 2. Полученный раствор направляют в емкости 3 для корректировки и подают в электролизер 21. Для подавления коррозии стали в электролит вводят 2-3 кг/м 3 К 2 Cr 2 О 7 .

Вода, очищенная от механических примесей на фильтре 4, направляется последовательно в колонны 6, 7, заполненные катионо- и анионообменной смолой соответственно, где производится глубокая очистка от примесей, и самотеком поступает в сборник 9, откуда насосом перекачивается в питательный бак 10 и через промыватель газа подается в электролизер 21.

Водород и кислород, получаемые в процессе электролиза, в колонках 20 отделяются от циркулирующего раствора электролита и поступают в промы - ватели - регуляторы давления газов 18 и 19, в которых газы охлаждаются и отмываются от щелочи.

Из промывателей газы направляются через клапанные регуляторы давления 17 потребителю. При необходимости электролизные газы подвергают дополнительной очистке. На насадочных фильтрах 11, заполненных стеклянной ватой, газы очищают от щелочного тумана. Очистку водорода от примеси кислорода проводят в контактном аппарате 12 на никель - алюминиевом или никель - хромовом катализаторах при 100-130°С. Очистку кислорода от примеси водорода производят в контактном аппарате 13, заполненном платинированным асбестом, платиной, нанесенной на оксид алюминия, или гопкалитом.

Очищенные газы подают в холодильники 14 и после охлаждения передают на осушку в осушительные колонны 15, заполненные силикагелем или алюмогелем. Осушенные газы через ресиверы 16 направляют потребителям.

Технологическая схема получения водорода электролизом воды

1 - барабаны со щелочью; 2 - бак-растворитель; 3 - емкости; 4 - фильтр для счистки воды от механических примесей; 5 - емкость для кислотного регенерационного раствора; 6, 7 - ионообменные колонны; 8 - емкость для щелочного регенерационного раствора; 9 - сборники очищенной воды; 10 - питательный бак; 11 - фильтры для очистки газов от щелочного тумана; 12 - аппарат для каталитической очистки водорода; 13 - аппарат дожигания примесей водорода и кислорода; 14 - холодильники газов; 15 - осушители газов; 16 - ресиверы водорода и кислорода; 17 - клапанные регуляторы давления газов; 18, 19 - кислородный и водородный промыватель газов - регуляторы перепада давления газов; 20 - разделительные колонны; 21 - электролизер; 22 - баллоны с азотом для продувки электролизера; 23 - преобразователь тока

Эти аппараты смонтированы в виде одного агрегата и взаимодействуют в следующем порядке. Из кислородной и водородной частей каждой электролитической ячейки газонаполненный электролит выносится в газосборные каналы электролизера отдельно в кислородный и водородный. Эти каналы заканчиваются в отсеках средней камеры соответственно в водородном и кислородном. В средней камере происходит отделение газов от электролита и охлаждение его. Вследствие разности в весе столба газонаполненного электролита (в электролитической ячейке) и свободного от газа (в средней камере) электролит циркулирует. В средней камере он движется вниз, омывая трубки, через которые прокачивается охлаждающая вода. В нижней части средней камеры электролит из обоих ее отсеков (водородного, и кислородного) смешивается, проходит через фильтр и поступает в канал для распределения электролита по электролитическим ячейкам.

Принципиальная схема устройства для выравнивания давления газов представлена на рисунке.

Принципиальная схема устройства регулятора давления газов

1,13 - поплавковые регуляторы; 2,12 - гидравлические регуляторы-промыватели; 3,11 - фазоразделители-конденсаторы; 4 - электролитическая ячейка; 5 - катодное пространство; 6 - питательный канал; 7 - диафрагма; 8,9 - газоотводные каналы; 14,15 - ресиверы; 10 - анодное пространство.

Регуляторы действуют как промежуточные гидравлические затворы между ресиверами и полостями электролизера. Давление водорода и кислорода во всех полостях электролизера до этих затворов одинаково и выше, чем в ресиверах на вес столбов воды, через которую барботируют газы в кислородном и водородном отсеках регулятора. Высота столбов самоустанавливается в зависимости от разницы давления газов в ресиверах. В электролизерах, работающих под давлением значительно выше атмосферного, не удается создать нужных по высоте гидравлических регуляторов. Тогда гидравлические регуляторы дополняют поплавковыми клапанными затворами. При необходимости газы из электролизера подвергают дополнительной очистке от тумана электролита, кислорода - от примеси водорода, водорода - от примеси кислорода. Очистку газов от тумана электролита про изводят в насадочных фильтрах, заполненных стеклянной ватой. Капли тумана улавливаются ватой, жидкость стекает в нижнюю часть фильтра, откуда периодически отводится.

Водород от примеси кислорода очищают дожиганием кислорода в контактных аппаратах. После этого водород охлаждают в холодильнике и сушат в колонне, наполненной силикагелем. Очистку кислорода от примеси водорода проводят также дожиганием, после этого газ охлаждают и сушат.

Производство водорода и кислорода полностью автоматизировано. Силу тока регулируют в зависимости от заданной производительности за счет соответствующего изменения напряжения. Напряжение непрерывно контролируют вольтметром. Периодически проверяются перепады напряжения между катодом и рамой, а также анодом и рамой с целью контроля за замыканиями и утечками тока. Применяют регулирование количества подаваемой воды по уровню жидкости в газосборнике.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Строение молекулы воды. Водородные связи между молекулами воды. Физические свойства воды. Жесткость как одно из свойств воды. Процесс очистки воды. Использованием воды, способы ее восстановления. Значимость воды для человека на сегодняшний день.

презентация , добавлен 24.04.2012


Процесс электролиза воды с получением водорода и кислорода, его описание и основные этапы, анализ соответствующего суммарного уравнения. Понятие и типы электрохимических ячеек, их структура. Окисление хлорид-ионов на графитовом электроде и его продукты.

реферат , добавлен 09.05.2014


Физические, химические свойства и применение цинка. Вещественный состав цинкосодержащих руд и концентратов. Способы переработки цинкового концентрата. Электроосаждение цинка: основные показатели процесса электролиза, его осуществление и обслуживание.

курсовая работа , добавлен 08.07.2012


Химическая формула молекулы воды и ее строение. Систематическое наименование – оксид водорода. Физические и химические свойства, агрегатные состояния. Требования к качеству воды, зависимость ее вкуса от минерального состава, температуры и наличия газов.

презентация , добавлен 26.10.2011


Вода - единственное вещество, существующее в природе в трёх агрегатных состояниях - жидком, твёрдом и газообразном. Роль воды в регулировании климата. Основные физические и химические свойства воды. Параметры, влияющие на вид узора на поверхности стекла.

реферат , добавлен 22.10.2011


Группа методов количественного химического анализа, основанных на использовании электролиза (электрохимические методы анализа). Особенности электрогравиметрического метода, его сущность и применение. Основная аппаратура, метод внутреннего электролиза.

реферат , добавлен 15.11.2014


Распределение воды в природе, ее биологическая роль и строение молекулы. Химические и физические свойства воды. Исследования способности воды к структурированию и влияния информации на форму ее кристаллов. Перспективы использования структурированной воды.

реферат , добавлен 29.10.2013


Основные физические и химические свойства, технологии получения бериллия, его нахождение в природе и сферы практического применения. Соединения бериллия, их получение и производство. Биологическая роль данного элемента. Сплавы бериллия, их свойства.

реферат , добавлен 30.04.2011


Общая характеристика хлора как химического элемента, его хранение, транспортировка хлора и стандарты качества. Основные примеры применения и использования хлора. Электролиз: понятие и сущность процесса. Техника безопасности в хлорном производстве.

реферат , добавлен 10.02.2015


Понятие электролиза, его практическое применение. Электролизные и гальванические ванны, их электроснабжение для получения алюминия. Применение электрохимических процессов в различных областях современной техники, в аналитической химии и биохимии веществ.