Χημικές Αρχές Παραγωγής Υδρογόνου με Ηλεκτρόλυση Νερού

Στη βιομηχανία, οι ακόλουθες μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως για την παραγωγή υδρογόνου. Το ένα είναι να περάσει υδρατμός μέσω θερμού κωκ (μέθοδος αναγωγής άνθρακα) για να ληφθεί υδρογόνο με καθαρότητα περίπου 75%. Το άλλο είναι να περάσει υδρατμός μέσω θερμού σιδήρου για να ληφθεί καθαρότητα Η τρίτη μέθοδος είναι η εξαγωγή υδρογόνου από το αέριο νερού, και η καθαρότητα του υδρογόνου που λαμβάνεται είναι επίσης χαμηλή. Η τέταρτη μέθοδος είναι η μέθοδος ηλεκτρόλυσης νερού και η καθαρότητα του παραγόμενου υδρογόνου μπορεί να φτάσει το 99% ή περισσότερο. Αυτή είναι μια μέθοδος για την παρασκευή υδρογόνου στη βιομηχανία. μια σημαντική μέθοδος. Κατά την ηλεκτρόλυση του διαλύματος υδροξειδίου του νατρίου (καλίου), απελευθερώνεται οξυγόνο στην άνοδο και υδρογόνο στην κάθοδο. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να ληφθεί με ηλεκτρόλυση υδατικού διαλύματος χλωριούχου νατρίου για την παραγωγή υδροξειδίου του νατρίου.

Η λεγόμενη ηλεκτρόλυση είναι η διαδικασία αποσύνθεσης ηλεκτρολυτών διαλυμένων στο νερό σε νέες ουσίες με τη βοήθεια συνεχούς ρεύματος. Όταν το συνεχές ρεύμα διοχετεύεται σε ορισμένα υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών, οι αποσυντιθέμενες ουσίες δεν έχουν καμία σχέση με τον αρχικό ηλεκτρολύτη. Αυτό που αποσυντίθεται είναι το νερό ως διαλύτης και ο αρχικός ηλεκτρολύτης παραμένει στο νερό. Για παράδειγμα, το θειικό οξύ, το υδροξείδιο του νατρίου, το υδροξείδιο του καλίου κ.λπ. ανήκουν σε αυτόν τον τύπο ηλεκτρολυτών.

Κατά την ηλεκτρόλυση του νερού, δεδομένου ότι το καθαρό νερό έχει πολύ μικρό ιονισμό και χαμηλή αγωγιμότητα, είναι ένας τυπικός ασθενής ηλεκτρολύτης. Επομένως, οι προαναφερθέντες ηλεκτρολύτες πρέπει να προστεθούν για να αυξηθεί η αγωγιμότητα του διαλύματος έτσι ώστε το νερό να μπορεί να ηλεκτρολυθεί ομαλά σε υδρογόνο και οξυγόνο. Οι ηλεκτρολύτες όπως το υδροξείδιο του καλίου δεν θα ηλεκτρολυθούν. Ας πάρουμε ως παράδειγμα το υδροξείδιο του καλίου:

(1) Το υδροξείδιο του καλίου είναι ένας ισχυρός ηλεκτρολύτης. Όταν διαλύεται σε νερό, συμβαίνει η ακόλουθη διαδικασία ιονισμού:

KOH - K+tenOH-

Ως αποτέλεσμα, μια μεγάλη ποσότητα Κ+ και ΟΗ- παρήχθη στο υδατικό διάλυμα.

(2) Η αντιδραστικότητα των μεταλλικών ιόντων σε υδατικά διαλύματα είναι διαφορετική. Μπορούν να ταξινομηθούν κατά σειρά αντιδραστικότητας ως εξής:

K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

Στην παραπάνω διάταξη, το μέταλλο μπροστά είναι πιο ζωηρό από αυτό στο πίσω μέρος.

(3) Με τη σειρά της δραστηριότητας του μετάλλου, όσο πιο ενεργό είναι το μέταλλο, τόσο πιο εύκολα χάνονται ηλεκτρόνια, διαφορετικά ισχύει το αντίθετο. Από την άποψη της ηλεκτροχημικής θεωρίας, τα μεταλλικά ιόντα που μπορούν εύκολα να λάβουν ηλεκτρόνια έχουν υψηλό δυναμικό ηλεκτροδίων, ενώ τα μεταλλικά ιόντα που κατατάσσονται πρώτα στη σειρά δραστηριότητας είναι δύσκολο να ληφθούν ηλεκτρόνια και να γίνουν άτομα λόγω του χαμηλού δυναμικού ηλεκτροδίου τους. Το δυναμικό ηλεκτροδίου των ιόντων υδρογόνου είναι -1,71V, ενώ το δυναμικό ηλεκτροδίου των ιόντων καλίου είναι -2,66V. Επομένως, όταν ιόντα υδρογόνου και ιόντα καλίου υπάρχουν στο υδατικό διάλυμα ταυτόχρονα, τα ιόντα υδρογόνου θα λάβουν πρώτα ηλεκτρόνια στην κάθοδο και θα γίνουν αέριο υδρογόνο, και τα ιόντα καλίου παραμένουν σε διάλυμα.

(4) Το νερό είναι ένας ασθενής ηλεκτρολύτης και είναι δύσκολο να ιονιστεί. Όταν το υδροξείδιο του καλίου διαλύεται στο νερό, τα ιονισμένα ιόντα καλίου περιβάλλονται από πολικά μόρια νερού και γίνονται ενυδατωμένα ιόντα καλίου. Η δράση των ιόντων καλίου κάνει τα μόρια του νερού με πολική κατεύθυνση. Κάτω από τη δράση συνεχούς ρεύματος, ιόντα καλίου και ενυδατωμένα μόρια με πολικές κατευθύνσεις κινούνται προς την κάθοδο. Αυτή τη στιγμή, τα ιόντα υδρογόνου αποκτούν πρώτα ηλεκτρόνια και γίνονται αέριο υδρογόνο. Επομένως, στη διαδικασία ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιώντας υδροξείδιο του καλίου ως ηλεκτρολύτη, το νερό στην πραγματικότητα ηλεκτρολύεται για να παράγει υδρογόνο και οξυγόνο, ενώ το υδροξείδιο του καλίου παίζει μόνο το ρόλο της μεταφοράς φορτίων.

Κατά την ηλεκτρόλυση νερού, η τάση συνεχούς ρεύματος που εφαρμόζεται στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη θεωρητική τάση αποσύνθεσης του νερού προκειμένου να ξεπεραστούν διάφορες πτώσεις τάσης αντίστασης και ηλεκτροκινητική δύναμη πόλωσης ηλεκτροδίων στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Η ηλεκτροκινητική δύναμη πόλωσης ηλεκτροδίων είναι το άθροισμα του υπερδυναμικού όταν καταβυθίζεται υδρογόνο στην κάθοδο και του υπερδυναμικού όταν καταβυθίζεται οξυγόνο στην άνοδο. Επομένως, η τάση ηλεκτρόλυσης του νερού U μπορεί να εκφραστεί ως: U=U0+Υπερδυναμικό υπερδυναμικό υδρογόνου+υπερδυναμικό οξυγόνου

Στον τύπο, U0--Θεωρητική τάση αποσύνθεσης νερού, V;

I--Ρεύμα ηλεκτρόλυσης, Α

R--Συνολική αντίσταση ηλεκτρολυτικού στοιχείου, Ω

Από την άποψη της κατανάλωσης ενέργειας, η τάση ηλεκτρόλυσης θα πρέπει να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την τάση ηλεκτρόλυσης περιλαμβάνουν κυρίως τις ακόλουθες τρεις πτυχές:

(1) Θεωρητική τάση αποσύνθεσης (περίπου 1,23V σε 0,1MPa και 25 μοίρες ), η οποία μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης. Για κάθε 10 φορές αύξηση της πίεσης, η τάση αυξάνεται κατά περίπου 43 mV.

(2) Υπερδυναμικό υδρογόνου και οξυγόνου. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν το υπερβολικό δυναμικό υδρογόνου και οξυγόνου. Πρώτα απ 'όλα, το υλικό του ηλεκτροδίου και η κατάσταση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο σε αυτό. Για παράδειγμα, το υπερδυναμικό υδρογόνου του σιδήρου και του νικελίου είναι χαμηλότερο από αυτό του μολύβδου, του ψευδαργύρου, του υδραργύρου κ.λπ., και το υπερδυναμικό οξυγόνου του σιδήρου και του νικελίου υπερβαίνει αυτό του μολύβδου, του ψευδαργύρου και του υδραργύρου. Το δυναμικό είναι επίσης χαμηλότερο από το μόλυβδο. Όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή επαφής με τον ηλεκτρολύτη ή όσο πιο τραχιά είναι η επιφάνεια του ηλεκτροδίου, τόσο μικρότερο είναι το υπερδυναμικό υδρογόνου και οξυγόνου που δημιουργείται. Δεύτερον, καθώς η πυκνότητα του ρεύματος αυξάνεται κατά την ηλεκτρόλυση, το υπερδυναμικό θα αυξηθεί ανάλογα και η αύξηση της θερμοκρασίας θα προκαλέσει επίσης αύξηση του υπερδυναμικού. Επιπλέον, το υπερδυναμικό σχετίζεται επίσης με παράγοντες όπως η φύση, η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη και οι ακαθαρσίες στο διάλυμα. Για παράδειγμα, σε ένα ηλεκτρόδιο νικελίου, το υπερδυναμικό οξυγόνου ενός αραιού διαλύματος είναι μεγαλύτερο από αυτό ενός συμπυκνωμένου διαλύματος.

Προκειμένου να μειωθεί το υπερδυναμικό υδρογόνου και οξυγόνου, μπορούν να υιοθετηθούν ορισμένες μέθοδοι. Όπως η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας και η χρήση κατάλληλων υλικών ηλεκτροδίων. Επιπλέον, η κατάλληλη αύξηση της πραγματικής επιφάνειας του ηλεκτροδίου ή η τραχύτητα της επιφάνειας του ηλεκτροδίου μπορεί να μειώσει την αντίσταση και το υπερδυναμικό του ηλεκτροδίου σε διάφορους βαθμούς, επιτυγχάνοντας έτσι τον σκοπό της μείωσης της τάσης λειτουργίας.

(3) Πτώση τάσης αντίστασης. Η συνολική αντίσταση στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο περιλαμβάνει την αντίσταση του ηλεκτρολύτη, την αντίσταση του διαφράγματος, την αντίσταση του ηλεκτροδίου και την αντίσταση επαφής, μεταξύ των οποίων οι δύο πρώτοι είναι οι κύριοι παράγοντες. Η πτώση τάσης στην αντίσταση του διαφράγματος εξαρτάται από το πάχος και τις ιδιότητες του υλικού. Χρησιμοποιώντας ένα γενικό διάφραγμα αμιάντου, όταν η πυκνότητα ρεύματος είναι 2400A/m2, η πτώση τάσης στην αντίσταση του διαφράγματος είναι περίπου 0.25-0,30V. Όταν η πυκνότητα ρεύματος αυξηθεί ξανά, η πτώση τάσης θα αυξηθεί σε περίπου 0,5 V. Όσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη, τόσο μικρότερη είναι η πτώση τάσης στον ηλεκτρολύτη. Για τον ηλεκτρολύτη, εκτός του ότι έχει μικρή τιμή αντίστασης, απαιτείται επίσης να μην αποσυντίθεται υπό την τάση ηλεκτρόλυσης. Δεν διαφεύγει με υδρογόνο και οξυγόνο λόγω εξαέρωσης. δεν είναι διαβρωτικό για τα υλικά ηλεκτρολυτικών στοιχείων. όταν η τιμή του pH του διαλύματος Κατά την αλλαγή, θα πρέπει να έχει συγκεκριμένη ρυθμιστική απόδοση.

Οι περισσότεροι ηλεκτρολύτες αποσυντίθενται εύκολα κατά την ηλεκτρόλυση και δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται κατά την ηλεκτρόλυση του νερού. Το θειικό οξύ παράγει υπερθειικό οξύ και όζον στην άνοδο, το οποίο είναι πολύ διαβρωτικό και δεν πρέπει να χρησιμοποιείται. Τα ισχυρά αλκάλια μπορούν να ικανοποιήσουν τις παραπάνω απαιτήσεις, επομένως το υδατικό διάλυμα ΚΟΗ ή NaOH χρησιμοποιείται γενικά ως ηλεκτρολύτης στη βιομηχανία. Το ΚΟΗ έχει καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από το NaOH, αλλά είναι πιο ακριβό. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η διαβρωτική του επίδραση στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο είναι ισχυρότερη από αυτή του NaOH. Στο παρελθόν, το NaOH χρησιμοποιήθηκε συχνά ως ηλεκτρολύτης στη χώρα μας. Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι τα σημερινά υλικά ηλεκτρολυτικών στοιχείων είναι ήδη ανθεκτικά στη διάβρωση του ΚΟΗ, για την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας, υπήρξε μια γενική τάση να χρησιμοποιείται διάλυμα ΚΟΗ ως ηλεκτρολύτης. Επιπλέον, κατά τη διαδικασία ηλεκτρολύοντας νερό, ο ηλεκτρολύτης θα περιέχει φυσαλίδες υδρογόνου και οξυγόνου που κατακρημνίζονται συνεχώς, γεγονός που αυξάνει την αντίσταση του ηλεκτρολύτη. Το ποσοστό του όγκου των φυσαλίδων στον ηλεκτρολύτη προς τον όγκο του ηλεκτρολύτη συμπεριλαμβανομένων των φυσαλίδων ονομάζεται περιεκτικότητα σε αέριο του ηλεκτρολύτη. Η περιεκτικότητα σε αέριο σχετίζεται με την πυκνότητα ρεύματος κατά την ηλεκτρόλυση, το ιξώδες του ηλεκτρολύτη, το μέγεθος της φυσαλίδας, την πίεση λειτουργίας και τη δομή της ηλεκτρολυτικής κυψέλης και άλλους παράγοντες. Η αύξηση της ταχύτητας κυκλοφορίας και της πίεσης λειτουργίας του ηλεκτρολύτη θα μειώσει την περιεκτικότητα σε αέριο. Η αύξηση της πυκνότητας ρεύματος ή η αύξηση της θερμοκρασίας εργασίας θα αυξήσει την περιεκτικότητα σε αέριο. Σε πραγματικές καταστάσεις, οι φυσαλίδες στον ηλεκτρολύτη είναι αναπόφευκτες, επομένως η αντίσταση του ηλεκτρολύτη θα είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι χωρίς φυσαλίδες. Όταν η περιεκτικότητα σε αέριο φτάσει το 35%, η αντίσταση του ηλεκτρολύτη είναι διπλάσια από εκείνη όταν δεν υπάρχουν φυσαλίδες. Η μείωση της τάσης λειτουργίας συμβάλλει στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Για το λόγο αυτό, θα πρέπει να ληφθούν αποτελεσματικά μέτρα για τη μείωση των υπερδυναμικών υδρογόνου και οξυγόνου και της πτώσης τάσης αντίστασης. Γενικά, όταν το ρεύμα είναι μικρό, το πρώτο είναι ο κύριος παράγοντας. όταν το ρεύμα είναι μεγάλο, το τελευταίο θα γίνει ο κύριος παράγοντας.

Όταν το ηλεκτρολυτικό στοιχείο λειτουργεί υπό υψηλή πίεση εργασίας, η περιεκτικότητα του ηλεκτρολύτη σε αέριο μειώνεται, μειώνοντας έτσι την αντίσταση του ηλεκτρολύτη. Για το λόγο αυτό, έχει αναπτυχθεί ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο που μπορεί να λειτουργεί υπό πίεση 3 MPa. Ωστόσο, το μανόμετρο λειτουργίας δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλό, διαφορετικά θα αυξήσει τη διαλυτότητα του υδρογόνου και του οξυγόνου στον ηλεκτρολύτη, αναγκάζοντάς τους να αναπαράγουν νερό μέσω του διαφράγματος, μειώνοντας έτσι την απόδοση ρεύματος. Η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας μπορεί επίσης να μειώσει την αντίσταση του ηλεκτρολύτη, αλλά η διάβρωση του ηλεκτρολύτη από τον ηλεκτρολύτη θα ενταθεί επίσης. Εάν η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από 90 βαθμούς, ο ηλεκτρολύτης θα προκαλέσει σοβαρή βλάβη στο διάφραγμα αμιάντου και θα σχηματίσει διαλυτά πυριτικά στο διάφραγμα αμιάντου. Για το σκοπό αυτό, έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία υλικών διαφράγματος για διάβρωση υψηλής θερμοκρασίας, όπως φύλλα μεταλλουργίας σκόνης νικελίου και υλικά διαφράγματος συνδεδεμένα με ίνες τιτανικού καλίου και πολυτετραφθοροαιθυλένιο, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αλκαλικά διαλύματα στους 150 βαθμούς. Προκειμένου να μειωθεί η αντίσταση του ηλεκτρολύτη, μπορεί επίσης να υιοθετηθεί η πυκνότητα ρεύματος του ηλεκτρολυτικού στοιχείου, η ταχύτητα κυκλοφορίας του ηλεκτρολύτη μπορεί να επιταχυνθεί και η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων μπορεί να μειωθεί κατάλληλα.

Δείτε περισσότερα