Электролиз дистиллированной воды: совершенствование электролиза воды / Блог компании ua-hosting.company / Хабр

Электролиз воды — Electrolysis of water

Простая установка для демонстрации электролиза воды в домашних условиях

Электролиз воды — это процесс использования электричества для разложения воды на кислород и водород . Выделяемый таким образом газообразный водород можно использовать в качестве водородного топлива или смешивать с кислородом для созданиягазообразного кислорода , который используется при сварке и других применениях.

Электролиз, иногда называемый расщеплением воды , требует минимальной разности потенциалов 1,23 вольт .

История

Ян Рудольф Дейман и Адриан Паэтс ван Троствейк использовали в 1789 году электростатическую машину для производства электричества, которое разряжалось на золотых электродах в лейденской банке с водой. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел гальваническую батарею , а несколько недель спустя английские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл использовали ее для электролиза воды. В 1806 году Хамфри Дэви сообщил о результатах обширных экспериментов по электролизу дистиллированной воды, сделав вывод о том, что азотная кислота образуется на аноде из растворенного атмосферного азота. Он использовал высоковольтную батарею и нереактивные электроды и сосуды, такие как конусы золотых электродов, которые дублировались как сосуды, перекрытые влажным асбестом. Когда Зеноб Грамм изобрел машину Грамма в 1869 году, электролиз воды стал дешевым методом производства водорода. Метод промышленного синтеза водорода и кислорода электролизом был разработан Дмитрием Лачиновым в 1888 году.

Принцип

Источник питания постоянного тока подключен к двум электродам или двум пластинам (обычно сделанным из какого-либо инертного металла, такого как платина или иридий ), которые помещаются в воду. Водород появится на катоде (где электроны входят в воду), а кислород появится на аноде . Предполагая идеальную фарадеевскую эффективность , количество генерируемого водорода вдвое превышает количество кислорода, и оба они пропорциональны общему электрическому заряду, проводимому раствором. Однако во многих клетках происходят конкурирующие побочные реакции , приводящие к различным продуктам и менее чем идеальной фарадеевской эффективности.

Электролиз из чистой воды требует избыточной энергии в форме перенапряжения , чтобы преодолеть различные барьеры активации. Без избыточной энергии электролиз чистой воды происходит очень медленно или совсем не происходит. Отчасти это связано с ограниченной самоионизацией воды . Электрическая проводимость чистой воды составляет примерно одну миллионную, чем у морской. Многие электролитические ячейки могут также не иметь необходимых электрокатализаторов . Эффективность электролиза повышается за счет добавления электролита (такого как соль , кислота или основание ) и использования электрокатализаторов .

В настоящее время электролитический процесс редко используется в промышленных приложениях, поскольку водород в настоящее время может быть более доступным для производства из ископаемого топлива .

Уравнения

В чистой воде на отрицательно заряженном катоде происходит реакция восстановления , при которой электроны (e ^— ) с катода передаются катионам водорода с образованием газообразного водорода. Полуреакции , сбалансирован с кислотой, является:

Восстановление на катоде: 2 H ⁺ ( водн. ) + 2e ^— → H ₂ ( г )

На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления , генерирующая газообразный кислород и отдающая электроны аноду для замыкания цепи:

Окисление на аноде: 2 H ₂ O ( l ) → O ₂ ( г ) + 4 H ⁺ ( водн. ) + 4e ^—

Те же полуреакции также можно уравновесить основанием, указанным ниже. Не все полуреакции необходимо уравновешивать кислотой или основанием. Многие из них, например, окисление или восстановление воды, перечисленные здесь. Чтобы добавить половину реакции, обе они должны быть сбалансированы кислотой или основанием. Кислотно-сбалансированные реакции преобладают в кислых (с низким pH) растворах, тогда как реакции со сбалансированным основанием преобладают в основных (с высоким pH) растворах.

Катод (восстановление):	2 H 2 O ( л ) + 2e —	→	H 2 ( г ) + 2 OH — ( водн. )
Анод (окисление):	2 OH — ( водн. )	→	1/2 O 2 ( г ) + H 2 O ( л ) + 2 e —

Объединение любой пары половин реакции приводит к одинаковому общему разложению воды на кислород и водород:

Общая реакция: 2 H ₂ O ( л ) → 2 H ₂ ( г ) + O ₂ ( г ).

Таким образом, количество образующихся молекул водорода в два раза превышает количество молекул кислорода. Если предположить, что температура и давление для обоих газов одинаковы, полученный газообразный водород, следовательно, в два раза превышает объем произведенного газообразного кислорода. Количество электронов, проталкиваемых через воду, в два раза превышает количество генерируемых молекул водорода и в четыре раза больше количества генерируемых молекул кислорода.

Термодинамика

Диаграмма Пурбе для воды, включая области равновесия для воды, кислорода и водорода на STP. Вертикальная шкала — это электродный потенциал водорода или невзаимодействующего электрода относительно электрода SHE , горизонтальная шкала — это pH электролита (в противном случае не взаимодействующий). Если пренебречь перенапряжением , над верхней линией равновесным условием является газообразный кислород, и кислород будет пузыриться с электрода до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Точно так же, ниже нижней линии, состояние равновесия — газообразный водород, и водород будет пузыриться с электрода до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Разложение чистой воды на водород и кислород при стандартной температуре и давлении неблагоприятно с термодинамической точки зрения.

Анод (окисление):	2 H 2 O ( л )	→	O 2 ( г ) + 4 H + ( водн. ) + 4e —		E o = +1,23 В (для полууравнения приведения)
Катод (восстановление):	2 H + ( водн. ) + 2e —	→	H 2 ( г )		E o = 0,00 В

Таким образом, стандартный потенциал водной электролизной ячейки (E ^o _ячейка = E ^o _катод — E ^o _анод ) составляет -1,229 В при 25 ° C и pH 0 ([H ⁺ ] = 1,0 M). При 25 ° C и pH 7 ([H ⁺ ] = 1,0 × 10 ^-7 M) потенциал не изменяется на основании уравнения Нернста . Термодинамический стандартный потенциал ячейки может быть получен из расчетов свободной энергии стандартного состояния, чтобы найти ΔG °, а затем с помощью уравнения: ΔG ° = −n FE ° (где E ° — потенциал ячейки, а F — постоянная Фарадея , т.е. 96 485,3321233 C / моль). Для двух электролизованных молекул воды и, следовательно, образования двух молекул водорода n = 4, и ΔG ° = 474,48 кДж / 2 моль (вода) = 237,24 кДж / моль (вода). Однако расчеты потенциалов равновесия отдельных электродов требуют некоторых корректировок с учетом коэффициентов активности. На практике, когда электрохимическую ячейку «доводят» до завершения путем приложения разумного потенциала, она контролируется кинетически. Следовательно, энергия активации, подвижность (диффузия) и концентрация ионов, сопротивление проволоки, поверхностное препятствие, включая образование пузырьков (вызывает закупорку площади электрода) и энтропия, требуют большего приложенного потенциала для преодоления этих факторов. Требуемая величина увеличения потенциала называется перенапряжением .

Выбор электролита

Если описанные выше процессы происходят в чистой воде, катионы H ⁺ будут потребляться / восстанавливаться на катоде, а анионы OH ^— потребляться / окисляться на аноде. Это можно проверить, добавив к воде индикатор pH : вода возле катода является щелочной, а вода около анода — кислой. Отрицательные ионы гидроксида, которые приближаются к аноду, в основном объединяются с положительными ионами гидроксония (H ₃ O ⁺ ) с образованием воды. Положительные ионы гидроксония, которые приближаются к катоду, в основном объединяются с отрицательными ионами гидроксида с образованием воды. Относительно небольшое количество ионов гидроксония / гидроксида достигает катода / анода. Это может вызвать перенапряжение на обоих электродах.

Чистая вода является довольно хорошим изолятором, поскольку она имеет низкую автоионизацию , K _w = 1,0 × 10 ^-14 при комнатной температуре, и, таким образом, чистая вода плохо проводит ток, 0,055 мкСм · см ^-1 . Если не применяется очень большой потенциал, вызывающий увеличение автоионизации воды, электролиз чистой воды протекает очень медленно, ограничиваясь общей проводимостью.

При добавлении водорастворимого электролита проводимость воды значительно возрастает. Электролит распадается на катионы и анионы; анионы устремляются к аноду и нейтрализуют накопление там положительно заряженного H ⁺ ; аналогичным образом катионы устремляются к катоду и нейтрализуют накопление отрицательно заряженного ОН ^— там. Это обеспечивает непрерывный поток электричества.

Электролит для электролиза воды

При выборе электролита необходимо проявлять осторожность, поскольку анион электролита конкурирует с ионами гидроксида, отдавая электрон . Анион электролита с меньшим стандартным электродным потенциалом, чем гидроксид, будет окисляться вместо гидроксида, и газообразный кислород не будет образовываться. Катион с большим стандартным электродным потенциалом , чем ион водорода будет уменьшен вместо этого, и ни один газообразного водорода не будет производиться.

Следующие катионы имеют более низкий электродный потенциал, чем H ^+, и поэтому подходят для использования в качестве катионов электролита: Li ⁺ , Rb ⁺ , K ⁺ , Cs ⁺ , Ba ²⁺ , Sr ²⁺ , Ca ²⁺ , Na ⁺ и Mg ^{2. +} . Часто используются натрий и литий , так как они образуют недорогие растворимые соли.

Если в качестве электролита используется кислота , катионом является H ⁺ , и нет конкурента для H ^+, образованного в результате отделения воды. Наиболее часто используемый анион — сульфат ( SO^2-
₄), так как он очень трудно окисляется, при этом стандартный потенциал окисления этого иона до пероксидисульфат- иона составляет +2,010 вольт.

Сильные кислоты, такие как серная кислота (H ₂ SO ₄ ), и сильные основания, такие как гидроксид калия (KOH) и гидроксид натрия (NaOH), часто используются в качестве электролитов из-за их сильной проводящей способности.

Также можно использовать твердый полимерный электролит, такой как нафион, и при нанесении специального катализатора на каждую сторону мембраны может эффективно расщеплять молекулу воды всего лишь с 1,5 вольт. Несколько других систем с твердыми электролитами были испытаны и разработаны с несколькими системами электролиза, которые сейчас коммерчески доступны, в которых используются твердые электролиты.

Электролиз чистой воды

Безэлектролитный электролиз чистой воды был достигнут за счет использования электрохимических ячеек с наноразмерными зазорами с глубокой субдебаевской зоной . Когда зазор между катодом и анодом даже меньше, чем длина Дебая (1 микрон в чистой воде, около 220 нм в дистиллированной воде), области двойного слоя от двух электродов могут перекрываться друг с другом, что приводит к равномерно сильному электрическому полю, распределенному внутри весь разрыв. Такое сильное электрическое поле может значительно улучшить перенос ионов внутри воды (в основном из-за миграции), дополнительно усиливая самоионизацию воды и поддерживая протекание всей реакции, а также показывая небольшое сопротивление между двумя электродами. В этом случае две полуреакции связаны вместе и ограничиваются этапами переноса электрона (ток электролиза насыщается при дальнейшем уменьшении расстояния между электродами).

Методы

Фундаментальная демонстрация

Два провода , идущие от клемм батареи, помещаются в чашку с водой с некоторым количеством электролита, чтобы установить проводимость в растворе. Использование NaCl (поваренной соли) в растворе электролита приводит к образованию газообразного хлора, а не кислорода из-за конкурирующей полуреакции . При использовании правильных электродов и правильного электролита, такого как пищевая сода ( бикарбонат натрия ), газообразные водород и кислород будут вытекать из противоположно заряженных электродов . Кислород будет собираться на положительно заряженном электроде ( аноде ), а водород будет собираться на отрицательно заряженном электроде ( катоде ). Обратите внимание, что водород в молекуле H ₂ O заряжен положительно , поэтому он попадает на отрицательный электрод. (И наоборот для кислорода.)

Обратите внимание, что водный раствор воды с ионами хлорида при электролизе приведет либо к ОН ^— если концентрация Cl ^— низкая, либо к выделению предпочтительно газообразного хлора, если концентрация Cl ^— больше 25% по массе в решение.

Тест соответствия, используемый для обнаружения присутствия газообразного водорода

Вольтаметр Гофмана

Вольтаметр Хофмана часто используется в качестве малогабаритной электролитической ячейки. Он состоит из трех соединенных вертикальных цилиндров. Внутренний цилиндр открыт вверху, что позволяет добавлять воду и электролит. Платины электрод помещаются в нижней части каждого из двух боковых цилиндров, соединенного с положительными и отрицательными выводами источника электроэнергии . Когда ток проходит через вольтаметр Хофмана, на аноде (положительный) образуется газообразный кислород, а на катоде (отрицательный) образуется газообразный водород . Каждый газ вытесняет воду и собирают в верхней части два наружных труб, где оно может быть отсасывают с запорным краном.

Промышленное

Многие промышленные электролизеры очень похожи на вольтаметры Хофмана со сложными платиновыми пластинами или сотами в качестве электродов. Как правило, водород преднамеренно получают путем электролиза только для конкретной точки использования, например, в случае с кислородно-водородными горелками или когда требуется водород или кислород чрезвычайно высокой чистоты . Подавляющее большинство водорода производится из углеводородов и, как следствие, содержит следовые количества окиси углерода среди других примесей. Примесь окиси углерода может быть вредной для различных систем, включая многие топливные элементы .

Высокое давление

Электролиз под высоким давлением — это электролиз воды с выходом сжатого водорода около 12–20 МПа (120–200 бар , 1740–2900 фунтов на кв . Дюйм ). Благодаря сжатию водорода в электролизере отпадает необходимость во внешнем водородном компрессоре ; средний расход энергии на внутреннее сжатие составляет около 3%.

Высокая температура

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз) — это метод, который в настоящее время исследуется для электролиза воды с помощью теплового двигателя . Высокотемпературный электролиз может быть предпочтительнее традиционного электролиза при комнатной температуре, потому что часть энергии поставляется в виде тепла, что дешевле, чем электричество, и потому, что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах.

Алкалиновая вода

Полимерная электролитная мембрана

Никель / железо

В 2014 году исследователи объявили о системе электролиза, сделанной из недорогих и широко распространенных никеля и железа, а не из катализаторов из драгоценных металлов, таких как платина или иридий. Структура никель-металл / оксид никеля более активна, чем чистый металлический никель или чистый оксид никеля. Катализатор значительно снижает необходимое напряжение . Также изучаются никель-железные батареи для использования в качестве комбинированных батарей и электролиза для производства водорода. Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать, как обычные батареи, и они производили бы водород при полной зарядке.

Электрохимические ячейки с нанозазором

В 2017 году исследователи сообщили об использовании электрохимических ячеек с наноразмерными промежутками для достижения высокоэффективного электролиза чистой воды без электролитов при комнатной температуре. В электрохимических ячейках с наноразмерной щелью два электрода расположены так близко друг к другу (даже меньше, чем длина Дебая в чистой воде), что скорость массопереноса может быть даже выше, чем скорость переноса электрона, что приводит к двум половинным реакциям, связанным вместе и ограничен шагом переноса электрона. Эксперименты показывают, что плотность электрического тока при электролизе чистой воды может быть даже больше, чем при 1 моль / л раствора гидроксида натрия. Механизм, «механизм виртуального пробоя», полностью отличается от общепринятой традиционной электрохимической теории из-за такого эффекта размера наноразмеров.

Приложения

Около пяти процентов газообразного водорода, производимого во всем мире, создается путем электролиза. В настоящее время большинство промышленных методов производят водород из природного газа в процессе парового риформинга . Большая часть водорода, получаемого при электролизе, является побочным продуктом при производстве хлора и каустической соды . Это яркий пример борьбы за побочную реакцию .

2NaCl + 2H ₂ O → Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

В процессе хлорщелочного (электролиз рассола) смесь хлористого вода / натрия составляет только половине электролиза воды , так как хлориды ионы окисляют до хлора , а не воды окисляется с кислородом. С термодинамической точки зрения этого не следует ожидать, поскольку окислительный потенциал иона хлорида меньше, чем у воды, но скорость реакции хлорида намного выше, чем у воды, что приводит к его преобладанию. Водород, полученный в результате этого процесса, сжигается (превращается обратно в воду), используется для производства специальных химикатов или для различных других небольших применений.

Электролиз воды также используется для производства кислорода для Международной космической станции .

Позже водород может быть использован в топливном элементе как способ хранения энергии и воды.

Эффективность

Промышленная продукция

Эффективность современных генераторов водорода измеряется количеством энергии, потребляемой на стандартный объем водорода (МДж / м ³ ), принимая стандартные температуру и давление H ₂ . Чем ниже энергия, используемая генератором, тем выше будет его КПД; электролизер со 100% -ным КПД потребляет 39,4 киловатт-часов на килограмм (142 МДж / кг) водорода , 12 749 джоулей на литр (12,75 МДж / м ³ ). Практический электролиз (с использованием вращающегося электролизера при давлении 15 бар) может потреблять 50 кВт⋅ч / кг (180 МДж / кг) и еще 15 кВт⋅ч (54 МДж), если водород сжимается для использования в водородных автомобилях.

Поставщики электролизеров предоставляют значения эффективности на основе энтальпии . Чтобы оценить заявленный КПД электролизера, важно установить, как он был определен производителем (т.е. какое значение энтальпии, какая плотность тока и т. Д.).

На рынке доступны две основные технологии: электролизеры с щелочной и протонообменной мембраной (PEM). Щелочные электролизеры дешевле с точки зрения инвестиций (обычно в них используются никелевые катализаторы), но менее эффективны; Электролизеры PEM, наоборот, более дорогие (в них обычно используются дорогие катализаторы на основе металлов платиновой группы), но они более эффективны и могут работать при более высоких плотностях тока и, следовательно, могут быть дешевле, если производство водорода достаточно велико.

Обычный щелочной электролиз имеет эффективность около 70%. С учетом принятого использования более высокой теплотворной способности (поскольку неэффективность из-за тепла может быть перенаправлена ​​обратно в систему для создания пара, необходимого для катализатора), средняя рабочая эффективность электролиза PEM составляет около 80%. Ожидается, что к 2030 году этот показатель вырастет до 82–86%. Теоретическая эффективность электролизеров на основе ПЭМ прогнозируется до 94%.

Себестоимость добычи H ₂ (не облагается налогом в размере $ -гг) при различных ценах на природный газ

Учитывая промышленное производство водорода и использование лучших в настоящее время процессов электролиза воды (PEM или щелочной электролиз), которые имеют эффективный электрический КПД 70–80%, производя 1 кг водорода (который имеет удельную энергию 143 МДж / кг) требует 50–55 кВт⋅ч (180–200 МДж) электроэнергии. При стоимости электроэнергии 0,06 доллара США / кВт · ч, как указано в целях производства водорода Министерством энергетики США на 2015 год, стоимость водорода составляет 3 доллара США / кг. С учетом диапазона цен на природный газ с 2016 года, как показано на графике ( Дорожная карта группы специалистов по производству водорода, ноябрь 2017 г. ), стоимость водорода, подвергнутого парометановому риформингу (SMR), составляет от 1,20 до 1,50 доллара США, то есть себестоимость водорода путем электролиза. все еще превышает вдвое целевые цены на водород DOE на 2015 год. Целевая цена на водород Министерством энергетики США в 2020 г. составляет 2,30 долл. США / кг, при этом затраты на электроэнергию должны составлять 0,037 долл. США / кВт · ч, что является достижимым с учетом тендеров PPA 2018 года для ветровой и солнечной энергии во многих регионах. Это ставит целевую задачу по распределению H ₂ в 4 доллара на галлон бензина в пределах досягаемости и приближает к несколько завышенным затратам на добычу природного газа для SMR.

В других частях света цена на водород SMR составляет в среднем 1–3 доллара за кг. Это делает производство водорода путем электролиза конкурентоспособным по стоимости уже во многих регионах, как указано Nel Hydrogen и другими, включая статью МЭА, в которой рассматриваются условия, которые могут привести к конкурентному преимуществу электролиза.

Перенапряжение

Настоящие водные электролизеры требуют более высокого напряжения для протекания реакции. Часть, превышающая 1,23 В, называется перенапряжением или перенапряжением и представляет собой любые потери и неидеальность электрохимического процесса.

Для хорошо спроектированной ячейки самым большим перенапряжением является перенапряжение реакции четырехэлектронного окисления воды до кислорода на аноде; электрокатализаторы могут облегчить эту реакцию, и сплавы платины представляют собой современный уровень техники для этого окисления. Разработка дешевого, эффективного электрокатализатора для этой реакции была бы большим достижением и является предметом текущих исследований; существует множество подходов, среди которых 30-летний рецепт сульфида молибдена , квантовых точек графена , углеродных нанотрубок , перовскита и никеля / оксида никеля. Фосфид тримолибдена (Mo3P) недавно был обнаружен как многообещающий кандидат на недрагоценный металл и богатый землей с выдающимися каталитическими свойствами, который можно использовать в электрокаталитических процессах. Каталитические характеристики наночастиц Mo3P проверены в реакции выделения водорода (HER), что указывает на начальный потенциал всего 21 мВ, скорость образования h3 и плотность тока обмена 214,7 мкмоль с-1 г-1 кат (всего при 100 мВ). перенапряжение в мВ) и 279,07 мкА / см2, соответственно, которые являются одними из самых близких значений, наблюдаемых для платины. Более простая двухэлектронная реакция для получения водорода на катоде может быть электрокатализирована почти без перенапряжения платиной или, теоретически, ферментом гидрогеназы . Если для катода используются другие, менее эффективные материалы (например, графит ), появятся большие перенапряжения.

Термодинамика

Электролиз воды в стандартных условиях требует теоретического минимума 237 кДж подводимой электрической энергии для диссоциации каждого моля воды, что является стандартной свободной энергией Гиббса образования воды. Также требуется энергия, чтобы преодолеть изменение энтропии реакции. Следовательно, процесс не может продолжаться ниже 286 кДж на моль, если не добавляется внешнее тепло / энергия.

Поскольку на каждый моль воды требуется два моля электронов , и, учитывая, что постоянная Фарадея F представляет собой заряд моля электронов (96485 Кл / моль), следует, что минимальное напряжение, необходимое для электролиза, составляет около 1,23 В. Если электролиз при высокой температуре это напряжение снижается. Это позволяет электролизеру работать с электрическим КПД более 100%. В электрохимических системах это означает, что в реактор необходимо подводить тепло для поддержания реакции. Таким образом, тепловая энергия может использоваться для части потребности в энергии электролиза. Подобным образом необходимое напряжение может быть уменьшено (ниже 1 В), если топливо (например, углерод, спирт, биомасса) вступает в реакцию с водой (электролизер на основе PEM при низкой температуре) или ионами кислорода (электролизер на основе твердого оксидного электролита при высокой температуре. ). Это приводит к тому, что часть энергии топлива используется для «помощи» процессу электролиза и может снизить общую стоимость производимого водорода.

Однако, учитывая компонент энтропии (и другие потери), для протекания реакции при практических плотностях тока ( термонейтральное напряжение )
требуются напряжения более 1,48 В.

В случае электролиза воды свободная энергия Гиббса представляет собой минимальную работу, необходимую для протекания реакции, а энтальпия реакции — это количество энергии (как работы, так и тепла), которое необходимо обеспечить, чтобы продукты реакции имели одинаковую температуру. в качестве реагента (т.е. стандартная температура для значений, указанных выше). Потенциально электролизер, работающий при 1,48 В, будет эффективен на 100%.

Смотрите также

Ссылки

внешняя ссылка

Электролиз воды — Знаешь как

Электролиз воды и водных растворов

Электролиз воды это процесс разложение воды электрическим током используют различные электролизеры, например аппарат Гофмана и др. Раньше они входили в состав оборудования школьных кабинетов химии. Но эти приборы с платиновыми и серебряными электродами дорогие, хрупкие и недолговечные.

Электроды из благородных металлов заменили свинцовыми и никелевыми. Приборы стали прочнее, но имели существенный недостаток— образование вторичных продуктов электролиза.

Было предложено много самодельных приборов для электролиза воды. Материалом для электродов служило железо, а электролитом был раствор щелочи. В таких самодельных приборах можно получить водород и кислород в объемных отношениях приблизительно как 2: 1.

Термическое разложение воды

В то время как электролиз воды проходит при обыкновенной температуре, термическое разложение воды требует нагревания до очень высокой температуры (выше 1000 °С), что свидетельствует о прочности этого соединения.

Так, пары воды частично разлагаются на водород и кислород при сильном нагревании платиновой спирали, которую можно заменить спиралью из других тугоплавких металлов (например, вольфрама).

Установка для термического разложения (диссоциации) воды изображена на рисунке 2.

Меры предосторожности. Перед раскаливанием спирали необходимо удалить из установки воздух, для чего воду в колбе кипятят. Провода подключают к источнику электрического тока (через ВС-24М или В-24). Цилиндр с собранной гремучей смесью обертывают полотенцем и подносят к пламени.

Электролиз водных растворов солей

Прибор для электролиза растворов солей (рис. Б) представляет собой дугообразную трубку с двумя отростками для отвода образующихся газов, например хлора и водорода при электролизе раствора хлорида натрия. Электроды—угольные (графитовые) стержни.

Рис. 2 — А. Установка для термического разложения воды.

Рис. 2 — Б. Прибор для электролиза растворов солей.

Опыты по электролизу воды и водных растворов солей можно осуществить в приборе для опытов по химии с электрическим то. 

Для демонстрации электролиза воды в электролизер наливают дистиллированную воду так, чтобы уровень ее на 2— 3 см был выше электродов. В качестве электролита используют 10%-ный раствор гидроксида натрия. В две демонстрационные пробирки (ПХ-21) также наливают дистиллированную воду с добавлением электролита.

Пробирки поочередно закрывают пробкой с держателем, опрокидывают вверх дном в электролизер; открывают под водой пробку и надевают пробирки на электроды. Прибор подключают к источнику постоянного тока с напряжением 40 В (ИЭПП-1 или ИЭПП—2) при условии, что контакт экспериментатора с электролитом исключен.

Для этого в старых образцах набора следует сделать к электролизеру крышку (из картона, дерева, пластмассы) с отверстиями для пробирок. В противном случае нельзя пользоваться электрическим током с напряжением свыше 12 В.

Аналогично проводят опыт по электролизу водного раствора иодида калия. Электролизер и демонстрационные пробирки заполняют раствором иодида калия. В одну из пробирок, которую надевают на катод, добавляют 1—2 капли фенолфталеина, а во вторую — 2—3 капли крахмального клейстера.

Подключают прибор к источнику постоянного тока и через 1—2 мин (U 40В) наблюдают малиновое окрашивание в катодном пространстве (в пробирке с фенолфталеином) и синее — в анодном (в пробирке с крахмалом). Практическое значение имеет электролиз раствора хлорида натрия, дающий три важных продукта: гидроксид натрия, хлор и водород. Из последних двух продуктов может быть получена синтетическая соляная кислота.

Электролиз хлорида натрия

Лабораторные установки для электролиза раствора хлорида натрия рассматриваются в руководствах по химическому эксперименту. Одна из таких установок была предложена М. В. Федякиным (журнал «Химия в школе», 1964, № 5). Она состоит из стеклянной трубки ( 30 мм), закрытой двумя резиновыми пробками.

В прибор через воронку наливают насыщенный раствор хлорида натрия до уровня, показанного на рисунке. Установку подключают к источнику постоянного тока напряжением 15—20 В,

При электролизе на катоде 4 выделяется водород, который собирают над трубкой 6 в пробирку и испытывают на горючесть.

Выделяющийся на аноде хлор выводится по газоотводной трубке в сосуд с иодокрахмальным раствором (на рисунке не показано). Сливают в отдельные стаканы жидкость из анодного пространства и катодного пространства, а в третий стакан — исходный раствор хлорида натрия. Во все три стакана прибавляют раствор лакмуса (фиолетового цвета). Исходный раствор показывает нейтральную реакцию, жидкость при катоде — щелочную, а при аноде —разрушает лакмус (действие растворенного хлора).

Установка для электролиза солей

Установку для электролизера растворов солей (а также воды) можно собрать из специальных деталей набора НДПХ. В качестве электролизера используют Н-образную трубку-реактор 1 ( с кранами 2 и 4), в которую вставляют две пробки с электродами: железным и угольным.

В колбу при закрытом зажиме наливают прозрачный насыщенный раствор хлорида натрия, заготовленный заранее. К клеммам электродов присоединяют проводники от источника постоянного тока ВС-24М (В-24). Напряжение тока 25—30 В, сила тока 4 А. Через 2—3 мин колбу поднимают на демонстрационный столик.

Водород собирают в пробирку, открывают кран и доказывают наличие газа. В пробирку над краном помещают иодокрахмальную бумажку , с помощью которой доказывают наличие хлора.

Получившийся раствор щелочи берут из электролизера в пробирку через тройник с зажимом. Проводят испытание раствора щелочи фенолфталеином.

Статья на тему Электролиз воды

Получение водорода электролизом воды — ViloVit

Приборы электролиза воды

На рынке существует множество приборов и устройств, способных изменять химические и физические показатели воды. Современная наука научилась определять какие именно показатели воды имеют полезные и терапевтические свойства. Данная статья расскажет о приборах, которые делают влияют на показатели воды и какие показатели имеют ключевые функции.

В настоящее время большая популярность двух методов получения ионизированной воды, это электрические системы, которые влияют на воду через высокое содержание солей в воде, а именно, ионизаторы щелочной воды и генераторы водородной воды с нейтральным рН. Для начала давайте рассмотрим ионизаторы щелочной воды.

Ионизаторы щелочной воды

Ионизатором воды является любое устройство или изделие, которое увеличивает концентрацию заряженных частиц — ионов и свободных электронов. В данном методе образуется щелочная среда с насыщением водорода на катоде и кислая среда с насыщение кислорода на аноде, где анод и катод разделены барьером.

Приборы ионизации воды существуют очень давно и в настоящее время ежегодно появляются новые приборы и изделия для изменения свойств воды.

Что такое ионизация воды?

Под ионом подразумевается электрически заряженная частица (положительная или отрицательная) в виде атома или молекулы, которые образовываются при присоединении или потери электронов. Поэтому любое устройство, которое увеличивает концентрацию ионов является ионизатором воды.

Терминологию ИОН ввел ученый Майкл Фарадей в 1834 году. При изучении воздействия электрического тока на разные растворы, он обнаружил разную электропроводность в щелочных, кислотных и солевых растворах. Эта электропроводность зависела от заряженных частиц, которые ученый назвал ионами и разделил их по заряду, отрицательному или положительному. Отрицательный ион называют анионом, положительно заряженный ион называют катионом.

После научного открытия ионизации воды путем электролиза М.Фарадея были обнаружены и другие возможности ионизации воды. Процесс ионизации можно получить несколькими способами, но его эффективность и себестоимость будет существенно отличаться.

Каким способом можно получить ионизированную воду?

• Воздействие электрического тока (электролиз)
• Воздействие ультрафиолетового облучения
• Воздействие ультразвука (кавитация)
• Химическая реакция. В химической реакции могут быть использованы металлы, минералы, кислоты и соли.

▼ Узнать подробнее об ионизаторах ▼

Польза ионизированной воды

О пользе ионизаторов щелочной воды известно многим потребителям, но только недавние клинические исследования определили, какие именно свойства воды имеют терапевтический эффект.

Только после 2007 года ученые обнаружили, что терапевтическое свойство в щелочной ионизированной воде представляет собой газообразный водород Н2. Поэтому для терапевтического эффекта важна концентрация Н2 в воде.

Изначально производители ионизирующих приборов акцентировали свое внимание на показатели щелочной среды, а не на газообразный водород. Поэтому есть 3 наблюдения щелочных систем:

• Некоторые ионизаторы воды не содержат достаточного количества растворенного газообразного водорода или, по меньшей мере, их концентрация ниже предела обнаружения 0,01 мг/л.
• Некоторые ионизаторы воды способны создавать достаточные уровни Н2, но их электродах образуется налет, что значительно сокращает концентрацию газа Н2 в воде. Поэтому, не очищая системы лимонной кислотой или уксусом, концентрация Н2 также может опускаться ниже 0,01 мг/л в течение нескольких дней в зависимости от качества использованной воды.
• Некоторые ионизаторы воды используют технологию обратной полярности, которая значительно предотвращает образование накипи на электродах, что позволяет пользователю работать дольше (от нескольких месяцев до нескольких лет) без использования уксуса или лимонной кислоты.

При всех обстоятельствах концентрация Н2 сильно зависит от исходной воды и расхода (и, конечно, от конструкции и количества скейлинга на электродах). Это приводит к тому, что концентрация варьируется от менее 0,01 мг/л до почти 3 мг/л, при этом среднее значение составляет от 0,4 до 1 мг/л при условии среднего качества исходной воды и чистых электродах.

Важно также отметить, что, хотя некоторые ионизаторы воды могут создавать очень высокую концентрацию Н2 за счет замедления потока воды, эта продуцируемая вода часто имеет очень высокий уровень рН, что может сделать воду неприемлемой. В этом случае легко снизить pH путем добавления нескольких капель лимонного сока (лимонной кислоты) для снижения рН при сохранении более высокого уровня, растворенного Н2.

▼ Какую концентрацию Н2 в воде производят ионизаторы ▼

Генераторы водорода

Генераторы водорода изначально разработаны для производства водорода, где конструкция, электроды и поток воды сделаны для получения высокой концентрации Н2. Однако прогресс не стоит на месте и недавно появились современные протонообменные мембраны (PEM) на основе твердого полимерного электролита (SPE).

Протонообменная мембрана, это прорыв в электролизе воды, которая позволяет получить более высокую концентрацию чистого Н2 с отделением побочных продуктов электролиза кислорода (О2), озона (О3), и хлора (Cl2).

Портативный генератор водородной воды VILOVIT один из немногих, где есть протонобменная мембрана, которая способна не только отделять водород Н2 от побочных продуктов электролиза кислорода, озона и хлора, но и является твердым полимерным электролитом, где происходит электролиз. Такая система позволяет использовать дистиллированную воду или воду обратного осмоса без добавления солей или кислоты для большей проводимости, в результате вы получаете воду с концентрацией чистого Н2 1,2-1,4 мг/л за 8 мин и ОВП до -700 мВ.

Протонообменная мембрана (PEM)

Современная мембрана PEM способна отделять водород от кислорода, и других продуктов распада при электролизе (например, озон, хлор), а также мембрана является электролитом, где происходит электролиз, т.е. электролиз проходит в самой мембране, вода вне мембраны не подвергается электролизу, она только насыщается Н2.

Протоны Н+ проникают в мембрану как положительно заряженные частицы и движутся к катоду (отрицательному электроду). На катоде протоны соединяются с электронами и образуется водород.

Такая система позволяет использовать дистиллированную воду или воду обратного осмоса, поэтому нет необходимости добавлять соли или кислоты для большей проводимости, а значит и большего производства Н2.

Твердый полимерный электролит SPE

Твердыми полимерными электролитами (SPE) являются материалы, имеющие полимерное строение, причем в состав полимеров входят функциональные группы, способные к распаду с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость.

Мембрана в нашем приборе представляет собой фторуглеродный полимер, содержащий функциональные сульфогруппы, способные к обмену с внешней средой электростатически связанными катионами (положительно заряженные частицы, как и протоны, ядра атома водорода). Ионная проводимость этого твердого полимерного электролита SPE обусловлена движением катионов уже входящих в его состав, поэтому подобные электролиты получили название катионных или катионобменных, по аналогии с ионообменными смолами.

Как происходит электролиз в SPE/PEM мембране?

Вода проникает через поры мембраны в анодное пространство. На границе анода и мембраны происходит электроокисление воды с выделением кислорода:

2h3O + 4e» —► O2 + 4H+

Непроницаемость PEM мембраны для кислорода препятствует его проникновению в катодное пространство и образованию взрывоопасной гремучей смеси кислорода и водорода. В итоге, кислород удаляется из реакционной зоны.

Далее протоны Н+ движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с электронами с выделением газообразного водорода:

2H+ + 2e» —► h3

Протекание катодной и анодной реакций стимулируется введением на границе раздела электродов и полимерных катализаторов — мелкодисперсных платины и оксида иридия (IV), что делает процесс электролиза более эффективным.

В результате вы получаете воду с высокой концентрацией чистого Н2 (более 1,2 ppm всего за 8 мин) без примесей продуктов распада электролиза и ОВП до -700 мВ.

▼ Подробнее о генераторах нового поколения ▼

Отличия обычного электролиза от современных полимерных мембран

Современные полимерные мембраны SPE/PME сами являются электролитом, поэтому им не требуется вода с содержанием минералов для проводимости тока, в связи с чем они имеют огромное технологическое преимущество, долгий срок службы и способны производить высокую концентрацию чистого Н2.

Благодаря более низкому электрическому сопротивлению между анодом и катодом в полимерной мембране происходит меньшее падение напряжения и более эффективный электролитический выход h3. Увеличение срока службы мембраны связано с тем, что рН питьевой воды практически не меняется, соответственно не происходит образования минерального налета на электродах.

Почему это важно, что в приборе есть протонобменная мембрана/ Твердый полимерный электролит?

Вода в приборе не является электролитом, электролиз идет внутри мембраны, вода только насыщается чистым водородом. Рекомендуется использовать дистиллированную воду или воду обратного осмоса. Это позволяет долгое время сохранять работоспособность мембраны, без необходимости в промывках.

Бывают ли приборы, разделяющие при электролизе водород и кислород, но без протонобменной мембраны?

Да, даже самые в первых приборах для электролиза в виде U образной трубки водород и кислород получались отдельно. Но электролитом в них является раствор солей в воде и помимо водорода и кислорода будут выделяться другие соединения. Бывают также приборы с мембраной, отделяющей водород, но при этом мембрана не является твердым полимерным электролитом. Эти приборы требуют использования воды с солями, поэтому мембрана засоряется и требует частых промывок. Узнайте, может ли прибор работать с дистиллированной водой, чтобы понять используется ли в нем SPE/PEM мембрана.

Узнать о продуктах VILOVIT

Заказать продукты VILOVIT

Почитать полезные статьи

в чем разница, что лучше, чем отличается дистиллят от неэлектролита?

Дистиллят — проводник тока или неэлектролит?

Электролит – это вещество, водный раствор которого содержит частицы с разными зарядами – катионы и анионы.

Под действием электротока катионы начинают движение к катоду, а анионы – к аноду. Таким образом, вещество проводит ток.

К этой группе соединений относятся соли, кислоты и основания. Их растворы имеют высокую концентрацию заряженных частиц, которые обеспечивают проведение электротока.

Обычная неочищенная вода проводит электричество. Однако её электропроводность напрямую связана со степенью минерализации.

Чем больше солей и иных примесей растворено в ней, тем лучше проводится ток:

• электропроводность морской воды равна в среднем 30000 мкСм/см;
• у водопроводной этот показатель равен 365 мкСм/см;
• у талой или дождевой – 93 мкСм/см;
• у дистиллированной – 1-5 мкСм/см.

Приведённые показатели доказывают: дистиллированную воду нельзя считать электролитом, так как она не проводит электроток.

В процессе перегонки она практически полностью освобождается от химических примесей, способных образовывать ионы.

В чём разница?

Чем отличается дистиллированная вода от электролита? Степень электролитической диссоциации – ключевое отличие дистиллированной воды от электролита. Диссоциацией в химии называется распад молекул вещества на катионы и анионы.

Чем больше молекул распадается в растворе, тем больше степень диссоциации:

Приведённые данные показывают, что молекулы электролитов при растворении почти полностью распадаются на ионы. У дистиллированной воды этот показатель настолько низкий, что им можно пренебречь.

Что лучше?

У электролита и дистиллированной воды разные функции. Вода служит растворителем и создаёт среду, в которой происходит диссоциация. Будучи свободной от посторонних примесей, она не искажает хода химической реакции и не меняет свойств диссоциирующего соединения.

Дистиллированная вода является лучшим растворителем по сравнению с другими видами h3O. Кроме того, её температура замерзания значительно ниже обычной – около -100С. Эти физико-химические свойства позволяют применять её в электротехнике.

Таким образом, вопрос о том, что лучше, некорректен. У дистиллированной воды и электролитов разные задачи. Вода нужна, чтобы получить токопроводящий раствор или уменьшить его концентрацию. Электролит добавляется в воду, чтобы повысить её электропроводность.

Механизм образования заряженных частиц при растворении в воде

Можно ли смешивать?

Электролиты проявляют свои свойства только в растворах. Поэтому в технической практике их в обязательном порядке смешивают с дистиллированной водой.

Самый распространённый пример – использование в аккумуляторных кислотных батареях (АКБ) или в щелочных аккумуляторах:

• в автомобильных АКБ вода смешивается с серной кислотой;
• в щелочных аккумуляторах — с едким калием или едким натром.

Чтобы аккумулятор демонстрировал хорошую ёмкость, раствор должен иметь строго определённую концентрацию. Поэтому смешивание компонентов необходимо проводить в правильных пропорциях, в соответствии с техническим регламентом.

Также стоит помнить, что при соединении кислоты и воды температура раствора повышается. Перед его использованием требуется время на остывание.

Соединяя электролит с водой, нужно концентрированное вещество понемногу добавлять в дистиллят, а не наоборот. Нарушение этого правила чревато мгновенным вскипанием раствора и химическими ожогами.

Когда используется только одно, а когда другое?

Решение об использовании того или иного вещества принимают после замера плотности токопроводящего раствора:

• если концентрация слишком высока, для её уменьшения применяется чистая дистиллированная вода;
• если плотность понижена, она корректируется добавлением электролита.

Ничтожно малая электропроводность химически чистого дистиллята делает это вещество потенциальным диэлектриком. Теоретически её можно было бы заливать, например, в конденсаторы между пластинами.

Однако в реальности она не может быть идеально чистой. Поэтому в электротехнике используется только в качестве корректора плотности токопроводящего раствора.

Все, что вы хотели бы знать о дистиллированной воде, ее свойствах и применении, — здесь.

Заключение

Дистиллированная вода не пропускает ток, не является электролитом, но служит необходимой средой, в которой протекают процессы электролитической диссоциации. Она используется совместно с электролитами в щелочных или кислотных аккумуляторных батареях.

Электролиты, распадаясь на ионы, пропускают через себя электроток. Однако эту способность они проявляют только при смешивании с водой.

что нам о нем известно :: SYL.ru

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород — и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде – водород — и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном — перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли – хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор — и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия — и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия — 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») – к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси ( Са⁺ + О → СаО ), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н₂О → Са(ОН)₂.

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

аппараты для домашнего использования, вид, сборка и установка устройства

Электролизеры — это установки для получения чистых химических элементов методом пропускания электрического тока через жидкий электролит. В промышленности с их помощью получают металлы методом электрохимической осадки. В домашних условиях электролизеры используются для получения Брауновского газа, смеси водорода с кислородом путем расщепления воды. Для запуска процесса установка нуждается во внешнем источнике питания.

Принцип работы электролизной установки

Знакомство с устройством и принципом работы простейшей установки для электролиза многие прошли еще в школе на уроках физики. Помещая два электрода в соляной раствор и пропуская через него постоянный ток, на одном появляется чистый металл, а со второго начинается выделение газа.

Установкам, предназначенным для получения водорода, необходимо мощное электрическое поле для того, чтобы разорвать атомарные связи. Для облегчения процесса в воду добавляется щелочной катализатор. В основном используют NaOH — натрия гидроксид или NaHCO 3 — соду.

Натрия гидроксид содержится в чистящих средствах Крот и Мистер Мускул. И, кроме пищевой соды, можно использовать и каустическую соду.

Катализатор за счет химических реакций берет на себя значительную часть работы. Ионы гидрогсидной группы притягиваются к положительному электроду. Натрий к отрицательному потенциалу, а освободившиеся молекулы водорода свободно выходят из жидкости.

Применение электролизеров

Постоянный рост цен на энергоносители позволил по-новому подойти к электролитическим процессам. Разработаны различные типы установок для получения:

• алюминия;
• хлора;
• водорода для плазменных аппаратов резки и сварки.

Также устройства работают в составе агрегатов, производящих очистку, обеззараживание питьевой воды и воды для бассейнов, как добавка к топливу для авто, позволяющая полностью использовать потенциал углеводородов. Водород горит значительно раньше бензина. Бензин воспламеняется уже не от искры, а от пламени, что повышает усилие, давящее на поршень двигателя машины.

Некоторые умельцы используют электролиз воды в домашних условиях для обогрева помещений. Но здесь стоит отметить, что себестоимость полученного горючего водорода значительно превосходит по цене тот же природный газ. К тому же температура горения водорода довольно высокая и не всякий металл способен выдержать длительное воздействие без разрушения. А использование термостойких материалов экономически не оправдано.

Виды агрегатов

Различный подход к проблеме позволил создать множество типов электролизеров, среди которых:

• сухой;
• мокрый;
• проточный;
• мембранный;
• диафрагменный;
• щелочной.

В сухих моделях используется набор плоских электродов для подключения высоковольтного блока питания. А связано это с тем, что подаваемое питание на один анод и катод составляет не более 2 В. В автомастерской много аккумуляторов напряжением 12 В, поэтому самодельное устройство может иметь по 6 электродов. Собранная конструкция помещена в герметично закрытую емкость.

В отличие от сухого типа мокрая модель электролизера отличается открытой емкостью. Из-за чего возникает необходимость в постоянном контроле уровня электролита.

Проточный вариант отличается тем, что выделение водорода происходит в отдельной емкости. После чего раствор возвращается в основную емкость с установленными электродными парами.

Мембранный тип отличается тем, что роль электролита выполняет мембрана — твердый электролит. Мембрана выполняет два назначения. Первое — перенос ионов. Второе — отделение продуктов электрохимической реакции на физическом уровне.

Диафрагменный тип аппаратов применяется в том случае, когда не допускается диффузия элементов. Для изготовления пористой диафрагмы используют:

• керамику;
• асбест;
• стекло;
• полимерную ткань;
• стеклянную вату.

Прибор, работающий на щелочном растворе предпочтительнее, так как из соляных растворов в процессе реакции происходит выделение хлора, который считается отравляющим веществом.

Щелочную добавку вводят из-за невозможности проведения процесса в дистиллированной воде. Разложения не происходит из-за отсутствия разно заряженных ионов.

Электролизер своими руками

Электролизер для получения водорода своими руками сделать вполне возможно. Перед началом изготовления прибора необходима схема электролизера. Их встречается на просторах интернета большое количество, и подобрать необходимую не составит труда. На основании выбранной схемы разрабатываются чертежи электролизера своими руками.

Затем необходимо подобрать материалы для изготовления элементов. Наилучшим вариантом для изготовления пластин является нержавеющая сталь марки 03Х16Н15М3. маркировка по иностранным стандартам AISI 316 L. Она устойчива к коррозии от воздействия воды и щелочей.

Необходимо изготовить детали в количестве 16 штук. Их можно разместить на стальном квадрате 500×500 мм. Разметив, их можно вырезать ножницами по металлу, если позволит толщина металла, или болгаркой.

На каждом элементе необходимо отрезать один угол, а с противоположной стороны просверлить отверстие, диаметр которого должен совпадать с диаметром соединительного болта.

Сборка пакета пластин производится в следующей последовательности: положительная — отрицательная — положительная — отрицательная и так далее. Эта последовательность обеспечивает высокую плотность тока.

Изолирование пластин между собой производится не проводящей электричество поливинилхлоридной или силиконовой трубкой. Она разрезается вдоль, а ее толщина составляет 1 мм. Затем из нее нарезаются квадратики и сверлятся отверстия. Зазора в один миллиметр вполне достаточно для интенсивного производства газа.

Собранную конструкцию помещают в пластиковый контейнер необходимого объема с герметично закрывающейся крышкой. Если длинные винты не дают ровно установиться их следует отпилить, а гайки надежно затянуть. В крышке сверлятся отверстия, в которых закрепляются штуцера. Для обеспечения герметичности используется силиконовый герметик.

Перед под

Электролиз воды

Электролиз воды

Вода может разлагаться, пропуская через нее электрический ток. Когда это
происходит, электроны от электрического тока вызывают реакцию окисления-восстановления.
На одном электроде, называемом катодом, электроны переходят в раствор и вызывают
уменьшение. На другом электроде, называемом анодом, электроны покидают раствор.
замыкая цепь, и вызвать окисление.

Для проведения электролиза раствор должен
проводить электрический ток. Чистая вода — очень плохой проводник. Чтобы сделать
вода лучше проводит, мы можем добавить в воду электролит. Это вводит еще один
проблема хотя. Многие электролиты, которые мы добавляем, электролизуются легче, чем
вода. Сульфат-ионы не подвергаются электролизу так же легко, как вода, поэтому сульфаты часто
используется для повышения проводимости воды. На одном из электродов электроны
(от источника тока, такого как батарея), добавляются к молекулам воды (поскольку электроны
добавлены, это отрицательная клемма АКБ).Следующее сокращение
происходит на катоде с образованием газообразного водорода.

На другом электроде электроны удаляются из воды (так что это
положительный полюс батареи) и введите электрод. Это завершает схему, поэтому
ток может течь.На этом электроде, называемом анодом, окисляется вода:

Поскольку окисление не может происходить без восстановления, эти две реакции
должно происходить одновременно. Если мы сложим их вместе и отменим аналогичные
сроки, мы получим чистую общую реакцию.

, который совпадает с

H ₂ O
H ₂ + 1 / 2O ₂ (г)

Материалы

Процедура

1.Подготовьте аппарат для электролиза, если он еще не настроен для вас.
Заточите оба конца карандаша. Присоедините провода зажима аккумулятора к заточенному
карандашный грифель. Если вы не используете зажимы из кожи аллигатора, снимите около 2 см конца
проволоку и оберните ею грифель карандаша. Приклейте эту проволоку изолентой или горячим клеем.

2. Приготовьте раствор, насыщенный сульфатом натрия в деионизированной воде.
Вам понадобится около 100 мл. В качестве альтернативы вы можете использовать раствор магния.
сульфат.

3. Добавьте несколько капель кислотно-основного индикатора в раствор, который вы приготовили выше.
Ваш раствор должен быть слегка окрашен. Выберите любой из индикаторов, которые
удобный, хотя универсальный индикатор, бромкрезоловый зеленый или индикатор краснокочанной капусты подойдет
дают наиболее очевидное изменение при и электродах. Залейте этот раствор
в чашку Петри

4. Положите свободный конец грифеля карандаша в чашку Петри, погруженную в воду.
и примерно в 2 см друг от друга.

5. Вставьте аккумулятор и наблюдайте за изменениями в течение нескольких минут. Обратите внимание, какие
конец положительный (красный провод) и отрицательный (черный провод), и что вы
наблюдать.

Практически невозможно собрать газы, образующиеся в этом эксперименте. Пока
кажется, что образуется много пузырей, на самом деле газа не так много
произведено. Можно собрать газ в другом аппарате, который может использовать
более высокие токи, чем описанный здесь.Пример этого показан в
видео.

Заключение

1. Электроны перетекают из черного провода (отрицательного) в раствор. Что вы
наблюдать за изменением цвета отрицательного электрода? Сравните это с цветовой диаграммой кислотно-щелочного индикатора для индикатора.
ты использовал.Объясните происходящую там полуреакцию

2. Электроны перетекают из раствора в красный провод (положительный). Что
вы наблюдаете изменение цвета на положительном электроде? Сравните это с цветовой диаграммой кислотно-щелочного индикатора для индикатора.
ты использовал. Объясните происходящую там полуреакцию.

3. С помощью видео сравните объемы двух собранных газов. Какой вывод
ты можешь дотянуться?

Дополнительно

На самом деле для производства большого количества кислорода или водорода требуется довольно большой ток.
газ.Например, сколько электрического тока потребуется для производства одного моля
кислородный газ? Это масса 32 г, и при комнатной температуре и давлении
занял бы около 24 литров.

Шаг 1: Из сбалансированного уравнения на аноде

вы можете видеть, что для производства 1 моля газообразного кислорода требуется 4 моля электронов.

Шаг 2: Электрический ток обычно измеряется в амперах. Ток 1 ампер для
1 секунда — это один кулон (C) электронов. В моль примерно 95 500 ° C.
электронов, поэтому наши 4 моля электронов составляют

4 x 96 500 = 386 000 C

Шаг 3: Поскольку кулон — это ампер в секунду (1 Кл / с = 1 ампер), мы
не может пойти дальше, если мы не сделаем некоторые предположения о том, сколько времени это займет у нас
чтобы сделать этот кислород.Предположим, что он будет
займет у нас один час (3600 с). Тогда нам потребуется:

Это довольно большой ток (учитывая, что обычная розетка дает максимум
15 ампер).

Электролиз воды с индуктивными импульсами напряжения

1. Введение

Основная идея водородной экономики состоит в создании моста между энергоресурсами, производителями и потребителями энергии.Если водород производится из возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, воды, биомассы и т. Д.) И используется для производства энергии в процессе каталитического сжигания, тогда жизненный цикл энергии не загрязняет природу дольше. С переходом к водородной экономике общество будет жить в соответствии с моделью устойчивого развития, определенной в 1987 году (Наше общее будущее, 1987).

Водород недоступен на Земле в свободном виде; поэтому производственный процесс составляет большую часть окончательной цены на водород (Hydrogen Pathway, 2011).Это основная причина, по которой исследования эффективных методов электролиза очень актуальны. На нашей планете водород в основном находится в таких соединениях, как углеводороды, вода и т. Д., И для выделения из них водорода требуется соответствующая энергия. В принципе, количество потребляемой энергии всегда больше, чем то, которое может быть извлечено из водорода, а в реальных условиях эксплуатации КПД цикла не превышает 50% (The Hydrogen Economy, 2004). Текущая проблема мотивирована поиском улучшений существующих и открытием новых технологий для производства водорода из воды — широко доступного и возобновляемого ресурса на Земле.

Электролиз воды известен уже более 130 лет, и разработаны различные технологии, обеспечивающие потребление энергии около 3,6 кВтч / м. ³ — высокотемпературный электролиз и 4,1 кВтч / м. ³ — щелочные электролизеры комнатной температуры и протонообменная мембрана. электролизеры (The Hydrogen Economy, 2004). Более низкие затраты на производство водорода предназначены для технологий, использующих замкнутые термохимические циклы, но только в тех местах, где доступно огромное количество отработанного тепла (например, на атомных электростанциях (The Hydrogen Economy, 2004).Тем не менее, какова будет цена на водород сегодня, в будущем только водород, полученный из возобновляемых источников с использованием электроэнергии из возобновляемых источников энергии, спасет мир, как было заявлено на 2-м Всемирном конгрессе по водороду в Турции (Избранные статьи, 2009). Для Латвии водород, полученный путем электролиза с использованием электричества из возобновляемых источников (ветер, солнце, вода), также будет лучшим решением для перехода к экономике водорода (Dimants et all, 2011). Это потому, что все возобновляемые источники энергии, доступные в географическом положении Латвии, дают нестабильную и прерывистую энергию, для чего необходимы решения для хранения.Использование водорода в качестве энергоносителя, производимого из электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками, хранящейся и после использования в батарее топливных элементов для выработки электроэнергии, является лучшим решением (Zoulias, 2002). Для этого требуются эффективные и стабильные электролизеры. Электролизные установки меньшего размера необходимы также для технических решений, в которых водород производится и используется непосредственно по запросу, например, водородные сварочные аппараты, автомобили внутреннего сгорания с водородным двигателем (Kreuter and Hofmann, 1998).

Питание постоянного тока обычно используется для электролиза, тем не менее, предлагается также импульсное питание (см., Например, Gutmman and Murphy, 1983).При использовании источника постоянного тока с механическим прерыванием (Brockris and Potter, 1952; Bockris et all, 1957) было замечено следующее интересное явление: сразу после приложения напряжения к электрохимической системе наблюдался сильный, но непродолжительный всплеск тока. Когда подаваемое напряжение было отключено, значительный ток продолжает течь в течение короткого времени. В 1984 году Горохчян и Бокрис разработали униполярный генератор для управления электролизером импульсным постоянным напряжением. Они пришли к выводу, что скорость производства водорода будет почти вдвое больше, чем скорость производства постоянного тока.

Латвийская группа исследователей водорода разрабатывает индуктивные импульсные схемы питания для водоэлектролизной ячейки (Vanags et all, 2009, 2011a, 2011b). Исследования выявили несколько существенных отличий от обычного электролиза воды постоянным током. Создана и описана новая модель, а также выдвинута гипотеза о том, что молекула воды может расщепляться на водород и кислород на одном электроде (Vanags et all, 2011a). Найден и объяснен принцип высокоэффективного электролиза.Для электролиза воды разработан новый тип схемы электропитания на основе индуктивного генератора импульсов напряжения. Газы, выделяющиеся в процессе электролиза от электродов, впервые количественно и качественно анализируются с помощью микросенсоров (растворенные газы в растворе электролита рядом с электродом) и масс-спектрометра (выделяющиеся в атмосфере газы). Гипотеза выделения водорода и кислорода на катоде в процессе импульсного электролиза оригинальна, как и интерпретация процесса с механизмами релаксации электронов, эмитированных катодом и сольватированных в электролите (Vanags, 2011b).

2. Обзор литературы

2.1. Краткая история электролиза воды. электролизер в результате перепрыгивания искры в электростатическом генераторе. Образовавшиеся газы вытеснили воду из лейденской банки во время эксперимента, и искра прыгнула в собранную газовую смесь, вызвав взрыв.Исследователи решили, что они разложили воду на водород и кислород в стехиометрической пропорции 2: 1; они опубликовали результаты в 1789 году, который считается годом открытия электролиза воды (Zoulias et all, 2002; De Levie, 1999). За более чем сто лет, в 1902 году во всем мире использовалось более 400 промышленных электролизеров, но в 1939 году была введена в эксплуатацию первая крупная установка для электролиза воды с производительностью по водороду 10000 нм ³ / ч (Zoulias et al. 2002).Электролизеры высокого давления впервые были изготовлены в 1948 году; В 1966 году General Electric построила первую систему электролиза с твердым электролитом, а в 1972 году был построен первый твердооксидный высокотемпературный электролизер. Однако в настоящее время ведется разработка устройств для электролиза наряду с разработкой протонообменной мембраны, которая может использоваться в водных электролизерах и топливных элементах, наряду с разработкой высокотемпературных твердооксидных электролизеров, а также оптимизацией щелочных электролизеров. (Кройтер В. и Хофманн Х (1998).

2.2. Электролиз воды постоянным током

При растворении кислоты в воде (например, серной кислоты) молекулы воды и кислоты диссоциируют на ионы. То же самое происходит, если щелочь (например, КОН) растворяется в воде, раствор диссоциирует на ионы, создавая ионный проводник или электролит. Образован ионный проводник, по которому будет проходить постоянный ток. На электродах происходят процессы в случае серной кислоты — положительные ионы гидроксония H ₃ O ⁺ (катион) перемещаются в сторону отрицательного электрода.Когда катионы достигают электрода, они получают недостающие электроны (Zoulias et all, 2002):

2h4O ++ 2e⇒h3 + 2h3OE1

Водород образуется в виде газа из среды, в свою очередь, вода снова диссоциирует на ионы. Реакция на аноде или положительном электроде в щелочной среде следующая (Zoulias et all, 2002):

2OH −− 2e⇒12O2 + h3OE2

Кислород выделяется в виде газа, но вода снова диссоциирует на ионы. В описанном процессе получают три части объема газообразного вещества — две части водорода и одну часть кислорода.В случае щелочного электролита существуют поляризованные молекулы воды, атомы водорода которых ориентированы к электроду, вблизи катода, и происходит реакция диссоциации:

2h3O + e⇒2OH− + h3E3

Первый закон термодинамики для В открытой системе указано, что:

Q — W _с = ΔHE4

где Q — количество тепла, подаваемого в систему, W _с — количество соответствующей работы, выполненной системой, а ΔH — изменение энтальпии системы. .Проделанная работа — это электричество, затраченное в электролизере, поэтому W _s составляет:

W _s = -nFE E5

где:

n — количество переданных электронов;

F — Постоянная Фарадея: = 23074 кал / вольт ^. г-эквивалент;

E — Электрический потенциал ячейки в вольтах.

Используя уравнение (5), преобразуйте выражение (4), получив:

E = ΔH − QnFE6

В изотермическом обратимом процессе (без потерь) Q составляет:

Q _atg = TΔS E7

, где T — абсолютная температура, а ΔS — изменение энтропии системы.Из (6) и (7) получается значение потенциала обратимой реакции, при котором невозможно разложить воду на водород и кислород в реальном времени:

Erev = ΔH − TΔSnFE8

(ΔH — ΔS) изменение свободной энергии Гиббса ΔG . При нормальной температуре и давлении ((температура 25 ^o C и давление 1 атм) ΔH равно 68320 кал / гмоль и ΔG равно 56 690 кал / гмоль. Следовательно, обратимый потенциал ячейки равен:

Erev = ΔGnF = 56,6902 (23,074) = 1,23VE9

Потенциал, при котором Q равен нулю и подводимая энергия преобразуется в химическую энергию, называется термо-нейтральным напряжением (Oldham and Myland, 1993; Bockris and Potter, 1952):

Ethermo = ΔHnF = 1,48VE10

Напряжение разделения воды в практических электролизерах выше, чем напряжение термо-нейтральной ячейки из-за преобразования в тепло, которое нагревает ячейку.Поэтому для промышленного электролизера требуется дополнительное охлаждение, и значение постоянного напряжения определяется:

E = E _об. + потери (11) E11

, где потери

= E _анод + E _катод + E _mt + IRE12

В уравнении (12) E _анод — активация перенапряжения анода; E _катод — активация перенапряжения катода; E _mt — перенапряжение массообмена и IR — омическое перенапряжение (включает сопротивление в электролите, на электродах, выводах).Плотность тока должна быть выше 100 мА / см. ² в промышленных электролизерах, поэтому напряжение, приложенное к отдельной ячейке, частично преобразуется в тепло, что становится типичной потерей при электролизе воды постоянным током.

Можно записать выражение для коэффициента эффективности электролиза воды, рассчитанного по отношению к термо-нейтральному напряжению, используя приведенные выше соотношения (Bockris and Potter, (1952):

η = ΔHΔG + loss = EthermoEE13

Когда ΔG отрицательный, реакции являются спонтанными, и работа совершается путем высвобождения энергии.Когда ΔG положительный, для реакции должна использоваться внешняя работа. Что касается обеспечения реакции, работа должна вестись, водоэлектролизная ячейка не работает самопроизвольно. Реакция в топливных элементах происходит самопроизвольно из-за катализатора, и во время реакции выделяется энергия (Салем, 2004).

Реакция выделения водорода (HER) — одна из наиболее широко исследуемых реакций в электрохимии. Исследования HER проводятся в системах различного типа и следующие друг за другом процессы разделены (Салем, 2004; Хейровский, 2006; Мерфи, 1983; Бокрис, 1957; Эль-Мелиги, 2009; Сасаки, Мацуда, 1981; Ноэль и Vasu, 1990; Kristalik, 1965): стадия электрохимического разряда Фольмера, стадия электрохимической десорбции Гейровского, стадия каталитической рекомбинации Тафеля.Каждая из стадий может быть стадией ограничения реакции в определенной системе на протяжении всей реакции. Это означает, что каждый шаг может иметь разную скорость реакции, и самый медленный шаг будет определять скорость реакции. Перенос заряда может начаться, когда реагент находится рядом с электродом. Двумя наиболее типичными стадиями являются перенос заряда, заканчивающийся адсорбцией атома водорода, и рекомбинация адсорбированных атомов с последующей десорбцией молекулы H ₂ .

Общее уравнение электрохимической реакции связывает ток с потенциалом (Ноэль и Васу, 1990):

ic = i → −i ← = i0 [exp (−βληFRT) −exp ((1 − β) ληFRT)] E14

β — коэффициент симметрии (0, ½, 1 для процесса без активации, нормального процесса и безбарьерного процесса соответственно).

2.3. Граница раздела между электродом и электролитом: двойной слой

Когда два одинаковых электрода (проводника) погружены в электролит, первоначально между ними нет измеряемого напряжения. Но когда аккумулятор заставляет ток течь от одного стержня к другому, на каждой границе раздела жидкость / твердое тело естественным образом создается разделение зарядов, и образуются два электрохимических конденсатора, соединенных последовательно. Типичные конденсаторы накапливают электрический заряд физически, без химических или фазовых изменений, и этот процесс очень обратим; цикл разряд-заряд может повторяться снова и снова, практически без ограничений.В электрохимическом конденсаторе на границе раздела электрод / электролит сольватированные ионы в электролите притягиваются к поверхности электрода за счет равного, но противоположного заряда в ней. Эти две параллельные области зарядов на границе раздела образуют «двойной слой», где разделение зарядов измеряется в размерах молекул (то есть в несколько ангстрем), а площадь поверхности измеряется в тысячах квадратных метров на грамм электродного материала (Miller and Simon, 2008 г.).

Двухслойные явления и электрокинетические процессы — основные элементы электрохимии.Считается, что поведение интерфейса следует описывать в терминах конденсатора. Следствием подхода «бесплатного заряда» является то, что в случае непрерывного протекания тока через границу раздела следует проводить строгое различие между так называемыми нефарадеевскими токами и токами Фарадея. Первый отвечает за зарядку двухслойного конденсатора, а второй — за поток заряда, связанный с процессами переноса заряда, происходящими на границе раздела (Horányi, Láng, 2006).Состояние границы раздела при постоянном давлении и температуре можно изменить, изменив концентрацию компонентов в объемных фазах, а также построив электрическую цепь с помощью противоэлектрода и пропустив через нее электрический ток, что можно выразить следующим образом: как:

i = i ‘+ i’, E15

Were i ‘- зарядный ток двойного слоя, а i’ ‘- перенос заряда или ток Фарадея. Ток зарядки двойного слоя можно рассматривать как идеальный ток зарядки конденсатора, равный C∂η∂t, где η — перенапряжение, а C — емкость двойного слоя.Переписывая уравнение (15), получаем следующее текущее уравнение:

i = C∂η∂t + i»E16

, которое вызвало много споров. Пол Делахайс писал в 1966 году, что это уравнение позволяет отделить нефарадеевские процессы от процессов Фарадея, но в то же время заключает, что процессы переноса заряда и заряда Фарадея нельзя разделить априори в нестационарных электродных процессах из-за явления разделения заряда или рекомбинации на границе электрод-электролит без протекания внешнего тока.Зарядка идеального поляризованного или обратимого электрода представляет собой только два предельных случая более общего случая (Delahay, 1966). Nisancioglu и Newman (2012) в своей статье, даже не вдаваясь в предположения и основываясь только на уравнении баланса масс, получили следующее текущее уравнение: i = dq / dt + i » и показали, что априорное разделение двухслойной зарядки и процессов Фарадея в электродных реакциях — это массовый баланс компонентов поверхности электрода. Уравнение (1) справедливо, если скоростью изменения концентрации частиц, которые принимают участие в электродной реакции, можно пренебречь на поверхности электрода.

2.4. Разделение воды при импульсном электролизе

Существуют различные способы разделения воды, впервые рассмотренные Бокрисом и всеми (1985), которые резко отличаются от обычного электролиза воды постоянным током. Наиболее распространенными могут быть: термохимическое, сонохимическое, фотокаталитическое, биологическое расщепление воды; расщепление воды под действием магнитного поля и центробежной силы вращения; импульсный электролиз и плазменный электролиз. Что касается импульсного электролиза, Горохчян и Бокрис в 1956 году уже определили, что импульсный электролиз более эффективен, чем обычный электролиз.В 1970-1990 годах появилось много новых патентов на импульсный электролиз (Horvath, 1976; Spirig, 1978; Themu, 1980; Puharich, 1983; Meyer, 1986; Meyer, 1989; Meyer, 1992a, 1992b; Santilli, 2001; Chambers, 2002). заявляя, что изобрели сверхэффективный электролиз (т.е. КПД по току выше 100%). Схема разделения воды, описанная в этих патентах, вызвала огромный интерес, но до сих пор никому не удавалось интерпретировать эти схемы и механизмы их работы, и, что более важно, никому не удалось экспериментально повторить запатентованные устройства.

При прерывистом электролизе на постоянном токе диффузионный слой у электрода можно разделить на две части: одна часть, расположенная на поверхности электрода, характеризуется импульсной концентрацией активных ионов, а другая часть — неподвижная, как диффузионный слой в случае DC. Концентрация активных ионов в пульсирующем диффузионном слое изменяется от определенного начального значения при наложении импульса до следующего значения, когда он истекает. Концентрация активных ионов в импульсе может упасть или не упасть до нуля.Время, необходимое для того, чтобы концентрация активных ионов упала до нуля, называется временем перехода τ. Время перехода зависит от импульсного тока i _p и длительности импульса T . Если обеднение в стационарном диффузионном слое невелико, то есть c ‘ _e ≈c ₀ , было c’ _e — концентрация ионов на внешнем крае импульсного слоя, и c ₀ — объемная концентрация, время перехода можно найти из уравнения Сэнда (Bott, 2000):

τ = πDc02 (zF) 24ip2E17

, где F — постоянная Фарадея, z — число заряда, а D — его коэффициент диффузии.Как видно, время перехода τ зависит от концентрации ионов в объемном объеме c ₀ и плотности импульсного тока i _p . Толщина импульсного слоя δ _p в конце импульса зависит только от плотности импульсного тока:

δp = 2 (DTπ) 1 / 2E18

При очень коротких импульсах можно получить чрезвычайно тонкий пульсирующий слой. Этот тонкий слой позволил бы временно наложить очень высокие плотности тока во время металлизации (более 250 А / см ² , что в 10000 раз выше, чем токи при обычном электролизе), что ускоряет процесс гальваники металла (Ibl et al., 1978).Шероховатая и пористая поверхность образуется при металлизации постоянным током, когда значение тока достигло предела массопереноса. Когда покрытие выполняется импульсным током, пульсирующий диффузионный слой всегда будет намного тоньше, чем шероховатость поверхности, что означает, что в случае достижения предела массопереноса поверхность с покрытием остается однородной и копирует шероховатость подложки. Эта особенность отдает предпочтение импульсному току в процессах нанесения покрытия на металл по сравнению с обычным покрытием постоянного тока, поскольку можно использовать максимально возможную мощность (ток выше предела массопереноса) для получения однородных покрытий в кратчайшие сроки (Ibl et all, 1978).

Импульсный электролиз широко исследуется с использованием различных технологий (Hirato et all, 2003; Kuroda et all, 2007; Chandrasekar et all, 2008). Во всех этих технологиях в основном используются прямоугольные импульсы, которые должны быть активными по своей природе. Shimizu et all (2006) применили индуктивные импульсы напряжения к электролизу воды и показали значительные отличия от обычного электролиза воды постоянным током. Вывод этого исследования состоит в том, что эффективность электролиза воды такого типа не зависит от мощности электролиза, что противоречит общепринятому мнению об электролизе.

Мы изучили индукционный электролиз под напряжением и выдвинули гипотезу о том, что импульсный процесс отделяет геометрическую емкость ячейки и ток заряда двойного слоя от тока электрохимической реакции с переносом заряда (Vanags (2009), Vanags (2011a, 2011b). Чтобы доказать это, мы проведено множество экспериментов, подтверждающих отделение процесса зарядки двух слоев от реакции электрохимического расщепления воды. Нет исследований об использовании реактивного короткого импульса напряжения при электролизе водного раствора; также не используются микроэлектроды для определения присутствия растворенного водорода и кислорода. возле катода в процессе электролиза.

3. Экспериментальная

3.1. Материалы и оборудование

Материалы, инструменты и оборудование, использованные в данной работе, собраны в Таблицах 1 и 2.

3.2. Генератор индуктивных импульсов обратного напряжения

Импульсы индуктивного напряжения генерировались в электрической цепи (рис.1), состоящей из генератора импульсов, источника питания постоянного тока, полевого транзистора BUZ350 и блокирующего диода (Shaaban, 1994; Smimizu et al. , 2006). Специальный широкополосный трансформатор был намотан двояко с помощью двух скрученных вместе проводов.Прямоугольные импульсы от генератора подавались на полевой транзистор, включенный последовательно с источником питания постоянного тока. Коэффициент заполнения импульсов поддерживался постоянным (50%). Для получения индуктивных импульсов обратного напряжения первичная обмотка трансформатора запитывается прямоугольными импульсами малой амплитуды. Во вторичной обмотке (соотношение обмоток 1: 1) из-за коллапса индуцированного в катушке магнитного поля появляется очень резкий индуктивный импульс с большой амплитудой и противоположной полярностью по отношению к приложенному напряжению.Импульс индуцированного обратного напряжения проходит через блокирующий диод, и результирующий высоковольтный импульс длительностью ~ 1 мкс подается на электролитическую ячейку. Двухлучевой осциллограф GWinstek ГРС-2204 был использован для записи напряжения (то есть его падение на эталонном сопротивлении) и ток в цепи.

MOSFET

(IRF840) используется в качестве полупроводникового переключателя между источником питания постоянного тока и цепью заземления. Импульсный трансформатор — соленоидный с бифилярными обмотками; длина 20 см, диаметр катушки 2.3 см и ферритовый стержневой сердечник. Количество витков как в первичной, так и во вторичной обмотке составляет 75, поэтому соотношение составляет 1: 1. Индуктивность соленоида составляет примерно 250 мкГн. Во вторичную цепь включен сверхбыстрый блокирующий диод с временем закрытия 10 нс, чтобы передавать на электролизер только импульсы, наведенные в трансформаторе с противоположной полярностью. Прямые импульсы блокируются диодом.

K ₂ CO ₃

905 ) ₂ CO

9000 н

Ametek

Таблица 1.

Материалы и оборудование, использованные в данной работе.

Состав нержавеющей стали 316L, используемой для электродов (мас.%).

Рисунок 1.

Экспериментальная схема для генерации индуктивных импульсов обратного напряжения.

3.3. Конструкция электролизеров

Эксперименты в этой главе разделены на пять частей. В первой части объясняется скорость выделения газа и определяются коэффициенты эффективности (КПД по току и КПД). Во второй части исследуется кинетика индуктивного импульса напряжения, подаваемого на электролизер, при изменении концентрации электролита и расстояния между электродами.В третьей части описывается применение микродатчиков дыхания для измерения концентрации растворенного газообразного водорода непосредственно на поверхности катода в электролизной ячейке, питаемой индуктивными импульсами напряжения. В четвертом эксперименте изучалась кинетика импульсов индуктивного напряжения в очень разбавленных растворах электролитов. Четвертый эксперимент также заметил интересную особенность в кинетике импульсов тока, поэтому проводится дополнительный эксперимент для измерения концентрации выделяющегося водорода на катоде с помощью кислородного микродатчика.Этому эксперименту посвящен пятый.

Количество выделяющихся газов при электролизе определяли методом объемного вытеснения (рис. 2).

Рисунок 2.

Принципиальная схема определения объема выделившихся газов.

Электролизная ячейка находится в отдельной камере, закрытой герметичной крышкой. К дну электролизной камеры прикреплена изогнутая на 180 градусов стеклянная трубка. Трубка градуирована в единицах объема над уровнем электролита. Газы, возникающие в процессе электролиза, давят на электролит, и уровень в калиброванной трубке увеличивается, что дает примерный объем выделяемых газов.Относительная погрешность 5% в измеренном значении объема по разным причинам; Самая большая погрешность определяется давлением газа, образующегося во время электролиза — выше атмосферного. Газы получают при электролизе из расчета 2/3 объема водорода и 1/3 кислорода. Зная массу водорода, образовавшегося за период т _exp , можно рассчитать заряд, необходимый для производства такого количества, и сравнить его с потребляемой энергией — результатом будет текущая эффективность конкретной электролизной ячейки.Энергоэффективность рассчитывается на основе потребляемой энергии по сравнению с тем, что можно получить при сжигании произведенного количества водорода с наивысшей теплотворной способностью — 140 МДж / кг.

В экспериментах использовалась самодельная ячейка для электролиза воды с подвижным электродом. Он состоит из полиэтиленовой оболочки со встроенным микровинтом с одной стороны. С помощью проволоки из нержавеющей стали микровинт соединяется с подвижным электродом, расположенным перпендикулярно полости электролита (диаметр 40 мм). Неподвижный электрод из нержавеющей стали такой же площади расположен напротив движущегося электрода.В экспериментах использовались пластинчатые электроды из нержавеющей стали SUS316L одинаковой площади (2 см ² ). Перед экспериментами электроды механически полировались и промывались ацетоном и деионизированной водой. В качестве электролита использовался раствор КОН в воде разной концентрации. При каждой концентрации электролита расстояние между электродами изменяли с помощью микровинта с 1 мм до 5 мм. Во время эксперимента была заполнена соответствующая концентрация раствора электролита, и ячейка была подключена к генератору индуктивных импульсов напряжения.При каждой концентрации электролита осциллограммы тока и напряжения снимались при расстоянии между электродами от 1 до 5 мм (шаг 1 мм). Осциллограммы дополнительно анализировались с расчетом потребляемого заряда, энергии импульса, а в некоторых случаях — энергетических факторов.

Для измерения концентрации растворенного водорода на катоде при электролизе использовалась самодельная ячейка (рис. 3). Ячейка состоит из трех камер, связанных ионно-проводящими мостиками.

Рисунок 3.

Трехкамерная электролизная ячейка для измерения концентрации растворенного водорода.

Первая камера предназначена для противоэлектрода из никелевой пластины, вторая — для рабочего электрода — гладких проволок (диаметр 0,5 мм, длина 100 мм) из вольфрама и платины, а третья камера использовалась в качестве электрода сравнения в некоторых конкретных экспериментах. Pt и W электроды перед экспериментами очищали, протравлив их в течение 24 часов в концентрированном растворе щелочи и ополоснув деионизированной водой. Концентрация растворенного водорода определялась с помощью микродатчика дыхания, обычно используемого в биологических экспериментах (Unisense, 2011).Микросенсор водорода Unisense представляет собой миниатюрный датчик водорода типа Кларка с внутренним электродом сравнения и чувствительным анодом. Датчик должен быть подключен к высокочувствительному пикоамперметру, анод которого поляризован относительно внутреннего эталона. Под действием внешнего парциального давления водород из окружающей среды проходит через мембрану наконечника сенсора и окисляется на поверхности платинового анода. Пикоамперметр преобразует полученный ток окисления в сигнал. В наших экспериментах датчик h3100 с диаметром острия 110 мкм располагался как можно ближе к катоду (расстояние <1 мм).Перед экспериментами микросенсор был градуирован по двум точкам - нулевая концентрация H ₂ (газ Ar барботируется через деионизированную воду) и 100% или 816 ммоль / л при 20 ^o C (газ H ₂ барботируется через деионизированную воду. — из руководства пользователя Unisense, 2011). Эксперимент проводился следующим образом: на ячейку подавались отдельные индуктивные импульсы напряжения и регистрировались осциллограммы напряжения и тока. В то же время концентрацию растворенного водорода измеряли с помощью микродатчика.

Рисунок 4.

Ячейка для электролиза воды для измерения концентрации растворенного кислорода.

Кислородный микродатчик (также от Unisence, 2011) использовался для измерения концентрации растворенного водорода вблизи катода во время индукционного импульсного электролиза (рис. 4). Микросенсор кислорода — это датчик типа Кларка, основанный на диффузии кислорода через силиконовую мембрану к катоду, восстанавливающему кислород, который поляризован по сравнению с внутренним анодом Ag / AgCl. Поток электронов от анода к катоду, восстанавливающему кислород, линейно отражает парциальное давление кислорода вокруг наконечника сенсора (диаметр 100 мкм) и находится в диапазоне pA.Сила тока измеряется пикоамперметром. Для генерации коротких индуктивных импульсов напряжения используется та же схема (глава 3.2). Ячейка заполнена деионизированной водой, и генератор установлен в режиме, когда на осциллограммах наблюдается выраженный отрицательный пик тока.

Концентрация кислорода измеряется одновременно с помощью микродатчика, предварительно откалиброванного в деионизированной воде, барботированной кислородом.

Специальная электролизная ячейка была изготовлена ​​для исследования кинетики индукционного импульсного электролиза в разбавленных электролитах (рис. 5).Он был изготовлен из стеклянной чаши с двумя отдельными электрододержателями, снабженными винтами для электродов из проволоки из нержавеющей стали 316L (диаметр 2 мм, длина 100 мм). Стальные электроды перед экспериментами очищали, травили в течение 24 часов в концентрированном растворе щелочи и промывали деионизированной водой вместе со стеклянной чашей электролизной ячейки. Приготовили сильно разбавленный электролит, залив в ячейку 350 мл деионизированной воды и добавив по каплям 5 М электролит из капельницы калиброванного объема (0,05 ± 10% мл).В экспериментах использовались четыре электролита (КОН, NaOH, LiOH, H ₂ SO ₄ ) и измерения регистрировались после каждой капли.

4. Результаты и анализ

4.1. КПД по току и энергии

Средние значения напряжения и тока, а также поток генерируемого газообразного водорода в зависимости от концентраций КОН показаны в таблице 3. Теоретически максимальный ток рассчитывается, зная поток газообразного водорода, исходя из предположения, что 2 электрона генерируют одну молекулу водорода. водород.Используя данные из таблицы 3, коэффициенты эффективности тока и энергии рассчитываются для процесса импульсного электролиза (см. Таблицу 4), исходя из предположения, что первичная и вторичная стороны импульсного трансформатора представляют собой две отдельные системы, которые связаны только средним значением тока, протекающего в клетка.

Таблица 3.

Параметры регистрируемых импульсов напряжения и тока на электролизере.

Это предположение не совсем верно, но приемлемо.Если смотреть со стороны первичной цепи, генератор импульсов представляет собой включенный в его схему реактивный элемент — индукционную катушку (первичная обмотка импульсного трансформатора).

Таблица 4.

Коэффициенты эффективности по току и энергии

При отключении вторичной стороны первичная сторона ничего не потребляет (кроме мощности, которая распределяется на элементы с активными сопротивлениями, включенными в первичную цепь). При подключении вторичной стороны активная амплитуда импульса напряжения 1 В на первичной стороне не может потреблять больше, так как необходимо превышение электролизного перенапряжения — не менее 1,23 В (соотношение обмоток в катушке 1: 1).

Таким образом, средние значения тока в таблице 3 заменены на ток, потребляемый в системе электроснабжения.Значение напряжения считывается с осциллографа путем измерения импульса напряжения на первичной обмотке. Таким образом, исключаются ошибки оборудования, связанные с колебаниями значений напряжения. Затем полученный импульс усредняется по времени, и результирующие значения напряжения показаны во втором столбце таблицы 5.

Следует отметить, что скорректированные коэффициенты энергоэффективности были рассчитаны без какой-либо ссылки на элементы схемы и количество генерируемого потока газа. Как видно из таблицы 4.3. Необходимо определить значения тока и напряжения с помощью осциллографа в рамках схемы этого эксперимента, что исключает импульсные схемы для аналоговых погрешностей измерения.

Таблица 5.

Скорректированные параметры напряжения, тока и КПД.

4.2. Кинетика импульсов при различных концентрациях растворов и межэлектродных расстояниях

На рисунке 6 показаны осциллограммы импульсов напряжения и тока для стальных электродных пластин в 0.1 M раствор КОН, где максимальное значение импульса напряжения составляет примерно 5,5 В при расстоянии между электродами 5 мм и падает примерно до 3 В при расстоянии между электродами 1 мм. В 0,3 М растворе КОН (кривые аналогичны 0,1 М раствору) максимальное значение импульса напряжения составляет 3,5 В при расстоянии между электродами 5 мм и снижается до 2,6 В при уменьшении расстояния между электродами до 1 мм. В еще более концентрированном растворе, например, 0,5 М КОН, максимальное значение импульса напряжения на расстоянии между электродами 5 мм составляет примерно 2.9 В, а когда расстояние между электродами составляет 1 мм, оно падает до 2,4 В. Пиковое значение тока существенно не меняется в зависимости от расстояния между электродами или концентрации, но наблюдаются изменения в длине хвоста разряда, что свидетельствует о более высоком заряде в электролизер течет в более концентрированном растворе электролита.

Рисунок 6.

Импульсы тока и напряжения, зарегистрированные осциллографом в 0,1 М КОН.

Если посмотреть на схему генерации импульсов в разделе экспериментального метода (рис. 1), становится ясно, что высоковольтный импульс, генерируемый в трансформаторе, имеет реактивную природу.Амплитуда реактивного импульса будет зависеть от добротности емкостного элемента. Конденсатор с большой утечкой (концентрированный раствор электролита) не сможет удерживать реактивный импульс большой амплитуды, хотя на предыдущих рисунках показано, что амплитуда тех, которые достигаются во вторичной цепи на электролизере, больше, чем у прямого амплитуда импульса. Это означает, что в первый момент подачи короткого индуктивного импульса ячейка для электролиза воды ведет себя как хороший конденсатор, даже в той области напряжения, в которой может происходить электролиз воды.Но после запуска хвоста разряда энергия, запасенная в емкости, превращается в химическую энергию в процессе электролиза воды.

4.3. Концентрация растворенного водорода на катоде

Импульсы тока и напряжения, зарегистрированные осциллографом (рис.7), показывают, что при изменении материала электрода, нарастающего фронта и релаксации импульсов напряжения не изменяется, а амплитуда импульса напряжения уменьшается с увеличением амплитуды импульса тока. при увеличении концентрации раствора.Импульсы тока также не различаются на платиновом и вольфрамовом электродах при одинаковой концентрации растворов КОН (рис. 7). Для оценки энергии импульса, подаваемой в ячейку, значения импульсного напряжения и тока были умножены, и полученные кривые были интегрированы со временем (таблица 6). Каждая строка в Таблице 6 показывает материал электрода и концентрацию раствора, а в следующем столбце — расчетную энергию, подводимую к системе во время импульса.

На рис. 8 представлены осциллограммы напряжения и тока каждого электрода в одной временной шкале, чтобы лучше оценить угол сдвига фаз между током и напряжением.Заметно существенных различий между углами сдвига фаз в зависимости от материала электродов не наблюдается.

Рисунок 7.

Осциллограммы импульсов тока и напряжения Pt- и W-электродов (Pt — черный и синий, W — зеленый и красный соответственно).

Таблица 6.

Энергия, подаваемая в элемент во время импульса, рассчитывается по напряжению и току осциллограммы.

Рисунок 8.

Осциллограммы импульсов тока и напряжения Pt- и W-электродов в 0,1 М и 0,2 М KOH

В каждом эксперименте с микродатчиками для измерения концентрации растворенного водорода время измерения составляло 100 с (кривые на рис.9). Как видно, кривые с наибольшим наклоном представляют собой электролит с большей концентрацией и вольфрамовый электрод, а не платиновый.

Рисунок 9.

Изменение концентрации растворенного газообразного водорода во время импульсного электролиза.

Это означает, что на вольфрамовых электродах концентрация растворенного водорода увеличивается быстрее, чем на платиновых электродах. Как видно из катодной области вольтамперных кривых (рис. 10), для платинового электрода характерный пик адсорбции / поглощения водорода при отрицательных токах появляется при потенциале -0.5 В, но не для вольфрамового электрода.

Рис. 10.

Вольтамперные характеристики платиновых и вольфрамовых электродов в 0,1 М растворе КОН, измеренные в двухэлектродной конфигурации при скорости сканирования 10 мВ / с.

Энергия импульса индуктивных импульсов обратного напряжения ограничена. Напряжение и ток во время импульса реагируют таким образом, что их умножение и следующее интегрирование по времени будут равны при той же концентрации электролита без привязки к материалу используемых электродов.Энергия импульса уменьшается при увеличении концентрации раствора, что свидетельствует об уменьшении компонента реактивной энергии. Следовательно, можно наблюдать, что угол сдвига фаз между током и напряжением меньше в более концентрированном растворе. Поскольку энергия импульса индуктивного напряжения ограничена, на платиновом электроде она расходуется в области адсорбции, тем самым структурируя монослой адсорбции водорода на платиновом электроде. Нет пика адсорбции / поглощения водорода для вольфрамового электрода и во время очень короткого импульса напряжения электроны от

Активность: Электролиз воды | Маноа.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Платный

Руководство для учителя

M2U1-Руководство для учителя электролиза

Материалы

• Очки защитные

• Две пипетки для переноса со стержнем шириной 1 мл

• Одна градуированная пипетка на 1 мл

• Ножницы

• Линейка

• Графитовый стержень 0,7 мм

• Один штифт

• Один маленький бумажный или пластиковый стаканчик

• Пищевая сода

• Вода дистиллированная

• Аккумулятор 9 В

• Два зажима типа «крокодил»

• Перманентный маркер

Процедура

Примечание по безопасности. При проведении эксперимента не допускайте намокания батареи.Соблюдайте другие соответствующие меры безопасности и будьте осторожны.

1. Обрежьте чашку так, чтобы она была высотой примерно 3 см.
2. Обрежьте каждый стержень пипетки Beral на 2 см ниже колбы. Каждая вырезанная пипетка должна быть одинаковой высоты.
3. Разломайте графитовую палочку так, чтобы у вас было как минимум две части длиной около 1,5 см.
4. Вставьте стержень в одну сторону каждой груши для пипеток примерно на 1/3 от штока вверх по груше (рис.1.9).
   

   1. Сделайте отверстие в гладкой части луковицы, а не в шве.

   2. Осторожно вставьте по кусочку графита в каждое отверстие. Если отверстие недостаточно велико, возможно, вам придется пошевелить штифтом в отверстии, чтобы сделать его больше.

5. Сделайте насыщенный раствор пищевой соды, смешав пищевую соду с дистиллированной водой до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Налейте раствор пищевой соды в маленькую чашку примерно на 1/3.
6. Полностью заполните вырезанные пипетки раствором пищевой соды.
   

   1. Используйте градуированную пипетку, чтобы заполнить отрезанные пипетки водой.

   2. При заполнении груши для дозаторов не сжимайте область груши с графитом, иначе графит может сломаться.

7. Поместите шток пипетки в оставшийся раствор в маленькой чашке. Убедитесь, что отверстия стержня пипетки полностью погружены в раствор (рис.1.9).
8. Прикрепите зажимы типа «крокодил» к графитовым электродам, соблюдая осторожность, чтобы не повредить графит.
9. Прикрепите зажимы типа «крокодил» к батарее, по одному зажиму на каждую клемму.
10. Понаблюдайте за системой, пока вы позволяете ей работать. Имейте в виду следующие вопросы:
    
    1. Какой электрод на аккумуляторе каждый подключен к какому электроду на аппарате для электролиза?
    2. Что происходит на каждом электроде?
11. По окончании работы системы отметьте уровень жидкости в каждой пипетке несмываемым маркером (рис.1.10).
    
    1. Для этого можно вытащить пипетки из чашки, но будьте осторожны, чтобы не сдавить их и не перемешать.
    2. Сделайте на каждой пипетке вторую отметку там, где колба перестанет изгибаться и станет прямой.
    3. Измерьте расстояние между каждой меткой на каждой пипетке и запишите результаты.
12. Сравните свои результаты с результатами остальных учеников вашего класса. Получите средний класс как для груши пипетки с большим количеством газа, так и для груши пипетки с меньшим количеством газа.

Электролиз | Гидрогеника

Вода + Электричество = Водород

Способность водорода соединяться с кислородом была впервые отмечена Генри Кавендишем в 1766 году. Первый электролизер впоследствии появился в 1800 году, когда Николсон и Карлайл навели статический заряд в воду. Спустя более 200 лет Hydrogenics продолжает развиваться и совершенствовать эти фундаментальные открытия.

Электролизные ячейки различаются по типу электролита.Существует два типа низкотемпературного электролиза, в которых активна гидрогенизация: щелочной и протонообменная мембрана (PEM).

Благодаря десятилетиям исследований и разработок в обеих технологиях, Hydrogenics имеет уникальную возможность предлагать PEM и щелочные системы и выбирать наиболее подходящую из них, исходя из стоимости, мощности и использования.

Обе технологии Alkaline и PEM могут обеспечивать:

• На месте и по запросу водород (с учетом нагрузки)
• Водород под давлением без компрессора
• 99.999% чистый, сухой и не содержащий углерода водород

_{Катодная реакция: 4h3O + 4e- → 4OH⁻ + 2h3 ↑
Анодная реакция: 4OH⁻ → 2h3O + 4e- + O2 ↑
Общая реакция: 2h3O → 2h3 ↑ + O2 ↑}

В щелочном электролизе реакция происходит в растворе, состоящем из воды и жидкого электролита (30% КОН) между двумя электродами. Когда между двумя электродами приложено достаточное напряжение, молекулы воды у катода забирают электроны, образуя ионы OH и молекулу H ₂ .Ионы OH⁻ проходят через 30% -ный электролит KOH к аноду, где они объединяются и отдают свои лишние электроны, образуя воду, электроны и O ₂ .

На этом этапе рекомбинации водорода и кислорода можно избежать с помощью высокоэффективной запатентованной ионообменной мембраны IMET ^® . Наша мембрана IMET ^® изготовлена ​​из высокопрочных неорганических материалов и не содержит асбеста. Электролит остается в системе благодаря продуманной замкнутой системе рециркуляции без насоса.

Электролизеры

Hydrogenics ‘ HySTAT ^® установлены на сотнях промышленных предприятий, электростанций, хранилищ энергии и заправочных станций по всему миру. Это безопасные и надежные системы, используемые всеми основными поставщиками промышленного газа в тяжелых условиях.

_{Анодная реакция: 2h3O → 4H + + 4e- + O2 ↑
Катодная реакция: 4H + + 4e- → 2h3 ↑
Общая реакция: 2h3O → 2h3 ↑ + O2 ↑}

В электролизере PEM используется твердый полимер с ионной проводимостью.Когда между двумя электродами прикладывается разность потенциалов (напряжение), отрицательно заряженный кислород в молекулах воды отдает свой электрон на аноде, образуя протоны, электроны и O ₂ на аноде. Ионы H + проходят через протонпроводящий полимер к катоду, где они захватывают электрон и становятся нейтральными атомами H, которые объединяются, образуя H ₂ на катоде. Электролит и два электрода зажаты между двумя биполярными пластинами. Роль биполярной пластины заключается в транспортировке воды к пластинам, транспортировке продуктовых газов от ячейки, проведении электричества и циркуляции охлаждающей жидкости для охлаждения процесса.

Как и топливные элементы, многие отдельные элементы электролизера могут быть соединены последовательно, чтобы образовать основной компонент системы электролизера, батарею элементов, в которой производятся и водород, и кислород.

Некоторое охлаждение потребуется для охлаждения технологического и производимого газа, будет установлена ​​система очистки воды для производства деминерализованной воды из подаваемой водопроводной воды, система очистки будет очищать водород для доставки газа высокой чистоты в соответствии с требованиями заказчика. Спецификации, будет установлена ​​силовая стойка для управления мощностью, необходимой для реакции (преобразование переменного тока, подаваемого сетью, в постоянный ток, используемый для процесса), а панель управления позволит оператору иметь обзор всего пакета .Все это грамотно подобранное и специально изготовленное оборудование будет затем либо установлено в здании, либо упаковано в наружный корпус

Электролиз йодида натрия и воды

Этот неофициальный эксперимент представляет собой электролиз йодида натрия и воды. Рекомендуется проверить, течет ли ток через карандаши, так как грифель карандаша может сломаться. Если у вас есть доступ к графитовым стержням, их можно использовать вместо них. Во второй части эксперимента должно наблюдаться очевидное изменение цвета, когда фенолфталеин и \ (\ text {NaOH} \) смешиваются на катоде.

Если у вас есть доступ в лабораторию, вы должны работать с концентрированной сильной кислотой. Концентрированные сильные кислоты могут вызвать серьезные ожоги. Напоминаем, что при работе со всеми химическими веществами, особенно с концентрированными кислотами, необходимо соблюдать осторожность и носить соответствующее защитное снаряжение. Средства защиты включают перчатки, защитные очки и защитную одежду.

Дополнительный эксперимент: электролиз йодида натрия и воды

Цель

Изучить электролиз воды и йодида натрия.{-3} $} \) раствор серной кислоты (\ (\ text {H} _ {2} \ text {SO} _ {4} \))

Метод

1. Обозначьте один стакан 1 и наполовину заполнить его дистиллированным \ (\ text {H} _ {2} \ text {O} \).

2. Заточите оба конца двух карандашей. Удалите часть дерева, чтобы обнажить больше графита. (Графитовые стержни можно использовать вместо карандашей, если они есть).

3. Присоедините один конец зажимов крокодила к карандашам, а другой конец к батарее.{3} $} \) раствора \ (\ text {H} _ {2} \ text {SO} _ {4} \) в стакан. Наблюдайте, что происходит.

4. Обозначьте второй стакан 2 и добавьте в стакан \ (\ text {5} \) кончики шпателя \ (\ text {NaI} \).

5. Наполните химический стакан наполовину \ (\ text {2} \) дистиллированным \ (\ text {H} _ {2} \ text {O} \) и перемешайте стеклянной палочкой, пока весь йодид натрия не растворится.

6. Повторите шаги \ (\ text {2} \) — \ (\ text {4} \) со вторым набором карандашей.

7. Через несколько минут добавьте \ (\ text {3} \) — \ (\ text {4} \) капли фенолфталеина в стакан. Наблюдайте, что происходит.

Вопросы

• В стакане 1 :

  1. Что произошло, когда карандаши впервые были опущены в воду?

  2. Что произошло, когда в стакан добавили серную кислоту?

  3. Почему серная кислота необходима в этой реакции?

  4. Что происходит с отрицательным электродом (карандаш, прикрепленный к отрицательной клемме аккумулятора)?

  5. Что происходит с положительным электродом (карандаш, прикрепленный к положительной клемме аккумулятора)?

  6. Какой электрод является анодом, а какой катодом?

• В стакане 2 :

  1. Что произошло, когда карандаши впервые были опущены в воду?

  2. Что происходит на отрицательном электроде?

  3. Что происходит на положительном электроде?

  4. Какой электрод является анодом, а какой катодом?

  5. Что произошло, когда вы добавили фенолфталеин? Почему произошла смена?

Результаты

• При электролизе воды два иона \ (\ text {H} ^ {+} \) каждый приобретают электрон (восстанавливаются) и объединяются с образованием газообразного водорода (\ (\ text {H} _ {2} (\ text {g}) \)):

  \ (2 \ text {H} ^ {+} (\ text {aq}) + 2 \ text {e} ^ {-} \) \ (\ to \) \ (\ text {H} _ {2} (\ text {g}) \)

  Два \ (\ text {O} ^ {2 -} \) иона теряют по два электрона каждый (окисляются) и объединяются с образованием газообразного кислорода (\ (\ text {O} _ {2} (\ text {g}) \)):

  \ (2 \ text {O} ^ {2 -} (\ text {aq}) \) \ (\ to \) \ (\ text {O} _ {2} (\ text {g}) + 4 \ text {e} ^ {-} \)

• Когда положительные ионы \ (\ text {H} ^ {+} \) сталкиваются с отрицательным электродом, и они восстанавливаются. {-} \) ионы.{-} \) \ (\ to \) \ (\ text {Na} (\ text {s}) \)

  \ (\ text {Na} (\ text {s}) \) очень реагирует с водой :

  \ (2 \ text {Na} (\ text {s}) + 2 \ text {H} _ {2} \ text {O} (\ text {l}) \) \ (\ to \) \ (2 \ text {NaOH} (\ text {aq}) + \ text {H} _ {2} (\ text {g}) \).

• Помните, что фенолфталеин становится розовым в присутствии основания. Поэтому, когда добавляется фенолфталеин, вода вокруг отрицательного электрода должна стать розовой из-за \ (\ text {NaOH} \).

Заключение

Подача электрического тока на воду расщепляет молекулы воды и вызывает образование газообразного водорода и кислорода.Это может произойти только в присутствии электролита (например, серной кислоты). Растворенный в воде йодид натрия также является электролитом и обеспечивает электролиз воды. Однако катион и анион соли также будут вступать в реакцию. \ (\ text {NaOH} \) образуется на катоде, а твердый йод образуется на аноде.

[Авторские права и лицензии]

Frontiers | Электролиз углекислого газа и воды с использованием новых щелочно-стабильных анионных мембран

Введение

За последнее десятилетие все больший интерес был направлен на использование углекислого газа при производстве жидкого топлива и химикатов в качестве средства для создания устойчивой, углеродно-нейтральной экономики.Эффективное производство энергоемких продуктов на основе углерода из уловленного и антропогенного CO ₂ с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, ветер, атомная энергия и гидроэлектроэнергия, обеспечивает основу для поиска экологически безопасного химического сырья, не получаемого из ископаемого топлива ( Halmann, 1993; Aresta, Dibenedetto, 2007; Aresta, 2010; Whipple, Kenis, 2010; Quadrelli et al., 2011; Sankaranarayanan, Srinivasan, 2012; Hu et al., 2013; Masel et al., 2014a, 2016a; Aresta и другие., 2016).

Эффективное производство окиси углерода (CO) из CO ₂ — одно из ключевых направлений в производстве экологически безопасного химического сырья. Это промышленно ценный химикат, который обычно производится из метана с образованием различных соотношений CO и водорода в смеси, называемого синтез-газом. Синтез-газ используется в производстве топлива, такого как дизельное топливо и бензин, а также других химикатов с помощью химии Фишера-Тропша (F-T) с использованием выбранных катализаторов и рабочих условий (Appel, 2013; Costentin et al., 2014; Masel et al., 2014a, 2016a; Лю и др., 2015).

Производство водорода из возобновляемых источников — еще одна важная область применения возобновляемых источников энергии. Водород используется во многих промышленных процессах и является составной частью концепции «водородной экономики». Это способ хранения и выработки возобновляемой энергии, которую можно использовать в качестве топлива для автомобилей и других приложений (Ursua et al., 2012; Министерство энергетики США (DOE), 2018).

Новые мембраны для щелочно-стабильных анионов

Dioxide Materials (DM) разработала группу новых мембран, функционализированных имидазолом, использующих основную цепь на основе полистирола, которые удивительно стабильны в сильных щелочных растворах (Masel et al., 2017а, б, в). Эти мембраны теперь доступны исследователям для разработки других технологических приложений. Подробная информация об этих мембранах представлена ​​в следующих разделах.

Sustainion ^® Описание преполимерной и анионной мембраны

Анионообменные мембраны Sustanion ^® основаны на дешевом и распространенном, но, что более важно, щелочно-стабильном полистирольном каркасе. Синтез полимера и последующее изготовление мембраны подробно описаны в нескольких прошлых публикациях (Masel et al., 2016b, 2017d; Куц и др., 2017; Лю и др., 2017а; Sajjad et al., 2017). Синтез включает двухэтапный процесс (рис. 1) сополимеризации с последующей функционализацией. Мембрана может быть отлита как пленка или как армированная мембрана с использованием различных армирующих материалов. Хлоридную форму мембраны затем обычно превращают в гидроксидную форму с использованием КОН.

Рисунок 1 . Синтетический путь преполимера при изготовлении анионообменных мембран Sustainion ^® .

Вкратце, сополимер стирола и винилбензилхлорида получают путем свободнорадикальной аддитивной полимеризации. Затем сополимерный продукт промывают и осаждают этанолом. Затем его фильтруют, сушат и затем функционализируют 1,2,4,5-тетраметилимидазолом в растворителе Dowanol ^® PM (1-метокси-2-пропанол). Дивинилбензол также добавляют в качестве сшивающего агента, чтобы улучшить прочность мембраны. Затем литая мембрана активируется в течение 8–16 часов в 1М растворе гидроксида калия для преобразования в форму гидроксида.

Расширение производства мембран

Синтетический способ получения иономера, показанный на рисунке 1, был увеличен до объемов реактора промышленного размера и перенесен на пилотную установку для нанесения покрытий промышленного размера для производства мембран. Производственный цикл мембраны обычно производит от нескольких сотен до тысячи футов мембраны шириной около 24 см. Окончательная ширина и общая длина мембраны могут быть изменены в соответствии с требованиями заказчика.

Свойства анионной мембраны

Анионообменные мембраны обычно поставляются в сухой хлоридной форме, нанесенной на полиэтилентерефталатную (ПЭТ) подкладку.Следовательно, их нужно преобразовать в форму гидроксида, подвергая их воздействию сильного основания. DM рекомендует вымачивать мембрану в большой ванне с 1М КОН на 24–48 часов, чтобы преобразовать хлоридную форму мембраны в гидроксидную форму. Эта активация также помогает укрепить мембрану за счет сшивания с КОН, как было выявлено в недавнем исследовании ядерной магнитной спектроскопии (ЯМР) (Pellerite et al., 2017). Кроме того, во время этого процесса мембрана набухает и отделяется от полиэтиленовой пленки, которую выбрасывают.

Мембрана имеет ионообменную емкость (IEC) ~ 1,1 ммоль / г, рассчитанную с помощью стандартной методики обратного титрования (Vengatesan et al., 2015). Еще более впечатляющим является удельное сопротивление поверхности (ASR) мембраны. Таблица 1 показывает, что измеренное нормированное сопротивление для Sustanion ^® 37–50 в тех же щелочных условиях более чем на порядок ниже, чем у других коммерчески доступных мембран. Анионообменная мембрана показала отличные рабочие характеристики при работе с несколькими ячейками в течение 1 000–3 000 часов и более при электрохимическом испытании ячейки в широком диапазоне pH, что подтверждается опубликованными экспериментальными данными по электролизеру диоксида углерода и щелочной воды (Masel et al., 2016b; Куц и др., 2017; Лю и др., 2017а, б; Sajjad et al., 2017). Некоторые из последних результатов освещены в следующих разделах этой статьи.

Таблица 1 . Измерения удельного поверхностного сопротивления (ASR) Sustanion ^® 37-50 и других промышленных ионообменных мембран в 1M KOH при 60 ° C.

Анионообменные мембраны Sustainion ^® претерпевают умеренное набухание, около 5% в поперечном направлении и около 50% по толщине во время преобразования в форму гидроксида с использованием 1M КОН.Это набухание мембраны или высокое поглощение воды (~ 80%) объясняет низкие значения измерения удельного сопротивления (ASR) (т.е.высокой ионной проводимости), поскольку водопоглощение кажется важным механизмом переноса гидроксид-ионов. Признавая потребность в более стабильных по размерам и прочных мембранах, DM теперь также производит более прочные усиленные версии анионообменных мембран Sustanion ^® , подходящие для использования в более крупных электролизерах и более требовательных электрохимических применениях.Армирующая опора делает эти мембраны более прочными как во влажном, так и в сухом состоянии.

Электрохимическое превращение CO ₂ в муравьиную кислоту

В течение последних 30 лет многочисленные исследователи изучали эффективность различных катализаторов при электрохимическом восстановлении конверсии CO ₂ в формиат / муравьиную кислоту. В различных статьях представлены превосходные сводные обзоры предыдущих экспериментальных работ (Jitaru, 2007; Rosen et al., 2011; Lu et al., 2014; Qiao et al., 2014; Плетчер, 2015; Du, 2017) и здесь не будет описываться. Совсем недавно ряд исследователей пошли еще дальше, проведя исследования и представив отчеты о них, предоставив данные об эффективности полного электрохимического преобразования клеток CO ₂ при получении формиата / муравьиной кислоты (Mahmood et al., 1987; Li and Oloman, 2005, 2006, 2007; Oloman, Li, 2008; Whipple et al., 2010; Agarwal et al., 2011; Alvarez-Guerra et al., 2012, 2014; Kopljar ​​et al., 2014; White et al., 2014; Du et al, 2016; Sen et al., 2016).

DM удалось успешно производить высокие концентрации чистой муравьиной кислоты непосредственно в электрохимической ячейке в результате электрохимического восстановления CO ₂ (Kaczur et al., 2017; Yang et al., 2017a, b). Это снижает потребность в кислотном превращении продуктов на основе солей формиата щелочного металла (например, формиата калия), которые обычно производятся с использованием этих альтернативных электрохимических ячеек и конфигураций процесса.

Конструкция ячейки с муравьиной кислотой (FA)

Конфигурация электрохимического элемента с муравьиной кислотой DM основана на конструкции с тремя отсеками, состоящими из анодного отсека, центрального проточного отсека, содержащего катионо-ионообменную среду, где продукт муравьиной кислоты собирается и удаляется из электролизера, и катодного отсека, где происходит электрохимическое восстановление CO ₂ до формиат-ионов (Kaczur et al., 2017; Ян и др., 2017а, б).

Общая конфигурация электрохимического элемента с муравьиной кислотой показана на рисунке 2A. В анодном отсеке используется титановый анод с покрытием из MMO (смешанный оксид металлов), где деионизированная вода подвергается электролизу с образованием ионов кислорода и водорода (H ⁺ ). Катионообменная мембрана, примыкающая к анодному отсеку, используется для блокирования транспорта формиат-анионов к аноду, где он окисляется до CO ₂ . Образующиеся ионы водорода проходят через катионообменную мембрану в центральную проточную камеру.Катионная мембрана предпочтительной конструкции представляет собой мембрану типа перфторированной сульфоновой кислоты, которая одновременно устойчива к окислению и эффективна в блокировании транспорта анионов формиата. В анолите используется деионизированный водный анолит, поскольку анод-мембрана имеет контактное устройство без зазора.

Рисунок 2 . Конструктивная конфигурация электрохимического трехкамерного элемента с муравьиной кислотой показана в (A) . Экспериментальная операционная система с муравьиной кислотой и сводная информация о производительности показаны в (B) .

В катодном отсеке CO ₂ эффективно восстанавливается при низких перенапряжениях для образования с использованием комбинации наночастиц олова и иономерного катализатора на основе имидазола в структуре углеродного GDE (газодиффузионного электрода). Образующиеся формиат-ионы, а также образующиеся гидроксид- и бикарбонат / карбонат-ионы затем проходят через прилегающую анионообменную мембрану Sustainion ^® в центральную проточную камеру.

В центральном отсеке потока используется катионо-ионообменная среда для обеспечения проводимости раствора, необходимой для продукта муравьиной кислоты, который образуется в отсеке.Формиат-ионы, образующиеся в катодном отсеке, проходят через прилегающую анионную мембрану Sustainion ^® и объединяются с ионами водорода, переносящимися через катионообменную мембрану из анодного отсека, с образованием чистого продукта муравьиной кислоты. Деионизированная вода, дозированная в центральную проточную камеру, используется для сбора и удаления муравьиной кислоты из камеры. Концентрация муравьиной кислоты зависит от скорости потока воды, поступающей в центральную проточную камеру, и тока рабочей ячейки, образуя конечный продукт из муравьиной кислоты в концентрациях, которые могут находиться в диапазоне от 2 до 30 мас.%, И при высокой эффективности по Фарадею от 85 до 95%.Любые гидроксид-ионы, попадающие в центральное проточное отделение, реагируют с ионами водорода с образованием воды, а любой перенос бикарбонатных / карбонатных ионов будет реагировать с ионами водорода с образованием CO ₂ , выходящего с продуктом муравьиной кислоты в виде газообразного CO ₂ . Катионо-ионообменная среда, используемая в конструкции, гранулы водородной катионообменной смолы Amberlite ^® IR120, обеспечивает улучшенную ионную проводимость в центральном проточном отсеке, поскольку растворы муравьиной кислоты имеют значительно более низкую проводимость.Катионообменная среда обеспечивала более низкое рабочее напряжение ячейки (Yang et al., 2017a).

Экспериментальная операционная система с муравьиной кислотой

На рис. 2В показана схема экспериментальной операционной системы элемента с муравьиной кислотой, а также краткое описание рабочих характеристик элемента. Ячейка вырабатывала концентрацию муравьиной кислоты от 5 до 30% в зависимости от скорости потока деионизированной воды, подаваемой в центральное отделение за один проход. Диапазон рабочих плотностей тока ячейки FA составляет от 140 до 200 мА · см ⁻² при соответствующих напряжениях ячейки 3.5 и 4,0 вольт, работающие при комнатной температуре. Эффективность клеток по Фарадею колебалась от 80 до 95% при использовании катионообменной мембраны Nafion ^® 324 и анионообменной мембраны Sustainion ^® 37-50 в конфигурации ячейки (Yang et al., 2017a).

Клеточная химия с муравьиной кислотой

Ячейка с муравьиной кислотой (FA) имеет сложный набор реакций, которые происходят на аноде, катоде GDE и центральном проточном отсеке, который ограничен катионообменной мембраной на анодной стороне и анионообменной мембраной на катодной стороне. .На рисунке 3 показаны предлагаемые основные и вторичные реакции, а также перенос ионов, которые могут происходить во время работы ячейки.

Рисунок 3 . Конфигурация ячейки DM с 3 отсеками для муравьиной кислоты, демонстрирующая предполагаемые реакции и перенос ионов

Основные реакции клетки с муравьиной кислотой

Электрохимическое восстановление CO ₂ происходит в присутствии воды на катоде с образованием формиатных (HCOO ^— ) и гидроксидных (OH ^— ) ионов:

CO2 + h3O + 2e− → HCOO− + OH− (1)

Одновременно на аноде происходит окисление воды с образованием газообразного кислорода и ионов водорода (H ⁺ ).Ионы водорода на самом деле являются катионами гидроксония или оксония (H ₃ O ⁺ ) в водных растворах, и в этой статье мы используем H ⁺ в качестве заменителя ионов гидроксония.

2h3O → 4H ++ 4e− + O2 (2)

И формиат-ионы, и ионы гидроксида мигрируют через анионообменную мембрану в центральную проточную камеру, где они объединяются с ионами водорода, образующимися в анодном отсеке, проходя через катионную мембрану, с образованием воды и муравьиной кислоты следующим образом:

H ++ OH− → h3O (3)
H ++ HCOO− → HCOOH (4)

Боковые реакции с муравьиной кислотой

Побочные реакции, которые могут происходить на катоде и католите, следующие:

CO2 + h3O + 2e− → CO + 2OH− (5)
2h3O + 2e− → h3 + 2OH− (6)
CO2 + OH− → HCO3− (7)

Анионы бикарбоната (HCO3-), образующиеся в катодном слое, мигрируют через анионообменную мембрану в центральную проточную камеру, реагируя с ионами водорода, поступающими в центральную проточную камеру из анодной камеры через прилегающую катионную мембрану с образованием CO ₂ :

H ++ HCO3− → CO2 + h3O (8)

Муравьиная кислота будет потеряна, если она пройдет через катионную мембрану в анолитный отсек, а затем окислится на аноде до CO ₂ :

HCOOH → CO2 + 2H ++ 2e− (9)

Эффективность клеток с муравьиной кислотой

Ссылка

(Ян и др., 2017a) предоставляет подробную информацию о производительности трехкомпонентной ячейки с муравьиной кислотой. На рисунке 4 показаны рабочие характеристики ячейки с 3 отсеками для муравьиной кислоты ² размером 5 см, имеющей конфигурацию ячейки с использованием анода из спеченного титана с покрытием IrO ₂ в поле потока титана, катионной мембраны Nafion ^® 324 и Sustanion ^® 37–50 анионообменная мембрана, работающая при плотности тока 140 мА / см ² . В таблице 2 представлена ​​подробная информация о конфигурации ячейки.Ячейка проработала около 142 ч, давая концентрацию продукта муравьиной кислоты, увеличивающуюся с 8,1 до 9,4% мас., И работала с КПД по Фарадею 80% в начале и при 94% ближе к концу цикла, пока не стало отключение для проверки. Никакого износа компонентов анода / катода ячейки не отмечалось. Ключом к достижению высокой фарадеевской эффективности FA было использование катионной мембраны Nafion ^® 324, которая минимизировала перенос ионов формиата / муравьиной кислоты в анолитный отсек.

Рисунок 4 . Рабочие характеристики ячейки с муравьиной кислотой для конфигурации ячейки, приведенной в таблице 2, с использованием покрытого катализатором анода из титанового спеченного волокна IrO ₂ , катионной мембраны Nafion ^® 324 и анионообменной мембраны Sustanion ^® 37-50.

Таблица 2 . Ячейка с муравьиной кислотой 142 ч, конфигурация электролизера с увеличенным временем работы.

Расчетная проектная потребляемая мощность элемента с муравьиной кислотой находится в диапазоне 4.3–4,7 кВтч / кг ТВС постоянного тока при этих условиях эксплуатации. Это соответствует эксплуатационным расходам на электроэнергию в размере 214–232 доллара на тонну ТВС при стоимости электроэнергии 0,05 доллара / кВтч.

Масштабирование будущего и применение продуктов с муравьиной кислотой

Мировой рынок муравьиной кислоты и пути коммерческого химического производства, а также некоторые области применения продуктов показаны на Рисунке 5A.

Рисунок 5 . Мировой рынок муравьиной кислоты (2013 г.), показывающий текущий химический коммерческий процесс путем карбонилирования метанола, и некоторые новые области применения ЖК показаны в (A) .Устойчивый способ получения муравьиной кислоты с использованием возобновляемых источников энергии и производства продуктов в различных категориях продуктов показан в (B) .

Устойчивый способ производства муравьиной кислоты из возобновляемых источников энергии показан на Рисунке 5B. Различные области применения продуктов FA включают силос / продукты питания, химикаты, накопление энергии и топливо. Использование муравьиной кислоты в качестве сырья в биологических реакторах, заменяющее сахара и / или сельскохозяйственное зерно, является еще одним многообещающим источником сырья.

DM в настоящее время работает с промышленными партнерами над расширением электрохимической технологии муравьиной кислоты.

Электрохимический CO ₂ Электролиз: преобразование CO ₂ в CO

За последние 20 лет интерес к разработке технологических методов превращения CO ₂ в коммерчески полезный и ценный продукт, такой как CO, возрос.