Принцип электролиза воды. Электролизер своими руками для отопления дома

При котором жидкость или, иначе говоря, электролит, распадается на положительные и отрицательные ионы. Происходит это под воздействием электрического тока. Каким же образом протекает данный процесс?

Электролиз воды происходит из-за того, что электрический ток, проходя через электролит, вызывает реакцию на электродах, на которых и оседают положительные и отрицательные ионы. На отрицательно заряженном электроде (катоде) оседают катионы, соответственно, на положительном (аноде) - анионы. Электролит может состоять из воды, в которую добавлена кислота или же представляет собой раствор солей. Распад солей на металл и кислотный остаток возникает после того, как через электролит пропускается электрический ток. Заряженный положительным электричеством металл подходит к катоду (отрицательно заряженному электроду), именно этот металл и называется катионом. Кислотный остаток, отрицательно заряженный, стремится к аноду (положительно заряженному электроду), и называется анионом. Электролиз дает возможность получения из солей хорошо очищенных элементов, благодаря чему находит широкое применение в разнообразных отраслях современной промышленности.

Электролиз воды жизненно необходим сегодня, когда тысячи предприятий применяют воду для отдельных этапов своего производства. Объясняется это тем, что после большинства процессов, которые выполняются на предприятиях, вода после использования превращается в опасную для людей и живой природы жидкость. Электролиз воды служит для очистки сточных вод, которые не должны попадать в землю или же в источники чистой воды. Эти сточные воды необходимо очищать для того, чтобы не допустить экологическую катастрофу, риск которой и так уже достаточно высокий во многих регионах России.

Сегодня существует несколько методов электролиза воды. К ним относится электроэкстракция, электрокоагуляция и электрофлотация. Электролиз воды, применяемый для очистки сточных вод, производится в электролизерах. Это специальные сооружения, в которых разлагаются на металлы, кислоты и другие вещества, относящиеся к категории неорганического происхождения. Особенно важно проводить очистку сточных вод на вредных производствах, таких как предприятия химической промышленности, там, где ведутся работы с медью и свинцом, а также на комбинатах, выпускающих краски, лаки, эмали. Безусловно, это далеко не дешевый способ очистки воды при помощи электролиза, но затраты, связанные с очисткой воды, не идут ни в какие сравнения со здоровьем человека и заботой об окружающей среде.

Интересный факт, но можно осуществить электролиз воды в домашних условиях. Этот процесс не займет много времени и средств и даст возможность для и водорода. В емкость с водой, в которой предварительно растворена соль, (соли необходимо взять не менее ¼ объема воды), опускаются два электрода. Их можно сделать из любого металла. Электроды подключаются к источнику питания с силой тока не менее 0,5 А. На одном из электродов образуются пузыри, что и говорит о том, что электролиз воды в домашних условиях проходит успешно. Данным способом можно получить едкий натрий, хлор и другие химические элементы, в зависимости от того, из чего состоит электролит. Плазменный электролиз воды применяют в плазмотеплолизерах. Это новейшее современное устройство, работающее в режимах плазменного электролиза воды и ее непосредственного нагрева до определенных температур. Плазменный электролиз воды дает возможность для получения новых видов энергии, в которой с каждым днем все больше нуждается человечество. Энергия, которую можно будет получать из воды, даст возможность для создания новых, безопасных и эффективных видов источников энергии. Явления плазменного электролиза воды еще не изучены до конца, но они имеют огромные перспективы и поэтому интенсивно изучаются современными учеными.

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 + Н 2 О → 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.

Впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов - водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода яв-ляется однородным веществом, факт открытия ее не-однородного состава можно назвать революцион-ным. Чего еще можно было требовать от первооткры-вателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о во-де как соединении двух элементов - водорода и кис-лорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие элект-рохимии .

ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Р ядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому разложению воды (подобное оп-ределение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окис-лительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие эле-менты.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды вы-делялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружи-лось два странных явления: во-первых, обе состав-ные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга - кислород у одного электрода, водо-род - у другого; во-вторых, наблюдалось образова-ние кислоты у кислородного полюса и щелочи у во-дородного. Это «странное» разложение воды озада чило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.

То обстоятельство, что при пропускании через во-ду электрического тока выделялись водород и кисло-род, вполне устраивало ученых, ибо как бы под-тверждало ставшее уже господствующим мнение о составе воды. Вопрос же о том, каким образом эти составные части выделялись, при каких сопутствую-щих обстоятельствах, хотя и занимал ученых того времени, но все же не в такой степени: их внимание было направлено главным образом на вторую «странность» , ибо она наводила тень сомнения на от-крытую формулу воды. Неизбежно встал вопрос о том, что является причиной образования кислоты и щелочи при электролизе воды.
За решение этой загадки взялся выдающийся анг-лийский химик Гемфри Дэви (1778—1829). Дэви ря-дом опытов, казалось бы, подтвердил предполагае-мый всеми учеными того времени факт, что образо-вание кислоты и щелочи при электролизе воды - яв-ление случайное, не связанное с самой водой, состо-ящей, как это и было определено Лавуазье, из водо-рода и кислорода. Но, каким образом Дэви удалось это «дока-зать».
Дэви проделал многочисленные опыты по «разло-жению» электричеством тщательно очищенной воды в различных сосудах: агатовых, стеклянных, сделан-ных из плавикового шпата, сернокислого барита и т.п., чтобы максимально уменьшить влияние мате-риала сосудов на результаты опытов. Во всех без ис-ключения опытах при электролизе воды он получал у анода сильную кислоту, у катода щелочь. Он связы-вал это с тем, что чистая вода отчасти все же разлага-ла материал сосудов, что и явилось причиной образо-вания кислоты и щелочи. Важным, однако, следстви-ем опытов было то, что количество образующихся у электродов кислоты и щелочи стояло в прямой за-висимости от продолжительности опытов, а именно: чем продолжительнее они были, тем больше образо-вывалось кислоты и щелочи и тем сильнее была их концентрация.
В опытах Дэви по электролизу различных раство-ров солей получалась аналогичная картина: у анода шло образование кислоты с выделением кислорода, у катода - образование щелочи с выделением водо-рода или чистого аммиака . Сами эти процессы долж-ны были бы подтолкнуть по аналогии к выводам от-носительно общих закономерностей, относящихся к процессу электролиза.
Ведь хорошо известно, что при электролизе различных веществ у электродов происходят окислительно-восстановительные про-цессы, но отнюдь не простое разложение веществ. Более того, только при наличии окислительно-вос-становительного процесса может идти и сам электро-лиз .
При этом реакция окисления происходит у од-ного электрода, а реакция восстановления у другого. Поэтому было бы самой грубой ошибкой рассматри-вать электролиз как простой процесс разложения ве-ществ на составляющие их элементы, будь то вода, соль или кислота. Окисление у одного полюса проис-ходит при одновременном восстановлении у другого, и наоборот. Эти положения суть святая святых элек-трохимических процессов, полностью согласующих-ся со вторым началом термодинамики . Действитель-но, если мы возьмем примеры с электролизом солей, то легко видеть, что у анода происходила реакция восстановления с выделением кислорода (продуктом этой реакции, скапливаю-щимся у анода, во всех случаях выступала какая-ни-будь кислота). У катода происходила реакция окис-ления с выделением водорода или металла (продук-том этой реакции, скапливающимся у катода, всегда была какая-нибудь щелочь).

Естественно, казалось бы, распространить ту же закономерность и на воду: вода как химическое веще-ство, обладающее во многих отношениях кислотными свойствами, в принципе не может служить в данном случае исключением и просто разваливаться, подобно какой-нибудь механической смеси, на составляющие его части там, где все остальные вещества претерпева-ют сложные окислительно-восстановительные про-цессы. Поэтому уже априорно можно было бы ожи-дать при электролизе воды образования кислоты и щелочи у соответствующих электродов . Вопрос только в том - какой кислоты и какой щелочи?
Но именно эта совершенно очевидная вещь отвер-галась. Мысль о ней не допускалась или ею попросту пренебрегали. Притом делали это не какие-то диле-танты, а профессионалы высокого класса. Для них, сдается, каким-то символом веры, своего рода «свя-щенной коровой» стал факт, что вода состоит из двух элементов - водорода и кислорода, и они направляли все свои недюжинные способности именно на под-тверждение данного факта, но отнюдь не на проверку его истинности. То, что оба газа выделялись при эле-ктролизе, хотя и у разных электродов, как бы под-тверждало эту веру, даже вопреки всем законам элек-тролиза и термодинамики. При этом никого нисколь-ко не смущало, что вода вот так легко может разде-ляться на составные части, будто два склеенных кус-ка дерева, опущенных в воду.

Для того чтобы избежать вся-ких побочных влияний, Дэви провел ряд опытов в зо-лотых сосудах с хорошо очищенной водой. На протя-жении четырнадцати часов, в течение которых про-должался опыт, количество кислоты в анодном сосу-де постоянно возрастало. Дэви обнаружил, что она по своим свойствам ничем не отличалась от азотной кислоты, которая точно таким же образом образовывалась в опытах, проводимых им прежде в стеклянных сосу-дах. В катодном же сосуде образовывалась летучая щелочь, количество которой скоро доходило до опре-деленного предела. Она обнаруживала свойство ам-миака ( NH 3).
Дэви повторил свой опыт и продолжал его без пе-рерыва трое суток. К концу этого времени, как он сам свидетельствует, вода в сосудах была разложена и выпарилась больше чем на половину своего перво начального объема. В результате, в анодном сосуде образовалась сильная азотная кислота, количество же щелочи оставалось примерно на том же уровне, как и в предыдущем опыте. Дэви посчитал, что по-следнее было связано с ее постоянным испарением.

Вода "под пыткой" у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безу-коризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по элек-тролизу воды под колоколом воздушного насоса. По-чему в этом опыте образовалось лишь небольшое ко-личество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действи-тельно ли, как думал Дэви, это было связано с отсут-ствием воздуха, выкачанного из-под колокола? От-части да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серь-езную ошибку в своем первоначальном предположе-нии, что причиной образования кислоты и щелочи являлся азот воздуха. Образование кислоты и щело-чи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом . Один этот факт должен был бы на-толкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких со-лей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать по-стоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стоя-ло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.

Главное, однако, не в этом, а в том, что именно происходило в опытах под колоколом и почему, в от-личие от обычных условий, там образовалось лишь небольшое количество кислоты и вовсе не было ще-лочи. Рассмотрим, прежде всего, возможное влияние на результаты опыта сильно разреженной атмосфе-ры. Известно, что в разреженной атмосфере происхо-дит быстрое выделение из жидкостей растворенных в ней газов и значительно ускоряется процесс ее ис-парения, причем последний вначале затрагивает бо-лее летучие вещества, а затем вещества менее лету-чие. Естественно предположить, что в опытах Дэви в сильно разреженной атмосфере начался, прежде всего, процесс выделения из раствора летучей щело-чи, которая отчасти поэтому и не была обнаружена в катодном сосуде. Затем, поскольку температура ки пения азотной кислоты ниже температуры кипения воды, стала также частично испаряться и азотная кислота, образующаяся в анодном сосуде.

Этим, однако, побочные влияния на ход опыта не ограничивались. Поскольку при электролизе воды выделяются кислород и водород, причем объем вы-деляющегося водорода в семь раз превышает объем кислорода, эти газы, и, прежде всего, водород, не мог-ли не оказывать своего влияния на ход опыта. Если в обычных условиях, т.е. не под колоколом, как ам-миак, так и водород, образующиеся во время опыта, улетучивались и не влияли на исход опыта, то под колоколом эти вещества собирались в замкнутом пространстве. Аммиак мог при этом частично всту-пать в реакцию с образующейся азотной кислотой, нейтрализуя какую-то ее часть. Помимо того, и это, может быть, самое главное, водород как сильный вос-становитель, собираясь в значительном количестве под колоколом, несомненно оказывал воздействие на весь ход реакции, давая те результаты, которые и бы-ли зафиксированы Дэви как окончательные.
Иллюстрация восстановительного действия водорода.
Е сли, взять два электрода, один из которых представляет полированную серебряную пластинку, а другой - обычную швейную иглу, поместить их под колокол, и в сильно разреженном воздухе пропус-кать электрический ток так, чтобы электрический разряд переходил с кончика иглы на полированную пластинку, то напротив кончика иглы пластинка за-метно изменится - она окислится и потускнеет, и тем больше, чем дольше будет пропускаться электричес-кий ток. Если же после этого воздух заменить разре-женным водородом, то при всех прочих равных и не-изменных условиях, дальнейшее пропускание тока приведет к тому, что окись на пластинке будет посте-пенно сходить, и полировка по большей части вос становится, что хорошо иллюстрирует восстанавли-вающие свойства водорода.

В торой пример из области живой природы. Клод Бернар приводит такой опыт: он смешивал один объ-ем воздуха с двумя объемами водорода и помещал в эту атмосферу семена. При всех прочих благопри-ятных условиях (влага, тепло и проч.) прорастания семян не происходило, хотя напряжение кислорода при этом было вполне достаточным для жизнедея-тельности . Очевидно, что негативный результат был обязан опять-таки действию водорода, оказывавшего сильное восстанавливающее действие, препятствуя течению окислительно-восстановительного процес-са, а вместе с ним и образованию его необходимых продуктов - кислоты и щелочи.
Т ретье: из физической химии хо-рошо известно, что азотная кислота является легко восстанавливающимся веществом. Она, например, восстанавливается водородом до свободного азота:
2 N 0 3 + 12Н + 10е—> N 2 + 6Н 2 0
Это свойство азотной кислоты специально ис-пользуется в некоторых гальванических элементах для предотвращения поляризации. В этих случаях азотную кислоту добавляют в катодное отделение, где выделяется водород.
Аналогичные процес-сы происходили и под колоколом в опытах Дэви. Когда он во втором опыте заменил воздух водородом, то тем самым создал там мощную восстановитель-ную среду, действие которой не преминуло сказаться на результатах: в анодном сосуде естественно не бы-ло (и не могло быть) обнаружено кислоты, в катод ном - щелочи. Все было естественно и закономерно. Но факт остается фактом: опыты Дэви убедили всех окончательно, что вода состоит из двух простых эле-ментов - водорода и кислорода.

Дэви удалось лишь создать условия, при которых во время электролиза воды не образовывались ни кислота, ни щелочь, которые неизменно образуются внормальных, естественных условиях.
Однако предположим, что вода действительно со-стоит из водорода и кислорода. Тогда естественно было бы предполагать, что, коль скоро вода с такой легкостью разлагается на свои составные части, она должна столь же легко образовываться в результате их синтеза. Ничего подобного, однако, не происхо-дит. Как известно, смесь двух газов в пропорции один к двум (один объем кислорода и два объема во-дорода) дает так называемый гремучий газ, но от-нюдь не воду. Попытки образования воды из водоро-да и кислорода имели успех только в присутствии ка-тализатора (кстати, в роли катализатора может при этом выступать и железо, то самое железо, над кото-рым Лавуазье пропускал пары воды и извлекал свои исторические выводы).
Можно сказать, что большинство опытов по определению химического состава воды было направлено не столько на объективные поиски, сколько на подгонку их результатов к уже имеющемуся выводу, который стал поистине символом веры. «Черный ящик» давал в основном ту информацию, которую от него ожида-ли и которую часто заведомо предопределяли на-правленным действием на его входы.

Итак, множество фактов биологического, химиче-ского и физического свойства не дает оснований при-знать существующую формулу воды верной. Против нее говорят не только эмпирические факты, но и тео-ретические положения и, прежде всего, те, которые вытекают из таких фундаментальных положений, ка-ковыми являются начала термодинамики . Именно - воздух и вакуум
- самозарождение
- электролиз воды (часть 2)

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Свойства, получение и применение водорода

Основные понятия о водородной энергетике

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

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

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

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

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

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

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

Физические и химические свойства водорода

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

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

Некоторые физические свойства водорода приведены в таблице.

Физические свойства водорода при н.у.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные промышленные способы п роизводства водорода

Существует несколько основных промышленных способов получения водорода.

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

СН 4 + H 2 O = СО + 3H 2 - Q; (1)

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

СН 4 + 2H 2 O = СО 2 + 4H 2 - Q; (3)

СO + H 2 O = СО 2 + H 2 + Q; (4)

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

СН 4 +0,5О 2 = СО + 2H 2 + Q; (5)

СO + Н 2 О = СО 2 + H 2 + Q. (6)

СН 4 + Н 2 О = СО + 3H 2 - Q; (7)

СН 4 + CО 2 = 2СО + 2H 2 - Q; (8)

Конверсия оксида углерода с водяным паром происходит по реакции:

СО + Н 2 О = СО 2 + H 2 + Q (9)

В промышленности водород получают и другими способами:

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

С + Н 2 О = СО + Н 2 . (10)

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

СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 ; (11)

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

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

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

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

1) высокая чистота получаемого водорода - до 99.9%;

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

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

4) общедоступное сырье - вода;

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

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

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

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

Получение тяжелой воды

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Равновесие в этих реакциях смещено в правую сторону.

Принципиальная сема установки для концентрирования тяжелой воды показана на рисунке.

Принципиальная сема установки для концентрирования тяжелой воды:

1 - ступени электролиза;

2 - холодильники;

3 - ступени фазового каталитического обмена.

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

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

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

Зависимость от материала катода при температуре 75 ?С

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

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

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

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

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

2 . Получение водорода э лектролиз ом воды

Понятие и сущность электролиза

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теоретические основы процесса электролиза воды

Процесс электролитического разложения воды описывается следующим суммарным химическим уравнением:

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

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

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

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

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

Пр о цессы на электродах

Катодный процесс может быть описан суммарными уравнениями:

2Н + + 2е = Н 2 (в кислой среде) (18)

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

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

Анодный процесс также зависит от кислотности среды:

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

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

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

Схема электролиза

электролиз водород химический

Конструкции электролизеров

Промышленные электролизеры для производства водорода бывают двух типов:

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

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Соотношение между током и напряжением в электролизерах

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

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

U= U 1 ·n, (22)

n - количество ячеек.

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

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

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

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

I экв =I·n. (23)

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

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

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

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

Схема фильтр-прессного электролизера

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

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

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

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

1) по электролиту в штуцерах и каналах;

2) по стенкам штуцеров и каналов.

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

где R - сопротивление электролита (Ом);

с - удельное сопротивление электролита (Ом?м);

l - длина канала (м);

S - сечение канала (м 2).

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема биполярного фильтр-прессного электролизера:

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

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

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

3 . Описание технологического процесса и схем электролизных установок

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

Приготовление дистиллированной воды;

Приготовление электролита;

Проведение процесса электролиза воды.

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

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

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

Процесс получения водорода электролизом воды

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

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

В состав цеха по производству водорода входят:

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

Подготовительное отделение;

Газоанализаторная;

Преобразовательная подстанция (для преобразования переменного тока в постоянный);

Открытая трансформаторная подстанция;

Бытовые помещения.

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

4Н 2 О + 4е- > 2Н 2 - 4ОН-

4ОН- + 4е- > О 2 + 2Н 2 О

2Н 2 О > 2Н 2 + О 2

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

Схема процесса получения водорода и кислорода электролизом воды

Мощность производства и основное технологическое оборудование

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

Основным технологическим оборудованием являются:

Электролизеры

Силовые трансформаторы и выпрямители тока

Дистилляторы

Резервуары для приготовления и хранения электролита

Резервуары для хранения дистиллированной воды

Питательные насосы для электролита и дистиллянта.

Техническая характеристика электролизеров

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

Характеристика электролизеров

Принципиальная схема электролиза воды показана на рисунке.

Принципиальная схема электролиза воды

Технологическая схема получения водорода электролизом в о ды

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

Технологическая схема электролиза воды включает следующие основные узлы и стадии:

- узел приготовления электролита;

- стадию очистки воды на механическом и ионообменном фильтрах;

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

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

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

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

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

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

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

Технологическая схема получения водорода электролизом воды

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

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

Принципиальная схема устройства для выравнивания давления газов представлена на рисунке.

Принципиальная схема устройства регулятора давления газов

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

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

презентация , добавлен 24.04.2012


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

реферат , добавлен 09.05.2014


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

курсовая работа , добавлен 08.07.2012


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

презентация , добавлен 26.10.2011


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

реферат , добавлен 22.10.2011


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

реферат , добавлен 15.11.2014


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

реферат , добавлен 29.10.2013


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

реферат , добавлен 30.04.2011


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

реферат , добавлен 10.02.2015


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

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

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

Что это

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

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

Виды и типы

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

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

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

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

Устройство

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

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

Применение

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

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

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

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

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