Хімічні принципи виробництва водню електролізом води

У промисловості для отримання водню зазвичай використовують такі способи; один полягає в пропусканні водяної пари через гарячий кокс (метод відновлення вуглецю) для отримання водню з чистотою близько 75%; інший полягає в пропусканні водяної пари через гаряче залізо, щоб отримати чистоту. Третій метод полягає в добуванні водню з водяного газу, і чистота отриманого водню також низька; Четвертий метод - це метод електролізу води, і чистота одержуваного водню може досягати 99% або більше. Це спосіб отримання водню в промисловості. важливий метод. Під час електролізу розчину натрій (калій) гідроксиду на аноді виділяється кисень, а на катоді — водень. Водень також можна отримати шляхом електролізу водного розчину хлориду натрію для отримання гідроксиду натрію.

Так званий електроліз — це процес розкладання електролітів, розчинених у воді, на нові речовини за допомогою постійного струму. Коли постійний струм пропускається в деякі водні розчини електролітів, розкладені речовини не мають нічого спільного з вихідним електролітом. Те, що розкладається, є водою як розчинником, а вихідний електроліт залишається у воді. Наприклад, до цього типу електролітів належать сірчана кислота, гідроксид натрію, гідроксид калію тощо.

Під час електролізу води, оскільки чиста вода має дуже низьку іонізацію та низьку провідність, вона є типовим слабким електролітом. Тому вищезазначені електроліти потрібно додати, щоб збільшити провідність розчину, щоб вода могла плавно електролізуватися на водень і кисень. Електроліти, такі як гідроксид калію, не піддаються електролізу. Візьмемо як приклад гідроксид калію:

(1) Калій гідроксид є сильним електролітом. При розчиненні у воді відбувається наступний процес іонізації:

KOH - K+tenOH-

У результаті у водному розчині утворилася велика кількість K+ і OH-.

(2) Реакційна здатність іонів металів у водних розчинах різна. Їх можна розташувати в порядку реактивності таким чином:

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

У вищезазначеній композиції метал спереду більш живий, ніж ззаду.

(3) У порядку активності металу, чим активніший метал, тим легше йому втрачати електрони, інакше все навпаки. З точки зору електрохімічної теорії, іони металів, які можуть легко отримати електрони, мають високий електродний потенціал, тоді як іони металів, які займають перше місце в порядку активності, важко отримують електрони та стають атомами через їх низький електродний потенціал. Електродний потенціал іонів водню становить -1,71 В, а електродний потенціал іонів калію — -2,66 В. Тому, коли іони водню та іони калію існують у водному розчині одночасно, іони водню спочатку отримають електрони на катоді та стануть газоподібним воднем, а іони калію залишаться в розчині.

(4) Вода є слабким електролітом і її важко іонізувати. Коли гідроксид калію розчиняється у воді, іонізовані іони калію оточуються полярними молекулами води та перетворюються на гідратовані іони калію. Дія іонів калію робить молекули води полярними. Під дією постійного струму іони калію і гідратовані молекули з полярними напрямками рухаються до катода. У цей час іони водню спочатку отримують електрони і стають газоподібним воднем. Тому в процесі електролізу з використанням гідроксиду калію як електроліту вода фактично електролізується для отримання водню та кисню, тоді як гідроксид калію лише виконує роль переносника зарядів.

Під час електролізу води напруга постійного струму, що прикладається до електролітичної комірки, має бути більшою за теоретичну напругу розкладання води, щоб подолати різні перепади напруги опору та електрорушійну силу поляризації електрода в електролітичній комірці. Електродна електрорушійна сила поляризації є сумою перенапруги, коли водень виділяється на катоді, і перенапруги, коли кисень виділяється на аноді. Тому напругу електролізу води U можна виразити як: U=U0+IR+потенціал водню+потенціал кисню

У формулі U0--Теоретична напруга розкладання води, В;

I--Струм електролізу, А

R--Загальний опір електролізера, Ом

З точки зору споживання енергії, напруга електролізу повинна бути зменшена настільки, наскільки це можливо. Фактори, які впливають на напругу електролізу, в основному включають такі три аспекти:

(1) Теоретична напруга розкладання (приблизно 1,23 В при 0,1 МПа та 25 градусів), яка зменшується зі збільшенням температури та зростає зі збільшенням тиску. З кожним збільшенням тиску в 10 разів напруга збільшується приблизно на 43 мВ.

(2) Надпотенціал водню та кисню. Є багато факторів, які впливають на перенапруження водню і кисню. Перш за все, більший вплив на нього має матеріал електрода і стан поверхні електрода. Наприклад, перенапруга водню у заліза та нікелю нижча, ніж у свинцю, цинку, ртуті тощо, а перенапруга кисню у заліза та нікелю перевищує таку у свинцю, цинку та ртуті. Потенціал також нижчий, ніж у свинцю. Чим більша площа контакту з електролітом або шорсткіша поверхня електрода, тим менший утворюється перенапруження водню та кисню. По-друге, зі збільшенням густини струму під час електролізу, перенапруга відповідно зросте, а підвищення температури також спричинить збільшення перенапруги. Крім того, перевищення напруги також пов'язане з такими факторами, як природа, концентрація електроліту та домішки в розчині. Наприклад, на нікелевому електроді перенапруга кисню розведеного розчину більша, ніж концентрованого розчину.

Щоб зменшити надпотенціал водню та кисню, можна застосувати деякі методи. Наприклад, підвищення робочої температури та використання відповідних електродних матеріалів. Крім того, відповідне збільшення фактичної площі поверхні електрода або шорсткість поверхні електрода може зменшити опір електрода та перенапругу різним ступенем, таким чином досягаючи мети зниження робочої напруги.

(3) Падіння напруги резистора. Загальний опір в електролітичній комірці включає опір електроліту, опір діафрагми, опір електрода та опір контакту, серед яких перші два є основними факторами. Падіння напруги опору діафрагми залежить від товщини і властивостей матеріалу. Якщо використовувати звичайну азбестову діафрагму, коли щільність струму становить 2400А/м2, падіння напруги на резисторі діафрагми становить близько 0.25-0.30 В. Коли щільність струму знову збільшиться, падіння напруги збільшиться приблизно до 0,5 В. Чим вище провідність електроліту, тим менше падіння напруги в електроліті. Для електроліту, крім невеликого значення опору, також потрібно, щоб він не розкладався під напругою електролізу; не виходить з воднем і киснем через випаровування; не є корозійним для матеріалів електролітичної комірки; коли значення рН розчину змінюється, він повинен мати певну буферну ефективність.

Більшість електролітів легко розкладаються під час електролізу, тому їх не слід використовувати під час електролізу води. Сірчана кислота генерує надсірчану кислоту та озон на аноді, який є дуже корозійним і не повинен використовуватися. Сильний луг може відповідати вищевказаним вимогам, тому водний розчин KOH або NaOH зазвичай використовується як електроліт у промисловості. KOH має кращу електропровідність, ніж NaOH, але він дорожчий. При більш високих температурах його корозійна дія на електролізер сильніша, ніж у NaOH. Раніше в нашій країні в якості електроліту часто використовували NaOH. Однак, з огляду на той факт, що сучасні електролітичні матеріали комірки вже стійкі до корозії KOH, з метою економії електроенергії існує загальна тенденція використовувати розчин KOH як електроліт. Крім того, під час процесу електролізуючи воду, електроліт міститиме бульбашки водню та кисню, які постійно осідають, що підвищує опір електроліту. Відсоток об’єму бульбашок в електроліті до об’єму електроліту, включаючи бульбашки, називається вмістом газу в електроліті. Вміст газу пов'язаний з густиною струму під час електролізу, в'язкістю електроліту, розміром бульбашок, робочим тиском і структурою електролітичної комірки та іншими факторами. Збільшення швидкості циркуляції і робочого тиску електроліту призведе до зниження вмісту газу; збільшення щільності струму або підвищення робочої температури збільшить вміст газу. У реальних ситуаціях бульбашки в електроліті неминучі, тому опір електроліту буде набагато більшим, ніж без бульбашок. Коли вміст газу досягає 35%, опір електроліту вдвічі більший, ніж у випадку відсутності бульбашок. Зменшення робочої напруги сприяє зменшенню споживання електроенергії. З цієї причини необхідно вжити ефективних заходів для зменшення перенапружень водню та кисню та резистентних перепадів напруги. Загалом, коли струм невеликий, перший є основним фактором; при великому струмі останній стане основним фактором.

Коли електролітична комірка працює під високим робочим тиском, вміст газу в електроліті зменшується, тим самим зменшуючи опір електроліту. З цієї причини був розроблений електролітичний елемент, який може працювати під тиском 3 МПа. Однак робочий манометр не повинен бути занадто високим, інакше це призведе до збільшення розчинності водню та кисню в електроліті, змушуючи їх регенерувати воду через діафрагму, таким чином знижуючи ефективність струму. Підвищення робочої температури також може знизити опір електроліту, але також посилиться корозія електроліту електролітом. Якщо температура перевищує 90 градусів, електроліт серйозно пошкодить азбестову діафрагму та утворить розчинні силікати в азбестовій діафрагмі. З цією метою було розроблено різноманітні матеріали діафрагми для високотемпературної корозії, такі як листи порошкової нікелевої металургії та матеріали діафрагми, зв’язані волокном титанату калію та політетрафторетиленом, які можна використовувати в розчинах лугів при 150 градусах. Щоб зменшити опір електроліту, можна також прийняти щільність струму електролітичної комірки, швидкість циркуляції електроліту можна прискорити, а відстань між електродами можна відповідно зменшити.

Переглянути більше