Андрей Смирнов
Время чтения: ~17 мин.
Просмотров: 0

Низкоамперный электролиз воды

Что произошло

Молекулы воды H2O  очень устойчивы. Чтобы разрушить их, потребуется много энергии. Под действием электричества из батареек  крепкие связи молекул воды разрываются. Так выделяется кислород O2  и водород H2 , которые затем улетают из раствора.

Смесь газов H2  и O2  (в соотношении 2 к 1) называется гремучей неспроста: ее можно легко зажечь, например, пламенем свечи. При этом происходит реакция с характерным хлопком и выбросом энергии . Удивительно, но это та самая энергия, которая в начале потребовалась для разрушения молекул воды. Просто теперь она выделяется в иной форме. Так снова образуется вода H2O .

Эту реакцию обычно проводят ради получения не воды, а энергии. Ее используют в качестве движущей силы ракетных двигателей

Только такую реакцию очень важно тщательно контролировать: она может быть очень опасной. В 1937 году потерпел крушение дирижабль «Гинденбург» из-за этой реакции

Он был наполнен водородом в объеме 200 000 м3, который прореагировал с кислородом воздуха, и дирижабль сгорел дотла. При этом образовалось более 150 тонн воды!

Почему содержимое баночки загорается?

Химическая формула молекулы воды выглядит как H2O. Это означает, что она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Баночка как раз наполнена смесью из газообразного водорода и кислорода в отношении 2 к 1, полученной электролизом воды.

Когда эта смесь воспламеняется, тут же запускается реакция образования воды, которая сопровождается характерным хлопком.

Узнать больше

Реакция образования воды выглядит довольно просто:

2H2 + O2 → H2O

Однако все немного сложнее. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой кислород является окислителем (забирает электроны водорода), а водород — восстановителем (отдает свои электроны кислороду):

O2o + 4e− → 2O2−

H2o — 2e− → 2H+

Реакция протекает весьма интенсивно, особенно когда кислород смешивается с водородом в соотношении 1:2, как это было в нашем эксперименте. Это связано с тем, что водяной пар, который мы получили, содержит один атом кислорода и два атома водорода, то есть соотношение как раз равно 1:2.

Как кислород и водород оказались в баночке?

Эти газы появились там благодаря электролизу — процессу, в котором вода под действием электричества разлагается на кислород и водород. В ходе электролиза кислород и водород переходят в газообразную форму в соотношении 1:2. Образуется гремучая смесь, которая и гасит свечу.

Как протекает электролиз?

Для этого процесса нужна щелочная среда, поэтому мы добавляем гидроксид натрия NaOH. Теперь вода  может расщепляться на ионы в жидком состоянии:

H2O → H+ + OH−

Щелочная среда повышает концентрацию гидроксид-ионов OH− . Электролизёр (устройство для электролиза воды) имеет положительно заряженный анод , который притягивает анионы, и отрицательно заряженный катод , который привлекает катионы. Таким образом, катионы H+  мигрируют к катоду, а анионы OH− — к аноду.

Тогда ионы H+ берут электроны с катода и превращаются в водород H2 , а гидроксидные ионы OH− отдают свои электроны аноду и превращаются в кислород O2 .

В нашем эксперименте электролизёром выступает штекер RCA, в котором металлическое кольцо служит катодом, а штифт — анодом. Однако полюса можно менять, соединяя провода вилки и держателя батареи наоборот — это не повлияет на эксперимент.

Что такое штекер RCA?

Штекер RCA когда-то широко использовался для аудио- и видеосистем. Он может подключить, например, видеопроигрыватель к телевизору. Он по-прежнему используется для некоторого визуального оборудования, но уже не так массово. Он состоит из двух металлических частей, внешнего кольца, штифта и пластмассового изолирующего кольца между ними. Отдельные провода подключаются к каждой металлической части: короткие провода — к металлическому кольцу, а длинные — к штифту.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

  1. Электролиз, данная методика наиболее простая и может быть реализована в домашних условиях. Через водный раствор, содержащий соль, пропускается постоянный электрический ток, под его воздействием происходит реакция, которую можно описать следующим уравнением: 2NaCl + 2H2O→2NaOH + Cl2 + H2↑. В данном случае пример приведен для раствора обычной кухонной соли, что не лучший вариант, поскольку выделяющийся хлор является ядовитым веществом. Заметим, что полученный данным способом водород наиболее чистый (порядка 99,9%).
  2. Путем пропускания водяного пара над каменноугольным коксом, нагретым до температуры 1000°С, при таких условиях протекает следующая реакция: Н2О + С ⇔ СО↑ + H2↑.
  3. Добыча из метана путем конверсии с водяным паром (необходимое условие для реакции – температура 1000°С): СН4 + Н2О ⇔ СО + 3Н2. Второй вариант – окисление метана: 2СН4 + О2 ⇔ 2СО + 4Н2.
  4. В процессе крекинга (переработки нефти) водород выделяется в качестве побочного продукта. Заметим, что в нашей стране все еще практикуется сжигание этого вещества на некоторых нефтеперерабатывающих заводах ввиду отсутствия необходимого оборудования или достаточного спроса.

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.


Пример электролиза на растворе хлорида натрия

Проточные диафрагменные электрохимические реакторы с коаксиальными электродами

Четвертый этап ЭХА

Элементы ПЭМ-1 и ПЭМ-3В 1989 г. были разработаны первые проточные электрохимические элементы ПЭМ, представляющие собой единичные элементы с коаксиально расположенными электродами, разделенными диафрагмой. Оптимальный выбор конструкции электролизеров и материалов определили дальнейшее развитие данного типа реакторов и показали элементы ПЭМ наиболее перспективными по сравнению с предыдущими типами реакторов.
Начиная с 1990 г. технология развития ЭХА полностью базируется на использовании элементов ПЭМ, МБ (модулей Бахира) и реакторов на их основе.
Элементы МБ с диафрагмами ? 11 ммЭлементы МБ с диафрагмами ? 26-28 ммВ 2009 г. разработаны усовершенствованные типы элементов ПЭМ – элементы МБ или Модули Бахира. Элементы МБ являются универсальными и позволяют работать как с маломинерализованными, так и с концентрированными растворами.
В 2010 г. были выполнены работы по определению направлений дальнейшего совершенствования элементов МБ — существенному увеличению производительности элементов при одновременном упрощении их конструкции.
Элементы МБ-100-01 и МБ-700-01В 2011 г. были созданы новые модели элементов МБ, обладающие повышенной производительностью, надежностью, долговечностью, хорошей ремонтопригодностью, способностью работать длительное время при повышенных нагрузках. Были найдены конструктивные и технологические решения, обеспечивающие возможность длительной работы элементов без ухудшения параметров на воде с большим содержанием солей жесткости, а также конструктивные и технологические решения, позволившие полностью отказаться от необходимости очистки катодных камер и диафрагмы элементов кислотой.

Виды электролизеров

Приспособления для расщепления воды бывают нижеследующих видов:

Такие электролизеры имеют самую примитивную конструкцию (картинка выше). Им свойственна характерность, которая состоит в том, что манипуляция с числом ячеек даст вам возможность запитать аппарат от источника с любым напряжением.

Проточный вид

Эти установки имеют в собственной конструкции полностью залитую электролитом ванную с электродными элементами и бачком.

Устройство обычного электролизера проточного типа, где А – ванна с электродами, D – бачок, В, Е – трубки, С – выходной клапан

Рабочий принцип проточной электролизной установки нижеследующий (по картинке выше):

  • при протечке электролиза электролит одновременно с газом через трубу «В» выдавливается в бачок «D»;
  • в емкости «D» течет процесс по отделению газа от электролита;
  • газ выходит через клапан «С»;
  • электролитный раствор идет назад через трубку «Е» в ванную «А».

Интересно знать. Этот рабочий принцип настроен в определенных в инверторных аппаратах – горение выделяемого газа позволяет сваривать детали.

Мембранный вид

Электролизная установка мембранного типа имеет одинаковую конструкцию с другими электролизерами, но в качестве электролита выступает твёрдое вещество на основе полимера, которое называется мембранной тканью.

Конструкция мембранного электролизера

Мембранная ткань в подобных агрегатах имеет двойное назначение – перенос ионов и протонов, зонирование электродов и продуктов электролиза.

Диафрагменный вид

Когда одно вещество не может проникать и влиять на иное, используют пористую диафрагму, которая может делаться из стекла, полимерных волокон, керамики либо асбестового материала.

Устройство диафрагменного электролизера, где 1 – выход для кислорода, 2 – колба, 3 – выход для водорода, 4 – анод, 5 – катод, 6 – диафрагма

Щелочной вид

Протекать электролиз в дистиллированной воде не может. В подобных вариантах приходится применять катализаторы, которыми выступают щелочные растворы большой концентрации. Исходя из этого, весомую часть ионных устройств можно именовать щелочными.

Главное! Нужно отметить, что применение соли в качестве катализатора вредно, так как при протечке реакции выделяется газообразный хлор. Замечательным катализатором как правило выступает гидроксид натрия, который не разъедает металлические электроды и не содействует выделению вредоносных веществ.

Благодарности

Авторы признают, лабораторные коллег Лига Гринберга и Андрейс Лусис за стимулирующие обсуждения и Владимиров Nemcevs для оказания технической помощи. Авторы выражают благодарность профессору Роберту Salem за полезные руководства и советов, и глубокое сострадание к его семье в случае смерти профессора в 2009 году. Финансовую поддержку от проекта Европейского социального фонда «Поддержка докторантуры в Университете Латвии» признан M.Vanags . Все авторы поблагодарить Национальную программу исследований в энергетике поддержки развития водородной инфраструктуры в Латвии.

Особенности процессов, происходящих на катоде и аноде

Для практического применения электролиза важно понимать, что происходит на обоих электродах при подаче электрического тока. Характерны такие процессы:

  1. Катод. К нему устремляются положительно заряженные ионы. Здесь происходит восстановление металлов или выделение водорода. Можно выделить несколько категорий металлов по катионной активности. Такие металлы, как Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al, хорошо восстанавливаются только из расплава солей. Если используется раствор, то выделяется водород за счет электролиза воды. Можно обеспечить восстановление в растворе, но при достаточной концентрации катионов, у следующих металлов — Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Процесс протекает наиболее легко для Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
  2. Анод. К этому электроду поступают отрицательно заряженные ионы. Окисляясь, они отбирают электроны у металла, что приводит к их анодному растворению, т.е. переходу в положительно заряженные ионы, которые направляются к катоду. Анионы также подразделяются по своей активности. Только из расплавов могут разряжаться такие анионы PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F. В водных растворах электролизу подвергаются не они, а вода с выделением кислорода. Наиболее легко реагируют такие анионы, как ОН, Cl, I, S, Br.

При обеспечении электролиза важно учитывать склонность материала электродов к окислению. В этом отношении выделяются инертные и активные аноды

Инертные электроды делаются из графита, угля или платины и не участвуют в снабжении ионами.

Эффективность

Термодинамика

Электролиз воды в стандартных условиях требует, чтобы теоретический минимум 237 кДж входа электроэнергии отделил каждый моль воды, которая является стандартом Гиббс свободная энергия формирования воды. Это также требует энергии преодолеть изменение в энтропии реакции. Поэтому, процесс не может продолжиться ниже 286 кДж за молекулярную массу, если никакая внешняя высокая температура/энергия не добавлена.

Так как каждый моль воды требует двух родинок электронов, и, учитывая, что Фарадей, постоянный F представляет обвинение родинки электронов (96485 C/mol), из этого следует, что минимальное напряжение, необходимое для электролиза, составляет приблизительно 1,23 В

Однако наблюдая компонент энтропии (и другие потери), напряжения более чем 1,48 В требуются для реакции продолжиться в практических плотностях тока (thermoneutral напряжение).

В случае водного электролиза Гиббс свободная энергия представляет минимальную работу, необходимую для реакции продолжиться, и теплосодержание реакции — сумма энергии (и работа и высокая температура), который должен быть обеспечен так, продукты реакции при той же самой температуре как реагент (т.е. стандартной температуре для ценностей, данных выше). electrolyser, работающий в 1,48 В, был бы на 100% эффективен.

Сверхпотенциал

Реальная вода electrolysers требует более высоких напряжений для реакции продолжиться. Часть, которая превышает 1,23 В, называют сверхпотенциальной или перенапряжение и представляет любой вид потери и неидеальности в электрохимическом процессе.

Для хорошо разработанной клетки самый большой сверхпотенциал — сверхпотенциал реакции для окисления с четырьмя электронами воды к кислороду в аноде; electrocatalysts может облегчить эту реакцию, и платиновые сплавы — состояние для этого окисления. Развитие дешевого, эффективного electrocatalyst для этой реакции было бы большим прогрессом и является темой текущего исследования, есть много подходов среди них 30-летний рецепт для сульфида молибдена, графеновых квантовых точек, углеродных нанотрубок, перовскита и nickel/nickel-oxide. Более простая реакция с двумя электронами произвести водород в катоде может быть electrocatalyzed с почти никаким сверхпотенциалом платиной, или в теории hydrogenase фермент. Если другой, менее эффективный, материалы будут использоваться для катода (например, графит), то большие сверхпотенциалы появятся.

Промышленное использование

Эффективность современных водородных генераторов измерена властью, потребляемой за стандартный объем водорода (MJ/m), приняв стандартную температуру и давление H. 100%-efficient electrolyser потребляли бы 11,7 МДж/м; чем ниже используемая фактическая мощность, тем более высокая эффективность.

Продавцы Electrolyser обеспечивают полезные действия, основанные на теплосодержании

Чтобы оценить требуемую эффективность electrolyser, важно установить, как это было определено продавцом (т.е. что стоимость теплосодержания, что плотность тока, и т.д.)

Есть две главных технологии, доступные на рынке, щелочном и протонная мембрана обмена (PEM) electrolysers.

Щелочные electrolysers более дешевые с точки зрения инвестиций (они обычно используют катализаторы никеля), но менее эффективный; PEM electrolysers, с другой стороны, более дорогие (они обычно используют дорогие катализаторы металла платиновой группы), но более эффективны и может работать в более высоких плотностях тока и может быть поэтому быть возможно более дешевым, если водородное производство достаточно большое.

Рабочие полезные действия, о которых сообщают, находятся в диапазоне 60-75% для щелочного и 65-90% для PEM.

Изготовление генератора собственными силами

В сети Интернет можно найти немало инструкций, как сделать водородный генератор. Следует отметить, что собрать такую установку для дома своими руками вполне реально — конструкция достаточно проста.

Компоненты водородного генератора своими руками для отопления в частном доме

Но что вы будете делать с полученным водородом? Еще раз обратите внимание на температуру горения этого топлива в воздухе. Она составляет 2800-3000°С

Если учесть, что при помощи горящего водорода режут металлы и другие твердые материалы, становится понятно, что установить горелку в обычный газовый, жидкотопливный или твердотопливный котел с водяной рубашкой не получится — он попросту прогорит.

Умельцы на форумах советуют выложить топку изнутри шамотным кирпичом. Но температура плавления даже лучших материалов данного типа не превышает 1600°С, долго такая топка не выдержит. Второй вариант — использование специальной горелки, которая способна понизить температуру факела до приемлемых величин. Таким образом, пока не найдете такую горелку, не стоит начинать монтировать самодельный водородный генератор.

Советы по сборке и эксплуатации генератора

Решив вопрос с котлом, выберите подходящую схему и инструкцию на тему, как сделать водородный генератор для отопления частного дома.

Самодельное устройство будет эффективным только при условии:

  • достаточной площади поверхности пластинчатых электродов;
  • правильного выбора материала для изготовления электродов;
  • высокого качества жидкости для электролиза.

Какого размера должен быть агрегат, генерирующий водород в достаточных количествах для отопления дома, придется определять «на глазок» (на основании чужого опыта), либо собрав для начала небольшую установку. Второй вариант практичнее — он позволит понять, стоит ли тратить деньги и время на монтаж полноценного генератора.

В качестве электродов в идеале используются редкие металлы, но для домашнего агрегата это слишком дорого. Рекомендуется выбрать пластины из нержавеющей стали, желательно ферромагнитной.

Конструкция водородного генератора

К качеству воды предъявляются определенные требования. Она не должна содержать механические загрязнения и тяжелые металлы. Максимально эффективно генератор работает на дистиллированной воде, но для удешевления конструкции можно ограничиться фильтрами для очистки воды от ненужных примесей. Чтобы электрическая реакция протекала интенсивнее, в воду добавляют гидроксид натрия в соотношении 1 столовая ложка на 10 л воды.

Методы

Фундаментальная демонстрация

Два ведет, бегущий от терминалов батареи, помещены в чашку воды с количеством электролита, чтобы установить проводимость в решении. Используя NaCl (столовая соль) в решении для электролита приводит к хлоргазу, а не кислороду из-за конкурирующей полуреакции. С правильными электродами и правильным электролитом, такими как пищевая сода, водород и кислородные газы будут течь от противоположно заряженных электродов. Кислород соберется в положительно заряженном электроде (анод), и водород соберется в отрицательно заряженном электроде (катод)

Обратите внимание на то, что водород положительно заряжен в молекуле HO, таким образом, это заканчивается в отрицательном электроде. (И наоборот для кислорода.)

Обратите внимание на то, что водный раствор воды с ионами хлорида будет, когда электролизуется, любой результат или в, О, если концентрация Статьи будет низкой, ИЛИ в хлоргазе, предпочтительно освобождаемом от обязательств, если концентрация Статьи больше, чем 25% массой в решении

Хофман voltameter

Хофман voltameter часто используется в качестве небольшого гальванического элемента. Это состоит из трех вертикальных цилиндров, к которым присоединяются. Внутренний цилиндр открыт наверху, чтобы позволить добавление воды и электролита. Платиновый электрод помещен у основания каждого из двух цилиндров стороны, связанных с положительными и отрицательными терминалами источника электричества. Когда током управляют через Хофмана voltameter, газообразные кислородные формы в аноде (положительный) и газообразный водород в (отрицательном) катоде. Каждый газ перемещает воду и собирается наверху двух внешних труб, где это может быть снято с задвижкой.

Промышленный электролиз

Много промышленных клеток электролиза очень подобны Хофману voltameters со сложными платиновыми пластинами или сотами как электроды. Обычно единственный водород времени преднамеренно произведен из электролиза, для отдельного момента применения использования того, которое имеет место с oxyhydrogen факелами или когда чрезвычайно высокая водородная чистота или кислород желаемы. Подавляющее большинство водорода произведено из углеводородов и в результате содержит незначительные количества угарного газа среди других примесей. Примесь угарного газа может быть вредна для различных систем включая многие топливные элементы.

Электролиз высокого давления

Электролиз высокого давления — электролиз воды со сжатой водородной продукцией вокруг Бара 120-200 (1740-2900 фунтов на квадратный дюйм). Герметизируя водород в electrolyser от необходимости во внешнем водородном компрессоре избавляют, среднее потребление энергии для внутреннего сжатия составляет приблизительно 3%.

Высокотемпературный электролиз

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз) является методом, в настоящее время исследуемым для водного электролиза с тепловым двигателем. Электролиз высокой температуры может быть предпочтителен для традиционного электролиза комнатной температуры, потому что часть энергии поставляется как высокая температура, которая является более дешевой, чем электричество, и потому что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах.

Модели на три клапана

Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным. Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.

Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.

Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.

Готовый вариант водородной горелки

Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.

Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.

Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду. Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».

Принцип работы

Водород может использоваться для обогрева домов или в качестве топлива для автотранспорта. В первом случае можно добиться хорошего КПД благодаря высокому показателю теплопроводности вещества. Во время реакции окисления один атомами кислорода соединятся с двумя водородными, что приводит к образованию воды. Одновременно выделяется примерно в 3 раза больше тепла в сравнении со сжиганием природного газа.

Среди всех известных сегодня науке источников энергии, именно это вещество следует считать наиболее перспективным — мировой океан планеты дна две третьих состоит из этого вещества, а во Вселенной по распространению конкуренцию водороду может составить лишь гелий. таким образом, двигатель, работающий на этом топливе, можно считать лучшим.

Однако есть довольно серьезная проблема — для получения чистого водорода необходимо расщеплять воду, а это не самый простой процесс. Сегодня ученые считают, что проще всего для расщепления молекул воды использовать электролиз. Этот процесс известен каждому человеку со школьного курса физики: напряжение с высоким электрическим потенциалом буквально разрывает молекулы воды на составляющие элементы.

В результате образуется газ, имеющий формулу HHO с показателем теплотворной способности в 121 МДж/кг. Он был назван в честь физика Ю. Брауна и при горении не выделяет никаких вредных веществ. Особенность вещества заключается в том, что для его применения можно использовать те же емкости, которые сегодня применяются в качестве котлов для метана либо пропана. Однако необходимо предпринять дополнительные меры безопасности, так как газ Брауна является сильной гремучей смесью.

Водородный генератор для автомобиля состоит из двух основных элементов:

  • электролизера.
  • резеэвуара.

В герметичной емкости устройства располагаются пары электродных пластин, а сама она оснащается патрубком для выхода газа, клеммами, защитным клапаном, водяным затвором и горловиной для заливки воды. Такая конструкция позволяет устранить процесс распространения обратного горения газа Брауна и добиться горения водорода только на выходе из горелки.

Но использование классического гидролизера является нерентабельным, так как предполагает значительный расход электрической энергии. Однако выход из сложившейся ситуации был найден — токи определенной частоты. В результате молекулы воды входят в резонанс с электроимпульсами и расщепляются на составляющие. Собрав такое устройство можно получать топливо из воды своими руками.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации