Kemijski principi proizvodnje vodika elektrolizom vode

U industriji se obično koriste sljedeće metode za proizvodnju vodika; jedan je propuštanje vodene pare kroz vrući koks (metoda redukcije ugljika) kako bi se dobio vodik čistoće od oko 75%; druga je propuštanje vodene pare kroz vruće željezo kako bi se dobila čistoća Treća metoda je ekstrakcija vodika iz vodenog plina, a čistoća dobivenog vodika također je niska; četvrta metoda je metoda elektrolize vode, a čistoća proizvedenog vodika može biti čak 99% ili više. Ovo je metoda za pripremu vodika u industriji. važna metoda. Tijekom elektrolize otopine natrijeva (kalijeva) hidroksida na anodi se oslobađa kisik, a na katodi vodik. Vodik se također može dobiti elektrolizom vodene otopine natrijevog klorida da se dobije natrijev hidroksid.

Takozvana elektroliza je proces razgradnje elektrolita otopljenih u vodi u nove tvari uz pomoć istosmjerne struje. Kada se istosmjerna struja pusti u neke vodene otopine elektrolita, razgrađene tvari nemaju nikakve veze s izvornim elektrolitom. Ono što se razgrađuje je voda kao otapalo, a izvorni elektrolit ostaje u vodi. Na primjer, sumporna kiselina, natrijev hidroksid, kalijev hidroksid itd. svi pripadaju ovoj vrsti elektrolita.

Prilikom elektrolize vode, budući da čista voda ima vrlo malu ionizaciju i nisku vodljivost, ona je tipičan slab elektrolit. Stoga je potrebno dodati gore navedene elektrolite kako bi se povećala vodljivost otopine kako bi se voda mogla glatko elektrolizirati u vodik i kisik. Elektroliti kao što je kalijev hidroksid neće biti elektrolizirani. Uzmimo kalijev hidroksid kao primjer:

(1) Kalijev hidroksid je jak elektrolit. Kada se otopi u vodi, događa se sljedeći proces ionizacije:

KOH - K+tenOH-

Kao rezultat, velika količina K+ i OH- nastala je u vodenoj otopini.

(2) Reaktivnost metalnih iona u vodenim otopinama je različita. Mogu se rasporediti po reaktivnosti na sljedeći način:

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

U gornjem rasporedu, metal sprijeda je živahniji od onog straga.

(3) U redoslijedu aktivnosti metala, što je metal aktivniji, lakše gubi elektrone, inače je suprotno. Sa stajališta elektrokemijske teorije, metalni ioni koji lako mogu dobiti elektrone imaju visok elektrodni potencijal, dok je metalnim ionima koji su prvi rangirani u redoslijedu aktivnosti teško dobiti elektrone i postati atomi zbog svog niskog elektrodnog potencijala. Potencijal elektrode vodikovih iona je -1.71V, dok je elektrodni potencijal iona kalija -2.66V. Stoga, kada ioni vodika i ioni kalija postoje u vodenoj otopini u isto vrijeme, ioni vodika će prvo dobiti elektrone na katodi i postati plinoviti vodik, a ioni kalija ostaju u otopini.

(4) Voda je slab elektrolit i teško ju je ionizirati. Kada se kalijev hidroksid otopi u vodi, ionizirani ioni kalija okruženi su polarnim molekulama vode i postaju hidratizirani ioni kalija. Djelovanje iona kalija čini molekule vode polarnim smjerom. Pod djelovanjem istosmjerne struje ioni kalija i hidratizirane molekule polarnog smjera kreću se prema katodi. U to vrijeme vodikovi ioni prvo dobivaju elektrone i postaju vodikov plin. Stoga, u procesu elektrolize uz korištenje kalijevog hidroksida kao elektrolita, voda se zapravo elektrolizira za proizvodnju vodika i kisika, dok kalijev hidroksid igra samo ulogu prijenosnika naboja.

Prilikom elektrolize vode, istosmjerni napon primijenjen na elektrolitičku ćeliju mora biti veći od teorijskog napona razgradnje vode kako bi se prevladali različiti padovi napona otpora i elektromotorna sila polarizacije elektrode u elektrolitičkoj ćeliji. Elektromotorna sila polarizacije elektrode zbroj je prenapona kada se vodik taloži na katodi i prenapona kada se na anodi taloži kisik. Stoga se napon elektrolize vode U može izraziti kao: U=U0+IR+nadpotencijal vodika+nadpotencijal kisika

U formuli, U0--Teorijski napon razgradnje vode, V;

I--Struja elektrolize, A

R--Ukupni otpor elektrolitičke ćelije, Ω

Sa stajališta potrošnje energije, napon elektrolize treba smanjiti što je više moguće. Čimbenici koji utječu na napon elektrolize uglavnom uključuju sljedeća tri aspekta:

(1) Teoretski napon razgradnje (približno 1,23 V pri 0,1 MPa i 25 stupnjeva), koji opada s porastom temperature i raste s porastom tlaka. Za svakih 10 puta povećanje tlaka, napon se povećava za približno 43 mV.

(2) Prenapon vodika i kisika. Mnogo je čimbenika koji utječu na preveliki potencijal vodika i kisika. Prije svega, materijal elektrode i stanje površine elektrode imaju veći utjecaj na nju. Na primjer, vodikov prenapon željeza i nikla niži je od olova, cinka, žive itd., a kisikov prenapon željeza i nikla premašuje onaj olova, cinka i žive. Potencijal je također manji od olova. Što je veće područje kontakta s elektrolitom ili što je površina elektrode hrapavija, generirani je prenapon vodika i kisika manji. Drugo, kako se gustoća struje povećava tijekom elektrolize, prenapon će se povećati u skladu s tim, a porast temperature također će uzrokovati povećanje prenapona. Osim toga, prenapon je također povezan s čimbenicima kao što su priroda, koncentracija elektrolita i nečistoće u otopini. Na primjer, na elektrodi od nikla, prenapon kisika u razrijeđenoj otopini veći je nego u koncentriranoj otopini.

Kako bi se smanjio prenapon vodika i kisika, mogu se usvojiti neke metode. Kao što je povećanje radne temperature i korištenje odgovarajućih materijala za elektrode. Osim toga, odgovarajuće povećanje stvarne površine elektrode ili hrapavost površine elektrode može smanjiti otpor elektrode i prenapon u različitim stupnjevima, čime se postiže svrha smanjenja radnog napona.

(3) Pad napona otpornika. Ukupni otpor u elektrolitičkoj ćeliji uključuje otpor elektrolita, otpor dijafragme, otpor elektrode i kontaktni otpor, među kojima su prva dva glavna čimbenika. Pad napona otpora dijafragme ovisi o debljini i svojstvima materijala. Korištenjem opće azbestne dijafragme, kada je gustoća struje 2400A/m2, pad napona na otporniku dijafragme je oko 0.25-0.30V. Kada se gustoća struje ponovno poveća, pad napona će se povećati na oko 0,5 V. Što je veća vodljivost elektrolita, to je manji pad napona u elektrolitu. Za elektrolit, osim što ima malu vrijednost otpora, također se zahtijeva da se ne raspada pod naponom elektrolize; ne izlazi s vodikom i kisikom zbog isparavanja; nije korozivno za materijale elektrolitičkih ćelija; kada se pH vrijednost otopine Prilikom mijenjanja, trebala bi imati određene performanse puferiranja.

Većina elektrolita lako se razgrađuje tijekom elektrolize i ne bi se trebali koristiti pri elektrolizi vode. Sumporna kiselina stvara persumpornu kiselinu i ozon na anodi, koji je vrlo korozivan i ne smije se koristiti. Jaka lužina može zadovoljiti gore navedene zahtjeve, pa se vodena otopina KOH ili NaOH općenito koristi kao elektrolit u industriji. KOH ima bolju električnu vodljivost od NaOH, ali je skuplji. Na višim temperaturama njegov je korozivni učinak na elektrolitičku ćeliju jači od NaOH. U prošlosti se kao elektrolit u našoj zemlji često koristio NaOH. Međutim, s obzirom na činjenicu da su trenutni materijali elektrolitičkih ćelija već otporni na koroziju KOH-a, radi uštede električne energije, postoji opći trend korištenja otopine KOH-a kao elektrolita. Osim toga, tijekom procesa elektrolizom vode, elektrolit će sadržavati mjehuriće vodika i kisika koji se kontinuirano talože, što povećava otpornost elektrolita. Postotak volumena mjehurića u elektrolitu prema volumenu elektrolita uključujući mjehuriće naziva se sadržaj plina u elektrolitu. Sadržaj plina povezan je s gustoćom struje tijekom elektrolize, viskoznošću elektrolita, veličinom mjehurića, radnim tlakom i strukturom elektrolitičke ćelije i drugim čimbenicima. Povećanje brzine cirkulacije i radnog tlaka elektrolita smanjit će sadržaj plina; povećanje gustoće struje ili povećanje radne temperature će povećati sadržaj plina. U stvarnim situacijama, mjehurići u elektrolitu su neizbježni, tako da će otpor elektrolita biti puno veći nego bez mjehurića. Kada sadržaj plina dosegne 35%, otpor elektrolita je dvostruko veći nego kada nema mjehurića. Smanjenje radnog napona vodi smanjenju potrošnje energije. Iz tog razloga treba poduzeti učinkovite mjere za smanjenje prenapona vodika i kisika i otpornih padova napona. Općenito, kada je struja mala, prvi je glavni faktor; kada je struja velika, potonji će postati glavni faktor.

Kada elektrolitička ćelija radi pod visokim radnim tlakom, sadržaj plina u elektrolitu se smanjuje, čime se smanjuje otpor elektrolita. Iz tog razloga razvijena je elektrolitička ćelija koja može raditi pod tlakom od 3MPa. Međutim, radni manometar ne smije biti previsok, inače će povećati topljivost vodika i kisika u elektrolitu, uzrokujući da regeneriraju vodu kroz dijafragmu, čime se smanjuje trenutna učinkovitost. Povećanje radne temperature također može smanjiti otpor elektrolita, ali će se također pojačati korozija elektrolita od strane elektrolita. Ako je temperatura viša od 90 stupnjeva, elektrolit će uzrokovati ozbiljna oštećenja azbestne dijafragme i formirati topive silikate u azbestnoj dijafragmi. U tu su svrhu razvijeni različiti dijafragmski materijali za visokotemperaturnu koroziju, kao što su listovi za metalurgiju praha nikla i dijafragmski materijali vezani s vlaknima kalijevog titanata i politetrafluoroetilenom, koji se mogu koristiti u alkalijskim otopinama na 150 stupnjeva. Kako bi se smanjio otpor elektrolita, također se može usvojiti gustoća struje elektrolitičke ćelije, brzina cirkulacije elektrolita može se ubrzati, a udaljenost između elektroda može se odgovarajuće smanjiti.

Prikaži više