Víz alacsony áramú elektrolízise

A víz elektrolízisének kisfeszültségű eljárása Faraday kora óta ismert. A modern iparban széles körben használják. Az elektrolizátor anódja és katódja közötti üzemi feszültség 1,6-2,3 Volt, az áramerősség eléri a tíz és száz ampert. A minimális feszültség, amelynél a víz elektrolízis folyamata elkezdődik, körülbelül 1,23 V.

Mivel az alacsony amperszámú elektrolizáló cella laboratóriumi modellje (210. ábra) kis mennyiségű gázt termel, mennyiségük meghatározására a legmegbízhatóbb módszer az oldat tömegének kísérlet közbeni változásának meghatározása, majd az azt követő számítás. a felszabaduló hidrogén és oxigén mennyiségétől.

Ismeretes, hogy egy gramm-atom számszerűen egyenlő egy anyag atomtömegével, és egy gramm-molekula számszerűen egyenlő egy anyag molekulatömegével. Például egy gramm hidrogénmolekula egy vízmolekulában egyenlő két grammal, és egy gramm atom oxigénatom 16 gramm. Egy gramm vízmolekula 18 grammnak felel meg. Mivel egy vízmolekulában a hidrogén tömege 2x100/18 = 11,11%, az oxigén tömege pedig 16x100/18 = 88,89%, akkor egy liter vízben azonos hidrogén és oxigén arány van. Ez azt jelenti, hogy 1000 gramm víz 111,11 gramm hidrogént és 888,89 gramm oxigént tartalmaz.

Rizs. 210. Alacsony áramerősségű elektrolizátor (szabadalmi szám: 2227817)

Egy liter hidrogén 0,09 g, egy liter oxigén 1,47 g. Ez azt jelenti, hogy egy liter vízből 111,11/0,09=1234,44 liter hidrogént és 888,89/1,47=604,69 liter oxigént kaphatunk.

Kiderült, hogy az elektrolízis folyamata az anód és a katód közötti 1,5-2,0 V feszültség és 0,02 A átlagos áramerősség mellett is végbemehet. Ezért ezt a folyamatot alacsony ampernek nevezik. Eredményei a táblázatban találhatók. 46.

Az alacsony áramerősségű elektrolízis folyamata két ciklusból állhat, az egyik ciklusban az elektrolizátort csatlakoztatják az elektromos hálózatra, a másikban pedig kikapcsolják (56. táblázat).

Először is megjegyezzük, hogy az anód és a katód anyaga ugyanaz - acél, ami kizárja a galvánelem kialakításának lehetőségét. A cellaelektródákon azonban körülbelül 0,1 potenciálkülönbség jelenik meg IN elektrolitoldat teljes hiányában benne. Az oldat kiöntése után a potenciálkülönbség nő. Ebben az esetben a töltés pozitív előjele mindig a felső elektródán jelenik meg, a negatív előjel az alsón. Ha a DC forrás impulzusokat generál, a gázkibocsátás növekszik.

56. táblázat A víz elektrolízisének mutatói

A gázok keletkezésének folyamata könnyen megfigyelhető a keletkező buborékok felszabadulásával. Továbbra is felszabadulnak, miután az elektrolizátort leválasztják a hálózatról. Természetesen az elektrolizátor hálózatról való leválasztása után a gázok intenzitása fokozatosan csökken, de nem áll meg sok órán keresztül. Ez meggyőzően bizonyítja azt a tényt, hogy az elektrolízis az elektródák közötti potenciálkülönbség miatt megy végbe. táblázatban A 48. ábra az elektrolizátor egyenirányított feszültség- és áramimpulzusokkal végzett időszakos tápellátásával kapcsolatos kísérlet eredményeit mutatja be.

Okkal feltételezhető, hogy az alacsony amperű elektrolizátor (210. ábra) nemcsak a kondenzátor tulajdonságaival rendelkezik, hanem egyúttal elektromos áramforrás is. Az elején feltöltött állapotban fokozatosan kisül a benne lejátszódó elektrolitikus folyamatok hatására. Az általa termelt elektromos energia mennyisége nem elegendő az elektrolízis folyamatához, és fokozatosan kisül. Ha az energiafogyasztást kompenzáló feszültségimpulzusokkal időszakosan újratöltjük, akkor az elektrolizátor töltése, mint egy kondenzátor, állandó marad, és az elektrolízis folyamata stabil lesz.

A gázok keletkezésének folyamata könnyen megfigyelhető a keletkező buborékok felszabadulásával. Továbbra is felszabadulnak, miután az elektrolizátort leválasztják a hálózatról. Természetesen, miután az elektrolizátort leválasztják a hálózatról, a gázkibocsátás intenzitása csökken, de nem áll meg sok órán keresztül. Ez meggyőzően bizonyítja azt a tényt, hogy az elektrolízis az elektródák közötti potenciálkülönbség miatt megy végbe.

A gázok felszabadulása az elektrolizáló készülék hálózatról való hosszabb időre történő leválasztása után azt a tényt bizonyítja, hogy az oxigén- és hidrogénmolekulák képződése a katód által kibocsátott elektronok nélkül történik, vagyis magának a vízmolekulának az elektronjainak köszönhetően (209. ábra). ).

Egy kis amperű elektrolizátor (210. ábra) termelékenységének növelésére tett kísérlet az azonos anyagból (acélból) készült kúpos elektródák méretének skálázásával meghiúsult. A termelékenység csak az optimális méretű elektrolizátorok számának növekedésével nő. A finanszírozás hiánya nem tette lehetővé, hogy teszteljük a különböző kúpanyagok hatását a vízelektrolízis folyamatának hatékonyságára (210. ábra). Ha a finanszírozás folytatódik, akkor egy impulzusos villanymotor-generátor új kereskedelmi mintája (169. és 172. ábra) lesz az áramforrás az új vízelektrolízis folyamathoz, amely a katódot és az anódot összekötő katód-anód elektrolíziscsőben történik. üregek (211. ábra, a) .

Rizs. 211: a) katód-anód elektrolízis cső; b) hidrogén-oxigén láng katód-anód elektrolizáló csőből

Negatív töltésű elektródán - katód történik elektrokémiai redukció részecskék (atomok, molekulák, kationok) és pozitív töltésű elektródán - anód eljövetel elektrokémiai oxidáció részecskék (atomok, molekulák, anionok). Az alábbiakban bemutatjuk a klasszikus elektrolízis képleteket

1.Aktív fém sója és oxigéntartalmú sav

Na 2 SO 4 ↔2Na + +SO 4 2−

A(+): 2H20-4e = O2 + 4H+

Következtetés: 2H 2 O (elektrolízis) → H 2 + O 2

2. Hidroxid: aktív fém- és hidroxidion

NaOH ↔ Na + + OH −

K(-): 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH −

A(+): 2H20-4e = O2 + 4H+

Következtetés: 2H 2 O (elektrolízis) → 2H 2 + O 2

A víz elektrolízise során az anódon oxigén () szabadul fel, a katódon pedig hidrogén ()

Elvégezzük az első kísérletet hidrogén és oxigén előállítására.
Készítsen elektrolitot szódabikarbóna oldatból (használhat szódabikarbónát), engedje le az elektródákat, és kapcsolja be az áramforrást. Amint az áram átfolyik az oldaton, azonnal észrevehetővé válnak az elektródáknál képződő gázbuborékok: oxigén szabadul fel a „+”, hidrogén a „-” ponton. Ez a gázeloszlás annak köszönhető, hogy a „+” anód közelében negatív OH-ionok halmozódnak fel és oxigén redukálódik, a katód közelében pedig „-” alkálifém-ionok halmozódnak fel, amelyeket a szóda tartalmaz. hamu (Na2CO3), pozitív töltésű (Na+) és egyidejűleg hidrogén redukció következik be. A nátriumionok tiszta fém Na-vá redukálása nem történik meg, mivel a fém-nátrium a hidrogéntől balra lévő fémfeszültségek sorában van.
Li< K < Rb < Cs < Ba < Ca < Na < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au

Hagyományosan úgynevezett száraz elektrolizátorokat használnak hidrogén és oxigén előállítására a vízből az autókban. NGO Generátoroknak is nevezik őket

A motorban a HHO generátoron keresztül elektrolízissel előállított hidrogén és oxigén jelentősen felgyorsítja az üzemanyag-keverék gyulladását a motor hengereiben, növelve a benzin vagy dízel belső égésű motor (ICE) teljesítményét. A hidrogén 1000-szer gyorsabban gyullad meg, mint az elpárolgott folyékony tüzelőanyag, ezáltal meggyújtja az elpárolgott folyékony üzemanyagot, és működésének első fázisában megnöveli a dugattyú robbanó erejét. Az NHO belső égésű motorok, köztük a dízelmotorok üzemanyag-keverékéhez való hozzáadásának előnyeit mind az Egyesült Államok, mind a külföldi kormányok, valamint a világ számos jelentős egyeteme és kutatóközpontja alaposan tanulmányozta és dokumentálta.

ELEKTROLÍZIS

elektrokémiai halmaza oxidáció-redukció az elektromosság áthaladása során fellépő folyamatok. áram egy elektroliton keresztül, amelybe elektródák vannak bemerítve. A katódon a kationok alacsonyabb oxidációs állapotú ionokká vagy atomokká redukálódnak, például: Fe 3+ + eFe 2+, Cu 2+ + 2e Cu (e - elektron). A semleges molekulák közvetlenül részt vehetnek a katódon történő átalakulásokban, vagy reagálhatnak a katódos folyamat termékeivel, amelyeket ebben az esetben intermediernek tekintünk. in-va E. Az anódnál az elektrolit térfogatából származó vagy az anód anyagához tartozó ionok vagy molekulák oxidációja megy végbe; az utóbbi esetben az anód feloldódik vagy oxidálódik (lásd. Anódos oldódás). Például:

Az E. két folyamatot foglal magában: a reagáló részecskék migrációja elektromosság hatására. mezők az elektróda felületére és a töltés átvitele részecskéről elektródára vagy elektródáról részecskére. Az ionok vándorlását mobilitásuk és transzportszámuk határozza meg (lásd. Elektrolitok elektromos vezetőképessége). Az átviteli folyamat több. elektromos A töltéseket általában egyelektronos reakciók sorozataként hajtják végre, azaz lépésről lépésre, közbenső termékek képződésével. részecskék (ionok vagy gyökök), amelyek néha egy ideig az adszorbirban lévő elektródán vannak. állapot.
Az elektródarendszerek sebessége függ az elektrolit összetételétől és koncentrációjától, az elektródák anyagától, az elektródpotenciáltól, hőmérséklettől, hidrodinamikától. feltételek (lásd elektrokémiai kinetika). A sebesség mértéke az áramsűrűség - az átvitt elektromos áramok száma. egységnyi idő alatt töltődik fel az elektróda felületének egységnyi területén. Meghatározzuk az E. során keletkezett termékek számát Faraday törvényei. Az elektródán 1 gramm ekvivalens anyag felszabadulásának napja 26,8 A* órának megfelelő mennyiségű villamos energiát igényel, ha az elektródák mindegyikén egyszerre több keletkezik. termékek eredményeként számos elektrokémiai. r-ciók, az áram részesedése (%-ban), amely az egyik r-ció szorzatának kialakulásához megy, ún. a termék jelenlegi teljesítménye.
Az elektródafolyamat olyan anyagokat foglal magában, amelyeknek a töltés átviteléhez a legkevesebb elektromos áramra van szükség. potenciális; ez lehet nem azok az anyagok, amelyek meghatározzák az elektromosság átadását az oldat térfogatában. Például a NaCl vizes oldatának kibocsátása során a Na + és a Cl + ionok részt vesznek a migrációban, azonban szilárd katódon a Na + ionok nem kisülnek, hanem energetikailag kedvezőbb protonált vízmolekulák kisülési folyamata megy végbe: H 3 O + + e - > 1/2 H 2 + H 2 O.

Az E. alkalmazása. A céltermékek elektrolízissel történő kinyerése lehetővé teszi a folyamat sebességének és irányának viszonylag egyszerű (az áramerősség beállításával) szabályozását, aminek köszönhetően mind a „leglágyabb”, mind a rendkívül „kemény” folyamatok végrehajthatók. oxidáció vagy redukció körülményei között, a legerősebb oxidálószerek és redukálószerek előállítása érdekében. E. szerint a H 2 és az O 2 vízből, a C1 2 NaCl vizes oldataiból, az F 2 a KH 2 F 3-ban lévő KF olvadékból keletkezik.
A hidroelektrometalurgia a színesfémkohászat fontos ága (Cu, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); nemes- és fémnyomok előállítására is használják, Mn, Cr. Az E.-t közvetlenül fém katódos elválasztására használják, miután az ércből oldatba került, és az oldatot megtisztították. Ezt a folyamatot ún elektroextrakció. E. is használják tisztítására fém - elektrolitikus. finomítás (elektrofinomítás). Ez a folyamat a szennyezett fém anódos feloldásából és az azt követő katódos leválasztásból áll. A finomítást és az elektroextrakciót higanyból és amalgámokból készült folyékony elektródákkal (amalgámkohászat), valamint szilárd fémekből készült elektródákkal végzik.
Az E. elektrolit olvadékok sokak előállításának fontos módszerei. fémek Így például a nyers alumíniumot E. kriolit-alumínium-oxid olvadékból nyerik (Na 3 AlF 6 + A1 2 O 3), a nyersanyagot elektrolitikusan tisztítják. finomítás. Ebben az esetben az anód A1 olvadék, amely legfeljebb 35% Cu-t tartalmaz (súlyozáshoz), és ezért az elektrolizáló fürdő alján található. A fürdő középső folyadékrétege BaCl 2, AlF 3 és NaF, a felső pedig olvadt finomítót tartalmaz. Az A1 katódként szolgál.
E. magnézium-klorid vagy dehidratált karnallit olvadék - max. általános módszer a Mg előállítására. A bálban. léptékű E. olvadékokat használnak alkáli- és alkáliföldfémek előállítására. fémek, Be, Ti, W, Mo, Zr, U stb.
Elektrolitra A fémek előállításának módszerei közé tartozik a fémionok redukciója más, elektronnegatívabb ionokká is. fém. A fémek hidrogénnel történő redukciójával történő izolálása gyakran magában foglalja az elektrokémiai reakciók szakaszait is. a hidrogén ionizációja és a fémionok lerakódása a folyamat során felszabaduló elektronok miatt. Többek együttes felszabadulásának vagy oldódásának folyamatai fontos szerepet játszanak. fémek, fémek együttes felszabadulása és mol. hidrogén a katódon és az oldat komponenseinek adszorpciója az elektródákon. Az E. fémes készítésére szolgál. meghatározott jellemzőkkel rendelkező porok.
Az E.- egyéb fontos alkalmazásai galvanizálás, elektroszintézis, fémek elektrokémiai feldolgozása, korrózióvédelem (lásd Elektrokémiai védelem).

Elektrolizátorok. Ipari formatervezés készülékek elektrolit végrehajtására folyamatokat a folyamat természete határozza meg. A hidrometallurgiában és a galvanizálásban preimet használnak. úgynevezett dobozos elektrolizátorok, amelyek egy nyitott tartály elektrolittal, amelyben váltakozó katódok és anódok vannak elhelyezve, megfelelően csatlakoztatva. negatívval és tedd le. egyenáramú forrás pólusai. Anódok gyártásához grafitot, szén-grafit anyagokat, platinát, vas-oxidokat, ólmot, nikkelt, ólmot és ötvözeteit használnak; Alacsony kopású titán anódokat használnak aktív bevonattal, amelyek ruténium és titán-oxidok keverékéből (ruténium-titán-oxid anódok, vagy ORTA), valamint platinából és ötvözeteiből készülnek. A legtöbb elektrolizátorban a katódokhoz acélt használnak, beleértve a dekomp. védőbevonatok, figyelembe véve az elektrolit és az elektrolittermékek agresszivitását, a t-ry-t és más folyamatkörülményeket. Egyes elektrolizátorok nagy nyomású körülmények között működnek, például a víz lebontása legfeljebb 4 MPa nyomás alatt történik; Magasabb nyomásra is fejlesztenek elektrolizátorokat. Modernben A műanyagokat széles körben használják az elektrolizátorokban. tömegek, üveg és üvegszál, kerámia.
Többes számban elektrokémiai a gyártás megköveteli a katód- és az anódterek szétválasztását, ami az ionok számára áteresztő, de az áramlást akadályozó membránokkal történik. keverés és diffúzió. Ebben az esetben az elektródákon vagy az oldat térfogatában képződő folyékony és gáznemű termékek szétválását érjük el, és megakadályozzuk a kezdeti, köztes termékek részvételét. és az elektrolízis végtermékei az ellenkező előjelű elektródán és az elektródához közeli térben. A porózus membránokban mind a kationok, mind az anionok az átviteli számoknak megfelelő mennyiségben jutnak át mikropórusokon keresztül. Az ioncserélő membránokban (membránokban) vagy csak kationok vagy anionok kerülnek átadásra, az összetételükben található ionogén csoportok jellegétől függően. Erős oxidálószerek szintézisénél általában membrán nélküli elektrolizátorokat használnak, de az elektrolit oldathoz K 2 Cr 2 O 7-et adnak. Az elektromágneses folyamat során a katódon porózus kromit-kromát film képződik, amely a membrán funkcióit látja el. Klór előállítása során acélháló formájú katódot használnak, amelyre egy azbesztréteget visznek fel, amely membránként működik. Az E. eljárás során sóoldatot vezetnek az anódkamrába, és a NaOH-oldatot eltávolítják az anódkamrából.
Magnézium, alumínium, alkáli és alkáliföldfémek előállítására használt elektrolizátor. fémek, egy tűzálló anyaggal bélelt fürdő, az alján egy olvadt fém található, amely katódként szolgál, míg a tömb alakú anódok egy folyékony fémréteg felett helyezkednek el. A klór membrángyártási folyamataiban, az elektroszintézisben, szűrőprés típusú elektrolizátorokat használnak, külön összeszerelve. keretek, amelyek közé ioncserélő membránokat helyeznek el.
Az áramforráshoz való csatlakozás jellege alapján megkülönböztetünk monopoláris és bipoláris elektrolizátorokat (ábra). A monopoláris elektrolizátor egy elektrolitikus cellából áll. azonos polaritású elektródákkal rendelkező cellák, amelyek mindegyike több elemből állhat. áramkörrel párhuzamosan kapcsolt elemek. A bipoláris elektrolizátorban nagyszámú (100-160) cella van sorba kötve az áramkörrel, és mindegyik elektróda a két külső kivételével az egyik oldalon katódként, a másik pedig anódként működik. . A monopoláris elektrolizátorokat általában nagy áramerősségre és alacsony feszültségre, bipoláris - viszonylag alacsony áramerősségre és magas feszültségre tervezték. Modern az elektrolizátorok nagy áramterhelést tesznek lehetővé: monopoláris 400-500 kA-ig, bipoláris 1600 kA-nak megfelelő.

Bevezetés

Az elmúlt évtizedekben több száz vízelektrolízis-berendezést hoztak létre hidrogén és oxigén előállítására, amelyek elektrolizátorokkal vannak felszerelve, amelyek légköri és megemelt nyomáson is működnek. Jelenleg csak az erőművekben mintegy ezer különféle típusú elektrolizátor működik.

Az elkövetkező években a nemzetgazdaság elektrolitikus hidrogén iránti igényeinek kielégítése érdekében további jelentős számú, 500-650 kapacitású nagy teljesítményű elektrolizátorra lesz szükség. hidrogén és kisebb elektrolizátorok kis mennyiségű hidrogén előállítására.

Sok országban elektrolizáló üzemeket használnak nehézvíz előállítására melléktermékként. Ezt követően hatékonyabb módszereket dolgoztak ki az előállítására, de bizonyos esetekben célszerű a melléktermék víz előállítása nagy elektrolizáló üzemekben.

1. Általános információk a víz elektrolízis folyamatáról

Mint ismeretes, amikor az elektromos áram áthalad az elektrolitoldaton, ionok kisülnek az elektródákon, és ezzel kapcsolatos kémiai reakciók lépnek fel. Az elektrolízis folyamatának menetét a folyadékban lévő elektromos áram átvitele és az oldatban jelen lévő elektrolit ionok kisülési körülményei határozzák meg.

A víz elektrolízisének folyamatát hidrogén és oxigén előállítására a következő összefoglaló egyenlet írja le:

A tiszta vizet nem lehet közvetlenül elektrolízisnek alávetni, mivel elektromos vezetőképessége nagyon alacsony. A csapvíz fajlagos elektromos vezetőképessége közel van * nagyon tiszta desztillált víz kb. 4* . Ezért az elektrolízis során elektrolitok - savak, lúgok és sók - vizes oldatait használják.

Az elektrolit összetételének, koncentrációjának és hőmérsékletének változtatásával, valamint a túlfeszültség nagyságát meghatározó feltételek megválasztásával lehetőség nyílik az elektródák folyamatainak a kívánt irányban történő megváltoztatására.

Az ipari vízelektrolízis folyamatokban jelenleg csak lúgos elektrolitokat használnak - maró káliumot és maró szánkót. Ha műszaki lúgokat használnak elektrolitként, azok oldatai ionszennyeződéseket tartalmaznak stb. Az is lehetséges, hogy kis mennyiségű vas és egyéb szennyeződések vannak jelen az elektrolitban.

A vízelektrolízis berendezések hosszú távú működése során a betáplált vízben lévő szennyeződésekkel együtt bevitt idegen ionok felhalmozódnak az elektrolitoldatban. Ha bármilyen szennyeződés, például ionok , folyamatosan kerül az elektrolitoldatba, majd az elektrolízis folyamatának kellő időtartamával elérjük ennek a szennyezőnek a maximális koncentrációját, amelyet az egységnyi idő alatt az elektrolizátorba való beérkezésének és fogyasztásának egyenlőségéből határozunk meg.

Az elektrolizátor desztillált vízzel történő betáplálása során az elektrolitban az egyszerű ionok tartalma általában nagyon kicsi, és összességében nem haladja meg az 1-5 g/l-t, nem számítva a karbonátokat, amelyek 1 liter elektrolit oldatának tartalma elérheti a több tíz gramm. A nyitott elektrolittükörrel levegővel érintkező elektrolizátorokban a karbonátok koncentrációja még nagyobb is lehet. Egyes kialakítású elektrolizátorok esetében az elektrolitot lezárt tartályokban készítik elő nitrogéntakaróval, amely megakadályozza a karbonátos szennyeződést.

A víz elektrolízise során a katódon hidrogén, az anódon pedig oxigén szabadul fel. A katódos folyamat körülményeitől függően két lehetséges mechanizmus lehetséges. A magas hidrogénion-tartalmú savas oldatokban felszabadulása az ionok kisülése miatt következik be atomos hidrogén képződésével, amely a katód felületén adszorbeálódik, ami a következő kifejezéssel írható le:

Mivel az oldatban lévő hidrogénion hidratált, kisülésének szakasza a következőképpen ábrázolható:

A katódos folyamat következő szakasza az atomi hidrogén molekuláris hidrogénné történő rekombinációja, amely katalitikus mechanizmuson keresztül megy végbe.

Bizonyos körülmények között a katódos folyamat mindkét szakasza ionkisülés és a molekuláris hidrogén felszabadulása – egyszerre történhet.

Ha más kationok is jelen vannak az oldatban, amelyek a hidrogénhez képest pozitívabb kibocsátási potenciállal rendelkeznek, akkor a katódon szabadulnak fel, csapadékot képezve. Ez figyelhető meg például az ólom, ón, cink, vas, króm, molibdén és néhány más fém elektrolitjában lévő szennyeződések jelenlétében. Ha ilyen lerakódás képződik a katódon, megváltozhat a hidrogénfejlődés lehetősége és a katódos folyamat feltételei. Ipari körülmények között az elektrolit szinte mindig tartalmaz kis mennyiségű vasiont az elektrolizátorok acél részeinek állandó korróziója miatt. Ezért a katód felületén általában fém (vas) szivacs formájában lerakódás képződik.

Az oxigén felszabadulása az anódon a víz elektrolízise során hidroxil-ionok vagy vízmolekulák kisülésének eredményeként következik be. Kis mennyiségben jelen van az elektrolitban és más ionok, valamint ionok kellően magas lúgkoncentrációnál az oldatban (200-300 g/l vagy több) nem üríthetők ki, mivel ez ilyen körülmények között nagyobb potenciált igényel, mint az ionok kisülése vagy vízmolekulák. Mérsékelt áramsűrűségű lúgos oldatokban a hidroxil-ionok anódba juttatása nem korlátozó folyamat, és az anódon a reakciónak megfelelően kisülnek:

Savas oldatokban tetszőleges áramsűrűségnél és lúgos oldatokban nagy áramsűrűségnél ionellátás a korlátozó szakasz, és a mentesítésükre egy második mechanizmust javasolnak:

Az elektrolízis során az elektrolitban lévő összes ion részt vesz az áramátvitelben. Részvételük arányát az ionok relatív koncentrációja és mobilitása határozza meg. A lúgos elektrolitokban a hidrogénionok nagyon alacsony koncentrációja miatt az áramátvitelt szinte kizárólag ionok végzik.

A katódon szinte csak vízmolekulák, az anódon pedig az ionok kisülnek. . Ebben az esetben a katódon felszabaduló hidrogénmolekulák mindegyikéhez két vízmolekula bomlik két molekulává. . Ionok És , részt vesz az áram katódra történő átvitelében, valamint , és az anódra történő áramátvitelben részt vevő egyéb anionok nem kisülnek az elektródákon.

Tekintettel arra, hogy a víz elektrolízise során mindkét elektródán gázok szabadulnak fel, az elektródával szomszédos elektrolitréteg intenzíven keveredik. Ezért az anód felületén nem valószínű olyan lokális zónák kialakulása, amelyekben a KOH koncentrációja jelentősen csökkent, és ennek megfelelően megnövekedett ionkoncentrációval. stb. Azonban az elektróda és a szomszédos részek közötti szűk rések mélyén vagy az elektróda felülete közelében lévő iszap alatt az ionok koncentrációjának jelentős változása lehetséges a korábban tárgyalt okok miatt. Az ilyen koncentrációváltozások láthatóan helyi intenzív elektrokémiai korróziót okoznak az elektrolizátorok egyes részeiben.

Más elektrokémiai eljárásokhoz hasonlóan a víz elektrolízise során az elektromos energia költsége magas, és gyakran meghatározza ennek a folyamatnak a gazdaságosságát. Ezért mindig nagy figyelmet fordítanak az elektrolízis energiafogyasztásának és az elektrolitikus cella feszültségének csökkentésének kérdéseire.

. Elektrokémiai cellák

Egy elektrokémiai cella általában két félcellából áll, amelyek mindegyike a saját elektrolitjába merített elektróda. Az elektródák elektromosan vezető anyagból (fémből vagy szénből), vagy ritkábban félvezetőből készülnek. Az elektródák töltéshordozói elektronok, az elektrolitban pedig ionok. A konyhasó (nátrium-klorid NaCl) vizes oldata, amely elektrolit, töltött részecskéket tartalmaz: nátrium-kationokat Na. +és klór anionok Cl -Ha egy ilyen oldatot elektromos térbe helyezünk, akkor a Na-ionok +a negatív pólusra fog költözni, a Cl-ionok -- a pozitív felé. Az olvadt sók, például a NaCl, szintén elektrolitok. Az elektrolitok lehetnek szilárd anyagok is, például b-alumínium-oxid (nátrium-polialuminát), amely mobil nátriumionokat tartalmaz, vagy ioncserélő polimerek.

A félcellákat válaszfal választja el, amely nem zavarja az ionok mozgását, de megakadályozza az elektrolitok keveredését. Az ilyen válaszfal szerepét sóhíd, mindkét végén üveggyapottal lezárt vizes oldatú cső, ioncserélő membrán vagy porózus üveglap töltheti be. Az elektrolitikus cella mindkét elektródája ugyanabba az elektrolitba meríthető.

Az elektrokémiai celláknak két típusa van: galvanikus cellák és elektrolitikus cellák (elektrolizátorok).

Az elektrolitikus cellában ugyanazok a reakciók mennek végbe, mint a klór és lúg előállítására szolgáló ipari elektrolizátorokban: a sóoldat (nátrium-klorid tömény vizes oldata) klórrá és nátrium-hidroxid NaOH-dá alakul:

elektrolízis oxidációs ion

A grafitelektródon lévő kloridionok klórgázzá oxidálódnak, a vaselektródon lévő víz pedig hidrogén- és hidroxidionokká redukálódik. Az elektrolitok elektromosan semlegesek maradnak, mivel a nátriumionok egy válaszfalon – egy ioncserélő membránon – keresztül mozognak. Azt az elektródát, amelyen az oxidáció megtörténik, anódnak, azt az elektródát pedig, amelynél a redukció megtörténik, katódnak nevezzük.

Hivatkozások

1. O.D. Khvolson, Fizika tanfolyam, RSFSR, Gosizdat, Berlin, 1923, 4. kötet.

A.I. Levin, Az elektrokémia elméleti alapjai, Állam. Tudományos és műszaki Kiadó, Moszkva, 1963.

A.P. Sokolov, ZhRFKhO, 28. kötet, p. 129, 1896.

Phys. Encycl. Slov., szerk. „Szovjet Enciklopédia”, Moszkva, 1960, 1. évf. 288.

L.M. Yakimenko et al., Electrolysis of water, szerk. "kémia", Moszkva, 1970.

Korrepetálás

Segítségre van szüksége egy téma tanulmányozásához?

Szakembereink tanácsot adnak vagy oktatói szolgáltatásokat nyújtanak az Önt érdeklő témákban.
Nyújtsa be jelentkezését a téma megjelölésével, hogy tájékozódjon a konzultáció lehetőségéről.

Ebben a cikkben a közönséges víz elektrolíziséről fogunk beszélni.

Aki gondolkodás nélkül YouTube-videókkal szórakoztatja magát, majd egy tányéron próbálja megismételni a neki bemutatottakat, az kudarcra van ítélve. Az internet „hemzseg” a megtévesztő videóktól, és ez a műsor az emberek életének része. Valaki pénzt keres ebből, valaki pedig segít neki pénzt keresni azzal, hogy megnézi ezt a műsort. A videókat óvatosan kell megközelíteni. Például tudom, hogy lehet növelni egy elektrolizáló üzem hatékonyságát, de nem vagyok benne biztos, hogy Mayer valóban vízen vezette-e az autóját? Az elsőt elméletileg és gyakorlatilag is bebizonyítottam magamnak, de a másodikat még nem sikerült bebizonyítani.

Az autó számára szükséges elegendő mennyiségű gázhoz az elektródák területe a Mayer cellában túl kicsi! Mayer autójának dizájnjának egyik titokzatos eleme a vezetőülés mögött található piros tank. Sehol nem írnak róla semmit. A tartályba egy „Resonant Cavity” cellát, egy vízszintjelzőt és egy lézerstimulátort helyeznek. Ezen a tankon kívül minden le van írva így vagy úgy, de a tankról egyáltalán nem. Ez tényleg az üzemanyagtartály (vízhez). De a videókban Mayer közvetlenül a cellába önti a vizet. Ez egy kis kitérő volt a cikk témájától, de számodra ez egy elgondolkodtató téma.

Kutatásom elsősorban nem arra irányul, hogy egy elektrolizáló cellát gyorsan „csatlakoztassak” egy autóhoz, hanem a termelékenységének maximalizálását. A cél az elektrolízisáram, vagyis az energiaköltségek csökkentése, ugyanakkor az oxigén-hidrogén keverék kimeneti térfogatának növelése. Kísérleti kutatásaim során feltártam a víz bizonyos fizikai tulajdonságait, melyek tanulmányozása és utólagos felhasználása révén többszörösen növeltem egy közönséges elektrolizáló berendezés termelékenységét. Eleinte lemezekből álló összeállítással kezdtem kísérleteimet, de a kísérletek során ezeket fel kellett hagynom és csövekre kellett váltanom. A lemezek páratlan terhelést jelentettek ultramagas frekvenciákon. Nehéz volt elkészíteni egy közös módú mikrohullámú elosztót anélkül, hogy elveszítené a teljesítményét. A legtriviálisabb, de fő probléma az, hogy minden aktív elemnek egyenlő távolságra kellett lennie egy speciális mikrohullámú rezonátortól a hullámhossz többszörösére, különben egyenetlen gázkibocsátás következett be. Így kénytelen voltam csövekre váltani.

Annak érdekében, hogy a jövőben legyen mihez hasonlítani, a kísérletek sorozata a szokásos egyenáramú elektrolízissel kezdődött. A kísérleteket az alábbi elrendezésen végeztem el. Az elektrolizáló cellát szénszűrőn átengedett közönséges csapvízzel töltöttem fel, savak és lúgok nélkül. A kísérlet során az elektrolizáló cellából a hidrogén-oxigén elegy egy 100 milliliteres vízzel töltött „felfordított” tartályba került. A kísérlet elején, amikor bekapcsolták a készüléket, elindult a stopper. Amikor a tartály megtelt gázzal és 2 buborék került ki belőle a külső tartályba, a stopper megállt. A kísérleti idő csökkentése érdekében három pár, a Meyer szabadalmakban leírt, 4 hüvelyk hosszú csövet vettek elő. Az elektrolízis aktív tér teljes területe (elektródafelület) körülbelül 180 cm 2 volt.

A jelzett edényt többször „töltöttem” gázzal különböző elektrolízisáram mellett. Az általam választott áramok a következők voltak: 0,25A; 0,5A; 1A. 1,5A; 2A.

A közönséges egyenáramú elektrolízis során kiderült, hogy az U feszültség növekedésével az elektrolízis berendezés lemezein az I áram nemlineáris növekedése következik be. Egy előzetes feltételezés szerint a gázbuborékoknak meg kell akadályozniuk az áram áthaladását az interelektródában. hely, ezért a feszültség növekedése a lemezeken a parabola törvény szerint a víz-gáz keverékek ellenállásának növekedéséhez vezet. Valójában az ellenkező jelenség történt.

Az R ellenállás meredeken csökkent a feszültség növekedésével egy nemlineáris grafikon - „hiperbola” szerint. Várható volt, hogy az elektródák felületén megjelenő gázbuborékok megakadályozzák az elektromos áram áthaladását az elektródák között. De a gyakorlatban kiderült, hogy amikor az áram még mindig alacsony értéken nőtt, az ellenállás éles csökkenése következett be, és 7 amper feletti áramoknál a víz vezetőképességi tulajdonságai nem változnak - Ohm törvénye teljesül. A leírt jelenséget grafikonok illusztrálják.

Természetesen nagy áramerősséggel több gáz keletkezik, mert több gázra törekszünk, de a kibocsátott gáz teljesítményhez viszonyított aránya meredeken leesik, ami csökkenti a telepítés hatékonyságát.

Szükség volt egy olyan eszköz létrehozására, amely „megrázza” az elektrolízis berendezést. A shaker szerepében nyugdíjasnak is tekinthet - nem dolgozik sehol, ül és remeg, de elfoglal egy bizonyos mennyiségű helyet, etetni kell, a régi csontjait kezelni kell! Drágább lesz! Ezért technikai eszközökre van szükség.

Egyes oldalakon vannak olyan cikkek, amelyek szerint a Mayer csövek speciális vágásokkal rendelkeznek a hangfrekvenciák rezonanciájának hangolásához. A képen láthatjátok a vágásokat.

Természetesen lehetséges a hangrezgések használatának ez a lehetősége, de a csövek rögzítése úgy történik, hogy ne engedje meg a csövek rezgését. Annak tudatában, hogy a víz jól átadja a hangrezgéseket, egyszerűbb például egy ultrahangos rezonátort beszerelni a tartályba, és a hatás megvan. Egy közönséges négyzetimpulzus-generátort használtam egy TTL mikroáramkörön és egy ultrahangos „pennyt”. Egy ultrahangos rezonátorral végzett kísérlet enyhe növekedést mutatott ki a gázkibocsátásban, állandó energiafogyasztás mellett. Ennek a folyamatnak a jellemzői a grafikonon láthatók.

Itt az első grafikon a kilépő V gáz térfogatának a P elektromos teljesítményhez viszonyított arányát mutatja magából az oxigén-hidrogén keverék előállításához ultrahangos hatás nélkül felhasznált teljesítményből, a második pedig az ultrahang hatású. Van pozitív hatás, de nem jelentős. Alacsony teljesítménynél (alacsony áramerősségnél) az ultrahangos hatás egyáltalán nem befolyásolja az elektrolízis folyamatát, de nagy teljesítményen valamelyest megnő a berendezés termelékenysége. Ideális esetben feltételezhetjük, hogy minél erősebb a rezgés, annál magasabb lesz a teljesítménygrafikon, de még mindig időbe telik, amíg a gázbuborékokat eltávolítjuk az elektródák közötti térből.

A gázbuborékok eltávolításának egyik lehetősége az elektródák közötti térből a víz gyors keringésének biztosítása, amely kimossa az oxigén- és hidrogénbuborékokat. Kanarev elvtárs ezt a módszert alkalmazza a reaktoraiban. Mayer pedig – többek között – úgy tervezte meg mobil installációjának csöveit, hogy biztosítsák a víz és gázok legjobb természetes keringését.

Mayer szabadalmaira térve észrevettem, hogy a szabadalmakban jelentős helyet szentel a lézerstimulációnak. A LED-ek körülbelül 30 kHz-es frekvenciával villognak. Erőteljes piros LED-ek, hasonlóak a lézermutatókban találhatókhoz, stimulátorként használatosak. A lézeres mutatók szedése nem olcsó mulatság, ezért nem tettem. Természetesen lehet szuperfényes LED-ekkel bütykölni, de én még nem értek hozzá. Ha van kedved és lehetőséged, próbáld ki.

Nem értem el a piros lámpa tartományát, megálltam a mikrohullámú frekvenciáknál. Mint korábban írtam, a vízmolekulák rezonanciafrekvenciáját használják. Ez lehetővé teszi, hogy egy rövid, kis teljesítményű impulzus mikrohullámú töltéssel szinte bármilyen mennyiségű vizet „megrázzon”. De mivel az ultramagas frekvenciákon történő folyamatos rezgés csak vízmolekulákat képes felmelegíteni (mint például a mikrohullámú sütő kvázi folyamatos rezgése), és erre nincs szükségünk, ezért rövid impulzust használtam. A régi konstrukció egyenetlen gázkibocsátást mutatott a különböző csőpárokból, ezért a cellatervezést újra kellett készíteni a mikrohullámú technológia fortélyait felhasználva. A rövid ultra-nagyfrekvenciás impulzus használatának köszönhetően jelentősen megnőtt a gázkibocsátás mennyisége, miközben az energiafogyasztás változatlan maradt.

Itt az első grafikon a kilépő V gáz térfogatának a P teljesítményhez viszonyított arányának a függését magától az oxigén-hidrogén keverék előállításához felhasznált elektromos teljesítménytől, további befolyásolás nélkül. A második grafikon az ultrahangos, a harmadik pedig a mikrohullámú impulzus expozícióját mutatja. A mikrohullámú impulzusokkal végzett stimuláció pozitív hatása kifejezőbb, mint az ultrahanggal történő stimuláció. A mikrohullámú stimulációval végzett kísérletek során enyhe teljesítménycsökkenést figyeltek meg körülbelül 16 wattos bemeneti teljesítménynél, majd ismét teljesítménynövekedést figyeltek meg. Hogy ez milyen esés, azt egyelőre nem tudom megmagyarázni, mérési hibának hittem, de ismételt kísérletekkel és más műszerekkel végzett kísérletekkel megismétlődött a „csepp”. A pontosság érdekében az ismételt méréseket 0,2A-es áramlépésekkel végeztük, 0,2A és 2,4A között. A grafikon végén meredeken visszaesett a teljesítmény. Helyesebb lenne azt mondani, hogy nőtt az áram, de a gáz mennyisége nem. Feltételezem, hogy nagy áramerősségnél nagy mennyiségű felszabaduló gáz zavarta a berendezés működését, ezért nagyobb áramerősségnél nem kísérleteztem, nincs értelme.

Ha megnézi az utolsó grafikont, megállapíthatja: ez a 180 cm 2 hasznos elektródafelületű kísérleti berendezés (három pár cső) óránként körülbelül 2,2 liter oxigén-hidrogén keveréket képes előállítani 27 watttal. elektromos teljesítmény. A feltüntetett teljesítmény és 12 V feszültség mellett az áramfelvétel körülbelül 2,25 amper lesz. Ebből következik, hogy óránként 22 liter oxigén-hidrogén keverék előállításához 270 W elektromos energia szükséges, ami 12 voltos fedélzeti feszültség mellett 22,5 amperes áramerősségnek felel meg. Ehhez 30 pár körülbelül 10 centiméter magas csőre van szükség. Mint látható, az áramerősség nem kicsi, de jól „belefér” egy szabványos autógenerátor energiafogyasztásába. Ez másként is megtehető: 1 kilowatt elektromos teljesítményre 81 liter gáz keletkezik, köbméterre átszámítva pedig körülbelül 12,3 kilowattóra szükséges. egy köbméter oxigén-hidrogén keverék előállításához.

Ha összehasonlítjuk a jól ismert elektrolizáló berendezésekkel, például az IPTI-vel, amelyek 4...5 kilowattórát költenek normál köbméterenként hidrogénre, akkor az ebben a cikkben ismertetett berendezés veszít a termelékenységből, mivel 18,5 kilowattórát költ egyenként. köbméter normalizált hidrogén. Ezért vonja le saját következtetéseit az általam megadott számokból.

Még nem jöttem rá, mekkora gázmennyiség szükséges a belső égésű motor működtetéséhez. De a YouTube-on megjelenőnek nem sok köze van a valósághoz.

Vízfertőtlenítés közvetlen elektrolízissel

Mi a víz közvetlen elektrolízise?

Az elektromos áram áthaladását a kezelt vízen elektrokémiai reakciók sorozata kíséri, melynek eredményeként a vízben új anyagok képződnek, és megváltozik az intermolekuláris kölcsönhatások szerkezete. A víz közvetlen elektrolízise során oxidálószerek szintézise megy végbe - oxigén, ózon, hidrogén-peroxid stb. Ezen kívül még nagyon alacsony kloridtartalmú vízben is a közvetlen elektrolízis során klórmaradvány képződik, ami nagyon fontos a a vízfertőtlenítés elhúzódó hatása.

A víz elektrolízis folyamatának elmélete

Egyszerűsített formában a víz közvetlen elektrolízise több folyamatból áll.

1) Elektrokémiai folyamat.

Vízben (H2O ) két lemez (elektród) párhuzamosan helyezkedik el: anód és katód. Az elektródákra adott egyenfeszültség a víz elektrolízisét okozza.

Az anódon gyártják oxigén: 2H 2O → O2+ 4H + + 4e − (a víz megsavanyodik).

A katódon hidrogén képződik: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (a víz lúgosodik).

A felszabaduló hidrogén mennyisége kicsi és nem nagy probléma.

A speciális elektródák használata lehetővé teszi ózon és hidrogén-peroxid előállítását vízből.

Az anódon gyártják ózon: 3H 2 O → O 3+ 6e − + 6H +(a víz megsavanyodik).

A katódon - hidrogén-peroxid : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H2O2+ 2OH −(a víz lúgosodik).

A természetes friss (nem desztillált) víz mindig tartalmaz ásványi sókat - szulfátokat, karbonátokat, kloridokat. Ahhoz, hogy klórt nyerjünk a vízfertőtlenítés hosszan tartó hatásához, csak a kloridok érdekesek. A vízben főként nátrium-klorid (NaCl), kalcium-klorid (CaCl) és kálium-klorid (KCl).

A nátrium-klorid példáját használva a klór elektrolízissel történő képződésének reakciója a következő lesz.

Vízben oldott só: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O

Az elektrolízis során az anódon klór képződik: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (a víz megsavanyodik).

És nátrium-hidroxid képződik a katódon: Na + + OH – → NaOH (a víz lúgosodik).

Ez a reakció rövid életű, mivel az anódon keletkező klór gyorsan elfogy nátrium-hipoklorit : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl.

Hasonló elektrolízis reakciók mennek végbe kalcium- és kálium-kloriddal.

Így az édesvíz elektrolízise eredményeként erős oxidálószerek keveréke keletkezik:oxigén + ózon + hidrogén-peroxid + nátrium-hipoklorit .

2) Elektromágneses folyamat.

A vízmolekula egy kis dipólus, amely pozitív (hidrogén oldali) és negatív (oxigén oldali) töltéseket tartalmaz a pólusokon. Elektromágneses térben a vízmolekula hidrogén része a katódhoz, az oxigén része pedig az anódhoz vonzódik. Ez a vízmolekulában a hidrogénkötések gyengüléséhez, sőt megszakadásához vezet. A hidrogénkötések gyengülése elősegíti az atomi oxigén képződését. Az atomi oxigén jelenléte a vízben hozzájárul csökkenti a víz keménységét. A kalcium mindig jelen van a közönséges vízben. A Ca + ionokat atomi oxigén oxidálja: Ca + + O → CaO. A kalcium-oxid vízzel keveredve kalcium-oxid-hidrátot képez: CaO + H 2 O → Ca (OH) 2. A kalcium-oxid-hidrát erős bázis, vízben jól oldódik. Hasonló folyamatok fordulnak elő a vízkeménység más elemeivel is.

3) Kavitációs folyamatok.

Az elektrokémiai és elektromágneses folyamat eredményeként mikroszkopikus méretű oxigén és hidrogén gázbuborékok keletkeznek. Felbukkanó buborékokból álló fehéres felhő jelenik meg az elektródák felülete közelében. A víz áramlása által magával ragadva a buborékok olyan területre kerülnek, ahol az áramlási sebesség kisebb és a nyomás nagyobb, és nagy sebességgel összeomlanak.

A buborék pillanatnyi összeomlása hatalmas energiát szabadít fel, ami tönkreteszi a buborék vízfalát, i.e. vízmolekulák. A vízmolekula pusztulásának következménye hidrogén- és oxigénionok, hidrogén- és oxigénatomrészecskék, hidrogén- és oxigénmolekulák, hidroxil- és egyéb anyagok képződése.

A felsorolt ​​folyamatok hozzájárulnak a kialakulásához fő oxidálószer - atomi oxigén.

Mi az egyedülálló a víz közvetlen elektrolízisében?

A közvetlen elektrolízissel történő vízfertőtlenítés az oxidatív vízkezelés egyik fajtája, de alapvetően eltér a szokásos fertőtlenítési módszerektől abban, hogy az oxidálószereket magából a vízből állítják elő, és nem kívülről juttatják be, és funkciójuk betöltése után visszakerülnek a vízbe. előző állapot. A közvetlen elektrolízissel végzett vízfertőtlenítés hatékonysága többszöröse a kémiai módszerekkel összehasonlítva. A víz közvetlen elektrolízise elősegíti szín, kénhidrogén, ammónium eltávolítása forrásvíz. A közvetlen elektrolízishez nincs szükség adagolószivattyúkra vagy reagensekre.

Az elosztóhálózatokban a víz másodlagos bakteriális szennyeződésének megakadályozásához szükséges klór az elektrolizátoron áthaladó víz természetes ásványi sóiból aktiválódik, és azonnal feloldódik benne. A közvetlen elektrolízis lebontja a klóraminokat, nitrogénné és sókká alakítva azokat.