Kemijski principi pridobivanja vodika z elektrolizo vode

V industriji se za proizvodnjo vodika običajno uporabljajo naslednje metode; ena je spuščanje vodne pare skozi vroč koks (metoda redukcije ogljika), da dobimo vodik s čistostjo približno 75 %; druga je prehajanje vodne pare skozi vroče železo, da dobimo čistost Tretja metoda je pridobivanje vodika iz vodnega plina in čistost dobljenega vodika je prav tako nizka; četrta metoda je metoda elektrolize vode, čistost proizvedenega vodika pa je lahko 99 % ali več. To je metoda za pripravo vodika v industriji. pomembna metoda. Pri elektrolizi raztopine natrijevega (kalijevega) hidroksida se na anodi sprošča kisik, na katodi pa vodik. Vodik lahko pridobimo tudi z elektrolizo vodne raztopine natrijevega klorida, da proizvedemo natrijev hidroksid.

Tako imenovana elektroliza je proces razgradnje v vodi raztopljenih elektrolitov na nove snovi s pomočjo enosmernega toka. Ko enosmerni tok prehaja v nekatere vodne raztopine elektrolitov, razpadle snovi nimajo nobene zveze s prvotnim elektrolitom. Kar se razgradi, je voda kot topilo, prvotni elektrolit pa ostane v vodi. Na primer, žveplova kislina, natrijev hidroksid, kalijev hidroksid itd. vsi spadajo v to vrsto elektrolitov.

Ker ima čista voda zelo malo ionizacije in nizko prevodnost, je pri elektrolizi vode tipičen šibek elektrolit. Zato je treba dodati zgoraj omenjene elektrolite, da se poveča prevodnost raztopine, da se lahko voda nemoteno elektrolizira v vodik in kisik. Elektroliti, kot je kalijev hidroksid, ne bodo elektrolizirani. Vzemimo za primer kalijev hidroksid:

(1) Kalijev hidroksid je močan elektrolit. Ko se raztopi v vodi, pride do naslednjega procesa ionizacije:

KOH - K+tenOH-

Posledično je v vodni raztopini nastala velika količina K+ in OH-.

(2) Reaktivnost kovinskih ionov v vodnih raztopinah je različna. Po reaktivnosti jih lahko razporedimo na naslednji način:

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

V zgornji postavitvi je kovina spredaj bolj živahna kot tista zadaj.

(3) V vrstnem redu aktivnosti kovin velja, da bolj kot je kovina aktivna, lažje izgublja elektrone, sicer je ravno obratno. Z vidika elektrokemijske teorije imajo kovinski ioni, ki zlahka pridobijo elektrone, visok elektrodni potencial, medtem ko kovinski ioni, ki so prvi po vrstnem redu aktivnosti, težko pridobijo elektrone in postanejo atomi zaradi nizkega elektrodnega potenciala. Elektrodni potencial vodikovih ionov je -1,71 V, medtem ko je elektrodni potencial kalijevih ionov -2,66 V. Če torej v vodni raztopini hkrati obstajajo vodikovi ioni in kalijevi ioni, vodikovi ioni najprej pridobijo elektrone na katodi in postanejo vodikov plin, kalijevi ioni pa ostanejo v raztopini.

(4) Voda je šibek elektrolit in jo je težko ionizirati. Ko se kalijev hidroksid raztopi v vodi, so ionizirani kalijevi ioni obdani s polarnimi molekulami vode in postanejo hidratizirani kalijevi ioni. Zaradi delovanja kalijevih ionov so molekule vode polarne smeri. Pod delovanjem enosmernega toka se kalijevi ioni in hidratizirane molekule s polarno smerjo premikajo proti katodi. V tem času vodikovi ioni najprej pridobijo elektrone in postanejo vodikov plin. Zato se v procesu elektrolize z uporabo kalijevega hidroksida kot elektrolita voda dejansko elektrolizira, da nastane vodik in kisik, medtem ko kalijev hidroksid igra samo vlogo prenašanja nabojev.

Pri elektrolizi vode mora biti enosmerna napetost, ki se uporablja za elektrolitsko celico, večja od teoretične napetosti razgradnje vode, da se premagajo različni padci napetosti upora in elektromotorna sila polarizacije elektrode v elektrolitski celici. Elektromotorna sila polarizacije elektrode je vsota prenapetosti, ko se vodik izloča na katodi, in nadnapetosti, ko se na anodi izloči kisik. Zato lahko napetost elektrolize vode U izrazimo kot: U=U0+IR+nadpotencial vodika+nadpotencial kisika

V formuli U0--Teoretična napetost razgradnje vode, V;

I--Tok elektrolize, A

R--Skupni upor elektrolitske celice, Ω

Z vidika porabe energije je treba napetost elektrolize čim bolj zmanjšati. Dejavniki, ki vplivajo na napetost elektrolize, vključujejo predvsem naslednje tri vidike:

(1) Teoretična napetost razgradnje (približno 1,23 V pri 0,1 MPa in 25 stopinjah), ki pada z naraščanjem temperature in narašča z naraščanjem tlaka. Za vsakih 10-kratno povečanje tlaka se napetost poveča za približno 43 mV.

(2) Prekomerni potencial vodika in kisika. Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na prenapetost vodika in kisika. Prvič, material elektrode in stanje površine elektrode imata večji vpliv nanjo. Na primer, prepotencial vodika pri železu in niklju je nižji od prepotenciala svinca, cinka, živega srebra itd., prepotencial kisika pri železu in niklju pa presega prepotencial svinca, cinka in živega srebra. Tudi potencial je nižji od svinca. Večja kot je kontaktna površina z elektrolitom ali bolj groba kot je površina elektrode, manjši je nastali prenapetost vodika in kisika. Drugič, ko se med elektrolizo poveča gostota toka, se bo prenapetost ustrezno povečala, dvig temperature pa bo povzročil tudi povečanje prenapetosti. Poleg tega je prenapetost povezana tudi z dejavniki, kot so narava, koncentracija elektrolita in nečistoče v raztopini. Na primer, na nikljevi elektrodi je prepotencial kisika v razredčeni raztopini večji kot v koncentrirani raztopini.

Za zmanjšanje prenapetosti vodika in kisika je mogoče uporabiti nekatere metode. Na primer zvišanje delovne temperature in uporaba ustreznih materialov za elektrode. Poleg tega lahko ustrezno povečanje dejanske površine elektrode ali hrapavost površine elektrode zmanjšata upor elektrode in prenapetost v različnih stopnjah, s čimer se doseže namen zmanjšanja delovne napetosti.

(3) Padec napetosti upora. Skupni upor v elektrolitski celici vključuje upor elektrolita, upor membrane, upor elektrode in kontaktni upor, med katerimi sta prva dva glavna dejavnika. Padec napetosti upora membrane je odvisen od debeline in lastnosti materiala. Pri uporabi splošne azbestne membrane, ko je gostota toka 2400A/m2, je padec napetosti na uporu membrane približno 0.25-0.30V. Ko se gostota toka ponovno poveča, se bo padec napetosti povečal na približno 0,5 V. Večja kot je prevodnost elektrolita, manjši je padec napetosti v elektrolitu. Za elektrolit se poleg majhne vrednosti upora zahteva tudi, da se pod elektrolizno napetostjo ne razgradi; ne uhaja z vodikom in kisikom zaradi izhlapevanja; ni jedko za materiale elektrolitskih celic; ko je pH vrednost raztopine Pri spreminjanju mora imeti določeno pufersko zmogljivost.

Večina elektrolitov se med elektrolizo zlahka razgradi in se jih ne sme uporabljati pri elektrolizi vode. Žveplova kislina ustvarja peržveplovo kislino in ozon na anodi, ki je zelo jedka in se je ne sme uporabljati. Močne alkalije lahko izpolnjujejo zgornje zahteve, zato se kot elektrolit v industriji običajno uporablja vodna raztopina KOH ali NaOH. KOH ima boljšo električno prevodnost kot NaOH, vendar je dražji. Pri višjih temperaturah je njegov korozivni učinek na elektrolitsko celico močnejši od NaOH. V preteklosti je bil pri nas kot elektrolit pogosto uporabljen NaOH. Glede na dejstvo, da so trenutni materiali elektrolitskih celic že odporni proti koroziji KOH, je zaradi varčevanja z električno energijo prišlo do splošnega trenda uporabe raztopine KOH kot elektrolita. Poleg tega med postopkom elektrolizo vode, bo elektrolit vseboval mehurčke vodika in kisika, ki se nenehno obarjajo, kar poveča odpornost elektrolita. Odstotek prostornine mehurčkov v elektrolitu glede na prostornino elektrolita, vključno z mehurčki, se imenuje vsebnost plina v elektrolitu. Vsebnost plina je povezana z gostoto toka med elektrolizo, viskoznostjo elektrolita, velikostjo mehurčkov, delovnim tlakom in strukturo elektrolitskih celic ter drugimi dejavniki. Povečanje hitrosti kroženja in delovnega tlaka elektrolita bo zmanjšalo vsebnost plina; povečanje gostote toka ali povečanje delovne temperature bo povečalo vsebnost plina. V dejanskih situacijah so mehurčki v elektrolitu neizogibni, zato bo odpornost elektrolita veliko večja kot brez mehurčkov. Ko vsebnost plina doseže 35 %, je upornost elektrolita dvakrat večja kot takrat, ko ni mehurčkov. Zmanjšanje delovne napetosti prispeva k zmanjšanju porabe energije. Zaradi tega je treba sprejeti učinkovite ukrepe za zmanjšanje prenapetosti vodika in kisika ter upornih padcev napetosti. Na splošno, ko je tok majhen, je prvi glavni dejavnik; ko je tok velik, bo slednji postal glavni dejavnik.

Ko elektrolitska celica deluje pod visokim delovnim tlakom, se vsebnost plina v elektrolitu zmanjša, s čimer se zmanjša upornost elektrolita. Iz tega razloga je bila razvita elektrolitska celica, ki lahko deluje pod tlakom 3MPa. Vendar delovni manometer ne sme biti previsok, sicer bo povečala topnost vodika in kisika v elektrolitu, zaradi česar bosta regenerirala vodo skozi diafragmo in s tem zmanjšala tokovni izkoristek. Zvišanje delovne temperature lahko zmanjša tudi odpornost elektrolita, vendar se bo korozija elektrolita s strani elektrolita tudi okrepila. Če je temperatura višja od 90 stopinj, bo elektrolit resno poškodoval azbestno diafragmo in tvoril topne silikate v azbestni membrani. V ta namen so bili razviti različni diafragmni materiali za visokotemperaturno korozijo, kot so plošče iz nikljeve praškaste metalurgije in diafragmni materiali, povezani z vlakni kalijevega titanata in politetrafluoroetilena, ki se lahko uporabljajo v alkalnih raztopinah pri 150 stopinjah. Za zmanjšanje upora elektrolita je mogoče prilagoditi tudi gostoto toka elektrolitske celice, pospešiti kroženje elektrolita in ustrezno zmanjšati razdaljo med elektrodama.

Prikaži več