Principis químics de la producció d'hidrogen per electròlisi de l'aigua

A la indústria s'acostumen a utilitzar els mètodes següents per produir hidrogen; un és fer passar vapor d'aigua a través del coc calent (mètode de reducció de carboni) per obtenir hidrogen amb una puresa d'aproximadament el 75%; l'altre és fer passar vapor d'aigua a través del ferro calent per obtenir una puresa de El tercer mètode és extreure hidrogen del gas d'aigua, i la puresa de l'hidrogen obtingut també és baixa; el quart mètode és el mètode d'electròlisi de l'aigua, i la puresa de l'hidrogen produït pot arribar al 99% o més. Aquest és un mètode per preparar hidrogen a la indústria. un mètode important. Durant l'electròlisi de la solució d'hidròxid de sodi (potassi), l'oxigen s'allibera a l'ànode i l'hidrogen s'allibera al càtode. L'hidrogen també es pot obtenir electrolitzant una solució aquosa de clorur de sodi per produir hidròxid de sodi.

L'anomenada electròlisi és el procés de descomposició d'electròlits dissolts a l'aigua en noves substàncies amb l'ajuda del corrent continu. Quan el corrent continu passa a algunes solucions aquoses d'electròlits, les substàncies descompostes no tenen res a veure amb l'electròlit original. El que es descomposa és l'aigua com a dissolvent, i l'electròlit original roman a l'aigua. Per exemple, l'àcid sulfúric, l'hidròxid de sodi, l'hidròxid de potassi, etc. pertanyen a aquest tipus d'electròlits.

Quan s'electròliza l'aigua, ja que l'aigua pura té molt poca ionització i baixa conductivitat, és un electròlit feble típic. Per tant, cal afegir els electròlits esmentats per augmentar la conductivitat de la solució de manera que l'aigua es pugui electrolitzar sense problemes en hidrogen i oxigen. Els electròlits com l'hidròxid de potassi no seran electrolitzats. Prenem com a exemple l'hidròxid de potassi:

(1) L'hidròxid de potassi és un electròlit fort. Quan es dissol a l'aigua, es produeix el següent procés d'ionització:

KOH - K+tenOH-

Com a resultat, es va produir una gran quantitat de K+ i OH- a la solució aquosa.

(2) La reactivitat dels ions metàl·lics en solucions aquoses és diferent. Es poden ordenar per ordre de reactivitat de la següent manera:

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

En la disposició anterior, el metall de la part davantera és més viu que el de la part posterior.

(3) En l'ordre de l'activitat del metall, com més actiu és el metall, més fàcil és perdre electrons, en cas contrari és cert el contrari. Des del punt de vista de la teoria electroquímica, els ions metàl·lics que poden obtenir electrons fàcilment tenen un potencial d'elèctrode elevat, mentre que els ions metàl·lics que es troben en primer lloc en l'ordre d'activitat són difícils d'obtenir electrons i es converteixen en àtoms a causa del seu baix potencial d'elèctrode. El potencial de l'elèctrode dels ions d'hidrogen és de -1,71 V, mentre que el potencial de l'elèctrode dels ions de potassi és de -2,66 V. Per tant, quan hi ha ions d'hidrogen i ions de potassi al mateix temps a la solució aquosa, els ions d'hidrogen obtindran primer electrons al càtode i es convertiran en gas d'hidrogen, i els ions de potassi romandran en solució.

(4) L'aigua és un electròlit feble i és difícil d'ionitzar. Quan l'hidròxid de potassi es dissol a l'aigua, els ions de potassi ionitzats estan envoltats de molècules d'aigua polar i es converteixen en ions de potassi hidratats. L'acció dels ions potassi fa que les molècules d'aigua tinguin direcció polar. Sota l'acció del corrent continu, els ions de potassi i les molècules hidratades amb direccions polars es mouen cap al càtode. En aquest moment, els ions d'hidrogen primer guanyen electrons i es converteixen en gas hidrogen. Per tant, en el procés d'electròlisi utilitzant hidròxid de potassi com a electròlit, l'aigua s'electròliza per produir hidrogen i oxigen, mentre que l'hidròxid de potassi només té el paper de transportar càrregues.

Quan s'electroliza l'aigua, la tensió de corrent continu aplicada a la cèl·lula electrolítica ha de ser superior a la tensió de descomposició teòrica de l'aigua per superar diverses caigudes de tensió de resistència i la força electromotriu de polarització de l'elèctrode a la cèl·lula electrolítica. La força electromotriu de polarització de l'elèctrode és la suma del sobrepotencial quan es precipita hidrogen al càtode i del sobrepotencial quan es precipita l'oxigen a l'ànode. Per tant, la tensió d'electròlisi de l'aigua U es pot expressar com: U=U0+IR + sobrepotencial d'hidrogen + sobrepotencial d'oxigen

A la fórmula, U0--Tensió de descomposició teòrica de l'aigua, V;

I--Corrent d'electròlisi, A

R--Resistència total de la cel·la electrolítica, Ω

Des de la perspectiva del consum d'energia, la tensió d'electròlisi s'ha de reduir tant com sigui possible. Els factors que afecten la tensió d'electròlisi inclouen principalment els tres aspectes següents:

(1) Tensió de descomposició teòrica (aproximadament 1,23 V a 0,1 MPa i 25 graus), que disminueix amb l'augment de la temperatura i augmenta amb l'augment de la pressió. Per cada 10 vegades d'augment de pressió, la tensió augmenta aproximadament 43 mV.

(2) Sobrepotencial d'hidrogen i oxigen. Hi ha molts factors que afecten el sobrepotencial d'hidrogen i oxigen. En primer lloc, el material de l'elèctrode i l'estat de la superfície de l'elèctrode hi tenen un impacte més gran. Per exemple, el sobrepotencial d'hidrogen del ferro i el níquel és inferior al del plom, zinc, mercuri, etc., i el sobrepotencial d'oxigen del ferro i níquel supera el del plom, zinc i mercuri. El potencial també és inferior al del plom. Com més gran sigui l'àrea de contacte amb l'electròlit o més rugosa sigui la superfície de l'elèctrode, més petit serà el sobrepotencial d'hidrogen i oxigen generat. En segon lloc, a mesura que la densitat de corrent augmenta durant l'electròlisi, el sobrepotencial augmentarà en conseqüència i l'augment de la temperatura també provocarà un augment del sobrepotencial. A més, el sobrepotencial també està relacionat amb factors com la naturalesa, la concentració de l'electròlit i les impureses de la solució. Per exemple, en un elèctrode de níquel, el sobrepotencial d'oxigen d'una solució diluïda és més gran que el d'una solució concentrada.

Per tal de reduir el sobrepotencial d'hidrogen i oxigen, es poden adoptar alguns mètodes. Com ara augmentar la temperatura de funcionament i utilitzar materials d'elèctrode adequats. A més, augmentar adequadament l'àrea de la superfície real de l'elèctrode o la rugositat de la superfície de l'elèctrode pot reduir la resistència i el sobrepotencial de l'elèctrode en diferents graus, aconseguint així el propòsit de reduir la tensió de funcionament.

(3) Caiguda de tensió de la resistència. La resistència total de la cel·la electrolítica inclou la resistència de l'electròlit, la resistència del diafragma, la resistència de l'elèctrode i la resistència de contacte, entre els quals els dos primers són els principals factors. La caiguda de tensió de la resistència del diafragma depèn del gruix i les propietats del material. Utilitzant un diafragma general d'amiant, quan la densitat de corrent és de 2400A/m2, la caiguda de tensió a la resistència del diafragma és d'aproximadament 0,25-0,30 V. Quan la densitat de corrent augmenta de nou, la caiguda de tensió augmentarà a uns 0,5 V. Com més gran sigui la conductivitat de l'electròlit, menor serà la caiguda de tensió de l'electròlit. Per a l'electròlit, a més de tenir un valor de resistència petit, també es requereix que no es descompongui sota la tensió d'electròlisi; no s'escapa amb l'hidrogen i l'oxigen per volatilització; no és corrosiu per als materials de les cèl·lules electrolítiques; quan el valor de pH de la solució Quan es canvia, hauria de tenir un determinat rendiment de tampó.

La majoria dels electròlits són fàcils de descompondre durant l'electròlisi i no s'han d'utilitzar quan s'electròlitza l'aigua. L'àcid sulfúric genera àcid persulfúric i ozó a l'ànode, que és molt corrosiu i no s'ha d'utilitzar. L'àlcali fort pot complir els requisits anteriors, de manera que la solució aquosa de KOH o NaOH s'utilitza generalment com a electròlit a la indústria. El KOH té una millor conductivitat elèctrica que el NaOH, però és més car. A temperatures més altes, el seu efecte corrosiu sobre la cèl·lula electrolítica és més fort que el del NaOH. En el passat, el NaOH s'utilitzava sovint com a electròlit al nostre país. Tanmateix, atès que els materials actuals de les cèl·lules electrolítiques ja són resistents a la corrosió de KOH, per estalviar energia elèctrica, hi ha hagut una tendència general a utilitzar la solució de KOH com a electròlit. A més, durant el procés de electrolitzant l'aigua, l'electròlit contindrà bombolles d'hidrogen i oxigen que es precipiten contínuament, la qual cosa augmenta la resistència de l'electròlit. El percentatge del volum de bombolles de l'electròlit respecte al volum de l'electròlit incloses les bombolles s'anomena contingut de gas de l'electròlit. El contingut de gas està relacionat amb la densitat de corrent durant l'electròlisi, la viscositat de l'electròlit, la mida de la bombolla, la pressió de treball i l'estructura de la cel·la electrolítica i altres factors. Augmentar la velocitat de circulació i la pressió de treball de l'electròlit reduirà el contingut de gas; augmentar la densitat de corrent o augmentar la temperatura de treball augmentarà el contingut de gas. En situacions reals, les bombolles a l'electròlit són inevitables, de manera que la resistència de l'electròlit serà molt més gran que sense bombolles. Quan el contingut de gas arriba al 35%, la resistència de l'electròlit és el doble que quan no hi ha bombolles. La reducció de la tensió de funcionament ajuda a reduir el consum d'energia. Per aquest motiu, s'han de prendre mesures efectives per reduir els sobrepotencials d'hidrogen i oxigen i les caigudes de tensió de resistència. En general, quan el corrent és petit, el primer és el factor principal; quan el corrent sigui gran, aquest últim es convertirà en el factor principal.

Quan la cèl·lula electrolítica funciona a una pressió de treball elevada, el contingut de gas de l'electròlit disminueix, reduint així la resistència de l'electròlit. Per aquest motiu, s'ha desenvolupat una pila electrolítica que pot funcionar sota una pressió de 3MPa. Tanmateix, el manòmetre de treball no ha de ser massa alt, en cas contrari augmentarà la solubilitat de l'hidrogen i l'oxigen a l'electròlit, fent que es regeneri l'aigua a través del diafragma, reduint així l'eficiència actual. L'augment de la temperatura de funcionament també pot reduir la resistència de l'electròlit, però la corrosió de l'electròlit per l'electròlit també s'intensificarà. Si la temperatura és superior a 90 graus, l'electròlit causarà danys greus al diafragma d'amiant i formarà silicats solubles al diafragma d'amiant. Amb aquesta finalitat, s'han desenvolupat una varietat de materials de diafragma per a la corrosió a alta temperatura, com ara làmines de metal·lúrgia en pols de níquel i materials de diafragma units amb fibra de titanat de potassi i politetrafluoroetilè, que es poden utilitzar en solucions alcalines a 150 graus. Per reduir la resistència de l'electròlit, també es pot adoptar la densitat de corrent de la cèl·lula electrolítica, es pot accelerar la velocitat de circulació de l'electròlit i la distància entre els elèctrodes es pot reduir adequadament.

Veure més