Vistas:0 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2022-06-01 Origen:Sitio
1. Método de producción industrial de hidrógeno
En la industria, los siguientes métodos generalmente se usan para producir hidrógeno: uno es pasar vapor de agua a través de Coca -Cola caliente (llamado método de reducción de carbono) para obtener hidrógeno con una pureza de aproximadamente 75%; El otro es pasar vapor de agua a través de hierro caliente para obtener hidrógeno de hidrógeno con una pureza de menos del 97%; El tercero es extraer hidrógeno del gas de agua, y la pureza del hidrógeno obtenido también es baja; El cuarto método es la electrólisis del agua, la pureza del hidrógeno obtenido puede ser tan alta como 99% o más, que es la preparación industrial de hidrógeno un método importante. Durante la electrólisis de la solución de hidróxido de sodio (potasio), el oxígeno se libera en el ánodo y el hidrógeno se libera en el cátodo. El hidrógeno también se puede obtener mediante una solución acuosa de cloruro de sodio electrolizado para producir hidróxido de sodio.
La pureza del hidrógeno utilizado para enfriar el generador es relativamente alta, por lo que es producida por el método de electrólisis del agua.
2. El principio de producción de hidrógeno por electrólisis del agua
La llamada electrólisis es el proceso de descomponer el electrolito disuelto en agua en nuevas sustancias mediante la acción de la corriente continua.
Cuando la corriente continua se aplica a algunas soluciones acuosas de electrolitos, las sustancias descompuestas no tienen absolutamente nada que ver con el electrolito original. El agua descompuesta es el disolvente, y el electrolito original permanece en el agua. Por ejemplo, el ácido sulfúrico, el hidróxido de sodio, el hidróxido de potasio, etc., todos pertenecen a este tipo de electrolito.
Cuando el agua electrolizada, el agua pura es un electrolito débil típico debido a su pequeño grado de ionización y baja conductividad. Por lo tanto, el electrolito antes mencionado debe agregarse para aumentar la conductividad de la solución, de modo que el agua se puede electrolizar suavemente en hidrógeno y oxígeno.
Los electrolitos como el hidróxido de potasio no serán electrolizados. Ahora tome el hidróxido de potasio como ejemplo para ilustrar:
(1) El hidróxido de potasio es un electrolito fuerte. Después de disolverse en agua, se produce el siguiente proceso de ionización:
Como resultado, se produce una gran cantidad de K+ y OH- en la solución acuosa.
(2) La reactividad de los iones metálicos en la solución acuosa es diferente, que se puede organizar en el orden de reactividad de la siguiente manera:
K> na> mg> al> mn> zn> fe> ni> sn> pb> h> cu> hg> ag> au
En la disposición anterior, el metal en el frente es más animado que la parte posterior.
(3) En el orden de la actividad del metal, cuanto más activo sea el metal, más fácil es perder electrones, de lo contrario lo contrario es cierto. Desde la perspectiva de la teoría electroquímica, el potencial de electrodo de los iones metálicos que son fáciles de obtener electrones es alto, y los iones metálicos clasificados en el orden de actividad son difíciles de obtener electrones y se convierten en átomos debido a su bajo potencial de electrodo. El potencial de electrodo de H+=-1.71V, y el potencial de electrodo de K+=-2.66V. Por lo tanto, cuando H+ y K+ existen en la solución acuosa al mismo tiempo, H+ primero obtendrá electrones en el cátodo y se convertirá en gas de hidrógeno, mientras que K+ seguirá siendo en solución.
(4) El agua es un electrolito débil y es difícil de ionizar. Cuando KOH se disuelve en agua, las moléculas de agua polares rodean el K+ ionizado para convertirse en iones de potasio hidratados, y las moléculas de agua tienen una dirección polar debido a la acción de K+. Bajo la acción de la corriente continua, K+ se mueve al cátodo con moléculas de agua con direcciones polares, y luego H+ primero obtendrá electrones y se convertirá en hidrógeno.
Cuando se aplica una corriente continua a una solución acuosa de hidróxido de potasio, las siguientes reacciones de descarga ocurren en el cátodo y el ánodo, respectivamente.
(1) Reacción catódica. El H+ en el electrolito (producido después de la ionización del agua) es atraído por el cátodo y se mueve al cátodo, acepta electrones y libera hidrógeno, y la reacción de descarga es:
(2) Reacción del ánodo. El OH- en el electrolito se siente atraído por el ánodo y se mueve al ánodo, y finalmente libera electrones para convertirse en agua y oxígeno. La reacción de descarga es:
La fórmula de reacción total del cátodo y el ánodo combinado es:
Electrólisis
Por lo tanto, en el proceso de electrólisis con KOH como electrolito, el agua en realidad se electroliza para producir hidrógeno y oxígeno, y KOH solo juega el papel de carga.
Cuando el agua electrolizada, el voltaje de CC aplicado a la célula electrolítica debe ser mayor que el voltaje de descomposición teórico del agua, para superar varias gotas de voltaje de resistencia y la fuerza electromotriz electromotiva de polarización del electrodo en la celda electrolítica. La fuerza electromotriz de polarización del electrodo es la suma del sobrepotencial en la evolución del hidrógeno del cátodo y el sobrepotencial en la evolución del oxígeno del ánodo. Por lo tanto, el voltaje de electrólisis de agua U puede expresarse como:
En la fórmula, U0— - El voltaje de descomposición teórico del agua, V;
I - corriente electrolítica, a;
R— - La resistencia total de la célula electrolítica, Ω;
—— Hidrógeno sobrepotencial, V;
- - Oxígeno sobrepotencial, V.
Desde el punto de vista del consumo de energía, el voltaje de la electrólisis debe reducirse tanto como sea posible. A continuación se analizan varios factores que afectan el voltaje electrolítico:
(1) El voltaje de descomposición teórico UO de agua. Los estudios termodinámicos han concluido que el trabajo eléctrico máximo realizado por la batería primaria es igual a la reducción en el cambio de energía en el sitio de reacción, a saber:
En la fórmula, el cambio de energía libre de Gibbs de la reacción de la batería en el estado estándar, j/mol;
n - El número de transferencia de electrones en la reacción;
F-Faraday constante, 96500c/mol; E0-Fuerza electromotriz estándar de reacción en estado estándar, V.
En la reacción química de la generación de agua, la energía libre se convierte en -474.4kJ/mol, es decir
2H2 (g)+O2 (g) = 2H2O (1)
Esta es una reacción redox, y las medias reacciones en los dos electrodos son:
O2+4H ++ 4E = 2H2O
2H2 = 4H ++ 4E
El número de transferencia de electrones n = 4, obtenido por = -nfe0
—474.4 × 103 =-4 × 96500E0
Se puede ver que a 0.1MPa y 25 ° C, U0 = 1.23V; Es el voltaje mínimo que debe proporcionarse durante la electrólisis de agua, lo que disminuye con el aumento de la temperatura y aumenta con el aumento de la presión, y la presión aumenta cada 10 veces, el voltaje aumenta en aproximadamente 43 mV.
(2) hidrógeno, oxígeno sobrepotencial y. Hay muchos factores que afectan el sobrepotencial de hidrógeno y oxígeno. Primero, el material del electrodo y el estado de superficie del electrodo tienen una gran influencia en él. Por ejemplo, el sobrepotencial de hidrógeno del hierro y el níquel es más bajo que el de plomo, zinc y mercurio, y el sobrepotencial de oxígeno del hierro y el níquel también es más bajo que el del plomo. Cuanto más grande sea el área de contacto con el electrolito o cuanto más rugosa sea la superficie del electrodo, más pequeño se generan sobrepotenciales de hidrógeno y oxígeno. En segundo lugar, cuando la densidad de corriente aumenta durante la electrólisis, el sobrepotencial aumentará en consecuencia, y el aumento de la temperatura también causará un aumento en el sobrepotencial. Además, el sobrepotencial también está relacionado con las propiedades, concentración e impurezas del electrolito y otros factores. Por ejemplo, en el electrodo de níquel, el sobrepotencial de oxígeno de la solución diluida es mayor que la de la solución concentrada.
Para reducir el sobrepotencial de hidrógeno y oxígeno, se pueden tomar algunos métodos. Como aumentar la temperatura de trabajo y usar materiales de electrodo apropiados. Además, aumentar adecuadamente el área de superficie real del electrodo o hacer que la superficie del electrodo rugue puede reducir la resistencia del electrodo y sobrepotencial a diversos grados, lo que alcanza el propósito de reducir el voltaje de trabajo.
(3) caída de voltaje de resistencia. La resistencia total en la célula electrolítica incluye la resistencia del electrolito, la resistencia del diafragma, la resistencia del electrodo y la resistencia de contacto, entre los cuales los dos primeros son los factores principales. La caída del voltaje de resistencia del diafragma depende del grosor y las propiedades del material. Usando un diafragma general de asbesto, cuando la densidad de corriente es 2400A/m2, la caída de voltaje en la resistencia al diafragma es de aproximadamente 0.25 ~ 0.30V. Cuando aumenta la densidad de corriente, la caída de voltaje aumentará a aproximadamente 0.5V. Cuanto mayor sea la conductividad del electrolito, menor es la caída de voltaje en el electrolito. Para el electrolito, además de su pequeño valor de resistencia, también se requiere que no se descomponga bajo el voltaje de electrólisis; No escapa con hidrógeno y oxígeno debido a la volatilización; No es corrosivo al material de la célula electrolítica; Cuando el valor de pH de la solución es cuando se cambia, debe tener un cierto rendimiento de amortiguación.
La mayoría de los electrolitos se descomponen fácilmente durante la electrólisis y no deben usarse durante la electrólisis del agua. El ácido sulfúrico genera ácido persulfúrico y ozono en el ánodo, que es altamente corrosivo y no debe usarse. El álcali fuerte puede cumplir con los requisitos anteriores, por lo que la solución acuosa KOH o NaOH generalmente se usa como electrolito en la industria. La conductividad de KOH es mejor que la de NaOH, pero el precio es más costoso. A temperaturas más altas, el efecto de corrosión en la célula electrolítica también es más fuerte que el de NaOH. En el pasado, el NaOH a menudo se usaba como electrolito en mi país. Sin embargo, en vista del hecho de que el material del electrolizado de corriente ha podido resistir la corrosión de KOH, para ahorrar electricidad, la solución KOH generalmente se ha utilizado como electrolito.
Además, en el proceso de agua electrolizada, el electrolito contendrá burbujas de hidrógeno y oxígeno precipitadas continuamente, lo que aumentará la resistencia del electrolito. El porcentaje del volumen de la burbuja del caballo en el electrolito al volumen del electrolito, incluida las burbujas, se llama contenido de gas del electrolito. El contenido de gas está relacionado con la densidad de corriente durante la electrólisis, la viscosidad del electrolito, el tamaño de las burbujas, la presión de trabajo y la estructura de la célula electrolítica. Aumentar la tasa de circulación y la presión de trabajo del electrolito reducirá el contenido de gas; Aumentar la densidad de corriente o aumentar la temperatura de trabajo aumentará el contenido de gas. En situaciones prácticas, las burbujas en el electrolito son inevitables, por lo que la resistencia del electrolito será mucho mayor que sin burbujas. Cuando el contenido de gas alcanza el 35%, la resistencia del electrolito es 2 veces que sin burbujas.
Bajar el voltaje de trabajo es beneficioso para reducir el consumo de energía, y se deben tomar medidas efectivas para reducir el hidrógeno, el sobrepotencial de oxígeno y la caída de voltaje de resistencia. En general, cuando la corriente es pequeña, la primera es el factor principal; Y cuando la corriente sea grande, este último se convertirá en el factor principal.
Cuando la célula electrolítica funciona a una presión de trabajo alta, el contenido de gas del electrolito disminuye, reduciendo así la resistencia del electrolito. Por esta razón, se ha desarrollado una célula electrolítica que puede funcionar bajo una presión de 3 MPa. Sin embargo, la presión de trabajo no debe ser demasiado alta, de lo contrario, la solubilidad del hidrógeno y el oxígeno en el electrolito aumentará, para que puedan regenerar el agua a través del diafragma, reduciendo así la eficiencia actual. Aumentar la temperatura de trabajo también puede reducir la resistencia del electrolito, pero la corrosión del electrolito a la célula electrolítica también aumentará. Si la temperatura es superior a 90 ℃, el electrolito causará daños graves al diafragma del asbesto y formará silicato soluble en el diafragma del asbesto. Por esta razón, se han desarrollado una variedad de materiales de diafragma resistentes a la corrosión a alta temperatura, como copos de metalurgia en polvo de níquel y materiales de diafragma unidos con fibras de titanato de potasio y politetrafluoroetileno, que se pueden usar en el ley a 150 ° C. Para reducir la resistencia del electrolito, también es posible reducir la densidad de corriente de la célula electrolítica, acelerar la velocidad de circulación del electrolito y reducir adecuadamente la distancia entre los electrodos.
