Получение газа водорода из воды путём электролиза

Электролизер

Электролиз – химико-физическое явление по разложению веществ на элементы при помощи электротока, которое повсюду используется в производственных целях. На основе данной реакции делаются агрегаты для получения, к примеру, хлора или цветных металлов.

Электролизная установка, которая состоит из пластин

Постоянный рост расценок на энергетические ресурсы сделал востребованными ионные установки домашнего применения. Что собой представляют подобные конструкции, и как их сделать дома?

Общая информация об электролизере

Электролизная установка – устройство для электролиза, требующее наружный энергоисточник, конструктивно которое состоит из нескольких электродов, которые помещены в заполненную электролитом емкость. Также данная установка может именоваться устройством для расщепления воды.

В аналогичных агрегатах ключевым техническим параметром считается продуктивность, которая значит объем вырабатываемого водорода за час и меряется в м?/ч. Неподвижные агрегаты несут такой параметр в наименовании модели, к примеру, мембранная установка СЭУ-40 формирует за час 40 куб. м водорода.

внешний вид стационарного промышленного агрегата СЭУ-40

Другие характеристики подобных устройств полностью зависят от целевого назначения и вида установок. К примеру, при выполнении электролиза воды КПД агрегата зависит от нижеследующих показателей:

1. Уровень наименьшего электродного потенциала (электронапряжения). Для хорошего функционирования агрегата эта характеристика должна быть в диапазоне 1,8-2 В на одну пластину. Если источник электрического питания имеет напряжение в 14 В, то емкость электролизера с электролитным раствором есть смысл поделить листами на 7 ячеек. Аналогичная установка именуется сухим электролизером. Меньшее значение не запустит электролиз, а большее – сильно повысит энергитический расход;

Расположение пластин в ванной электролизной установки

1. Чем меньше будет расстояние между пластиночными элементами, тем меньше будет сопротивление, что при прохождении большого тока приводит к увеличению выработки газового вещества;
2. Поверхностную площадь пластин прямо влияет на продуктивность;
3. Тепловой баланс и степень концентрации электролита;
4. Материал электродных компонентов. Золото считается дорогим, но замечательным материалом для использования в электролизерах. Из-за его большой стоимости иногда используют нержавейку.

Главное! В конструкциях иного типа значения будут иметь другие параметры.

Установки для электролиза воды могут также применяться для таких целей, как обеззараживание, очистка и оценка качества воды.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

1. реакционная колба с резервуаром;
2. воронка с длинной трубкой;
3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2­

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Рабочий принцип и виды электролизера

Очень простое устройство имеют электролизеры, которые расщепляют воду на кислород и водород. Они состоят из емкости с электролитом, в которую помещаются электроды, подключенные к энергоисточнику.

Конструкция самой простой электролизной установки

Рабочий принцип электролизной установки состоит в том, что электроток, проходящий через электролит, имеет напряжение, достаточное для разложения воды на молекулы. Результат процесса – анод выделяет одну часть кислорода, а катод создает две части водорода.

Электролиз воды в промышленных генераторах водорода

Электролиз

это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В промышленных генераторах водорода для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:

• Анод
  — электрод к которому подключен положительный проводник;
• Катод
  — электрод к которому подключен отрицательный проводник.

Ниже представлена принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.

Электролиз воды

Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод — анионы ОН-.
Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:

• Реакция на аноде: 2H2O -> O2
  + 4H+ + 4e- — выделение кислорода;
• Реакция на катоде: 2H2O + 2e- -> H2
  + 2OH- — выделение водорода.

Промышленный электролизер собран по биполярной схеме, где между основными электродом и катодом помещены биполярные «промежуточные» электроды имеющие разные заряды по сторонам. Со стороны основного анода, промежуточный электрод имеет катодную сторону, со стороны катода — анодную (см. рисунок).
Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.

Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м3/час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н2м3/кВт-ч.

ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ

В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.
Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.

Виды электролизеров

Приспособления для расщепления воды бывают нижеследующих видов:

Такие электролизеры имеют самую примитивную конструкцию (картинка выше). Им свойственна характерность, которая состоит в том, что манипуляция с числом ячеек даст вам возможность запитать аппарат от источника с любым напряжением.

Проточный вид

Эти установки имеют в собственной конструкции полностью залитую электролитом ванную с электродными элементами и бачком.

Устройство обычного электролизера проточного типа, где А – ванна с электродами, D – бачок, В, Е – трубки, С – выходной клапан

Рабочий принцип проточной электролизной установки нижеследующий (по картинке выше):

• при протечке электролиза электролит одновременно с газом через трубу «В» выдавливается в бачок «D»;
• в емкости «D» течет процесс по отделению газа от электролита;
• газ выходит через клапан «С»;
• электролитный раствор идет назад через трубку «Е» в ванную «А».

Интересно знать. Этот рабочий принцип настроен в определенных в инверторных аппаратах – горение выделяемого газа позволяет сваривать детали.

Мембранный вид

Электролизная установка мембранного типа имеет одинаковую конструкцию с другими электролизерами, но в качестве электролита выступает твёрдое вещество на основе полимера, которое называется мембранной тканью.

Конструкция мембранного электролизера

Мембранная ткань в подобных агрегатах имеет двойное назначение – перенос ионов и протонов, зонирование электродов и продуктов электролиза.

Диафрагменный вид

Когда одно вещество не может проникать и влиять на иное, используют пористую диафрагму, которая может делаться из стекла, полимерных волокон, керамики либо асбестового материала.

Устройство диафрагменного электролизера, где 1 – выход для кислорода, 2 – колба, 3 – выход для водорода, 4 – анод, 5 – катод, 6 – диафрагма

Щелочной вид

Протекать электролиз в дистиллированной воде не может. В подобных вариантах приходится применять катализаторы, которыми выступают щелочные растворы большой концентрации. Исходя из этого, весомую часть ионных устройств можно именовать щелочными.

Главное! Нужно отметить, что применение соли в качестве катализатора вредно, так как при протечке реакции выделяется газообразный хлор. Замечательным катализатором как правило выступает гидроксид натрия, который не разъедает металлические электроды и не содействует выделению вредоносных веществ.

Самостоятельное изготовление электролизера

Сделать электролизер собственными руками может всякий человек. Для сборочного процесса самой обычной конструкции понадобятся нижеследующие материалы:

• лист нержавеющей стали (оптимальные варианты – иностранная AISI 316L или наша 03Х16Н15М3);
• болты М6х150;
• шайбы и гайки;
• прозрачная трубка – можно использовать ватерпас, который применяется в целях строительства;
• несколько штуцеров типа «елочка» с внешним диаметром 8 мм;
• контейнер из пластика объемом 1,5 л;
• маленькой фильтрующий водопроводную воду фильтр, к примеру, фильтр для машин для стирки;
• обратный водный клапан.

Сборочный процесс

Собирать электролизер собственными руками следует по следующей инструкции:

1. В первую очередь нужно разметить и последующую распилку листа нержавеющей стали на одинаковые квадраты. Распилка может выполняться угловой шлифмашинкой (угловой шлифмашиной). Один из уголков в подобных квадратах обязан быть спилен под угол для верного закрепления пластин;
2. Дальше понадобится сделать отверстие для болта на противоположной от углового спила стороне пластины;
3. Соединение пластин следует производить по очереди: одна пластина на «+», следующая на «-» и так дальше;
4. Между разно заряженными пластинами должен находиться изолятор, которым выступает трубка от ватерпаса. Ее следует разрезать на кольца, какие следует разрезать вдоль для получения полосок толщиной 1 мм. Подобного расстояния между пластин достаточно для хорошего выделения газа при электролизе;
5. Скрепление пластин вместе выполняется при помощи шайб так: на болт садится шайба, потом – пластина, дальше – три шайбы, после – пластина и так дальше. Пластины, благоприятно заряженные, размещаются зеркально отрицательно заряженных листов. Это дает возможность не позволить задевание электродов спиленными краями;

Собранные вместе пластины электролизной установки

1. Собирая пластины, следует одновременно выполнять их изоляцию и затяжку гаек;
2. Также каждую пластину необходимо прозвонить для того, чтобы быть увереным в отсутствии короткого замыкания;
3. Дальше всю сборку требуется уместить в бокс из пластика;
4. После чего стоит выделить места касания болтов о стены контейнера, где и высверлить два отверстия. Если болты не влезают в емкость, тогда их нужно подрезать ножовкой;
5. Дальше болты затягиваются гайками и шайбами для герметичности конструкции;

Пластины, помещенные в контейнер из пластика

1. После проделанных действий понадобится выполнить отверстия в крышке контейнера и вставить в них штуцера. Непроницаемость в этом случае можно обеспечить при помощи промазки швов герметиками на силиконовой основе;
2. Защитный клапан и фильтр в конструкции размещаются на выходе газа и служат средством контроля чрезмерного его накопления, способное привести к плохим результатам;
3. Электролизная установка собрана.

Последний этап – испытание, которое выполняется подобным образом:

• заполнение водой емкости до отметки болтов для крепежа;
• подключение питания к прибору;
• подключение к штуцеру трубки, противоположный конец которой опускается в воду.

Если будет подан на установку слабый ток, то выпускание газа через трубку будет практически неприметно, однако изнутри электролизера его можно будет смотреть. Повышая переменный ток, добавляя щелочной катализатор в воду, можно значительно расширить выход газового вещества.

Сделанный электролизер как правило выступает важной частью многих устройств, к примеру, водородной горелки.

внешний вид водородной горелки, основой которой считается собственноручно сделанный электролизер

Зная типы, ключевые характеристики, устройство и рабочий принцип ионных установок, можно выполнить правильную сборку самодельной конструкции, которые является прекрасным помощником в самых разных бытовых ситуациях: от сварки и экономии топливного расхода автомобильного транспорта до функционирования систем отопления.

Выполнить электролизер собственными руками

Наверняка, вам знаком процесс электролиза ещё из программы начальной школы. Это когда в воду ставят 2 полярных электрода под током, дабы получить металлы или неметаллы в чистом виде. Электролизер необходим, чтобы разложить водяные молекулы на кислород и водород. Электролизер, являясь частью научных механизмов, делит молекулы на ионы.

Есть два типа данного прибора:

• Сухой электролизер (это абсолютно закрытая ячейка);
• Влажный электролизер (это две металлические пластины, помещенные в контейнер с водой).

Этот аппарат простой в плане устройства, что дает возможность его задействовать даже дома. Электролизеры делят электролизные заряды атомов молекул на заряженные атомы.

В нашем случае он делит воду на позитивный водород и негативный кислород. Чтобы это сделать требуется большое количество энергии, и чтобы сделать меньше кол-во необходимой энергии, применяют катализатор.

Получение водорода электролизом воды

Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.

На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.

Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.

Создаём прибор собственными руками

Прибор для данного процесса можно выполнить своими руками.

Для этого будут нужны:

• Лист нержавейки;
• Болты М6 х 150;
• Шайбы;
• Гайки;
• Прозрачная трубка;
• Соединительные элементы с резьбой с двух строн;
• Контейнер из пластика на полтора литра;
• Водяной фильтр;
• Клапан обратный для воды.

Прекрасный вариант нержавеющей стали — AISI 316L иностранного изготовителя или 03Х16Н15М3 изготовителя из нашей страны. Абсолютно не нужно приобретать нержавеющую сталь, можно взять старую. Вам хватит 50 на 50 сантиметров .

«Для чего брать собственно нержавеющую сталь?» — спросите вы. Так как на самом обыкновенном металле возникнет коррозия. Нержавеющая сталь лучше переносит действие щелочей. Следует наметить лист таким образом, чтобы поделить его на 16 похожих квадратов. Разрезать его можно угловой шлифмашиной. В каждом квадрате спилите один из углов.

На другой стороне и противоположном углу, от спиленного угла, просверлите дырку для болта, который поможет скрепить пластины. Электролизер не прекращает работу так: от пластины к пластине идёт электричество – и вода распадается на кислород и водород. Благодаря этому нам потребуется хорошая и негативная пластина.

Пластины необходимо подключать попеременно: плюс-минус-плюс-минус, при подобном методе будет крепкий ток. Для изолирования пластин один от одного, применяется трубка. От уровня обрезают кольцо. Разрезая его, мы приобретаем полоску толщиной в миллиметр. Подобное расстояние является более правильным для изготовления газа.

Пластины между собой соединяются при помощи шайб: на болт насаживаем шайбу, потом пластину и три шайбы, потом опять пластина и так дальше. На плюс и минус необходимо насадить по восемь пластинок. Если все сделать правильно, то спилы пластин не заденут электроды.

После понадобится натянуть гайки и изолировать пластины. После помещаем конструкцию в контейнер из пластика.

Доводка и испытание прибора

После чего необходимо определить, где болты затрагивают стен бокса и, в тех местах, высверлить две отверствия. Если ни с того ни с сего так выйдет, что болты не помещаются в ёмкость, то их следует срезать и натянуть для герметичности гайками. Сейчас следует высверлить крышку и вставить туда соединительные элементы с резьбой с двух строн. Чтобы обеспечить непроницаемость, следует намазать шов при помощи герметика на основе силикона.

После сборки собственными руками собственного электролизера, следует его испытать. Для этого подключаете прибор к источнику питания, наполняете его водой до болтов, одеваете крышку, подключив к штуцеру трубку и опустив противоположный конец трубки в воду. Если слабый ток, то изнутри электролизера будет виден ток.

Поэтапно делайте больше мощность тока в выполненном собственными руками приборе. Дистиллированная вода плохо проводит электричество, так как в ней нет солей и примесей. Чтобы подготовить электролит, необходимо добавить щёлочь в воду. Для этого необходимо взять гидроксид натрия (содержится в средствах для очищения труб типа «Крота»). Защитный клапан необходим, чтобы мешать накоплению приличного количества газа.

• В качестве катализатора лучше применять дистиллированную воду и соду.
• Следует перемешать часть соды к сорока частям воды. Стенки по бокам лучше выполнить из акрилового стекла.
• Электроды лучше выполнить из нержавеющей стали. Для пластин имеет смысл применять золото.
• В качестве подкладок применяйте пропускающий свет поливинилхлорид. Они могут быть размером 200 на 160 миллиметров.
• Собственный электролизер, сделанный собственными руками, можно использовать чтобы приготовить пищу, для полнейшего сгорания бензина в машинах и в болшинстве случаев.

Для машин применяют, в основном, сухие электролизеры. Генератор повышает мощность мотора внутреннего сгорания. Водород зажигается намного быстрее, чем жидкое горючее, делая больше силу поршня. Помимо «Крота» можно взять «Мистер Мускул», каустическую соду, пищевую соду.

На питьевой воде генератор не работает. Подсоединять электричество лучше так: первую и последнюю пластину – минус, а на пластину в середине – плюс. Чем больше площадь пластин и крепче ток, тем больше газа выделяется.

Домашний электролиз своими руками

Когда я был маленький, я всё время хотел что-либо делать сам, своими рукам. Вот только родители (и другие родственники) обычно этого не разрешали. А я не видел тогда (и до сих пор не вижу) ничего плохого, когда маленькие дети хотят учиться