Простые расчеты в электролизе. Получение водорода.   (стр. 6)

 

Страницы теории:   1  2  3  4  5  6)  7  8 финал  9 вопросы и ответы       возврат на основной сайт 

 

 

  Но не все так безнадежно. Трюк заключается в том, что от одной 12-ти вольтовой батареи может работать не одна, а четыре ячейки электролизера, включенные последовательно. Следовательно потребность в токе будет в четыре раза меньше. 605 / 4 = 151 Ампер. Такой ток можно безопасно распределить между четырьмя или пятью аккумуляторами. Понятно, что кроме увеличения количества батарей, придется увеличить количество ячеек, в которых будет происходить электролиз. Их количество будет кратным четырем. 4, 8, 12 ...

  Разобравшись с выходом водорода по затраченному току, необходимо перейти к определению реального напряжения на одной ячейке электролизера. Это поможет ответить на вопрос – сколько ячеек можно последовательно подключить к одной автомобильной батарее?


   Электрохимический эквивалент, это количество вещества, претерпевшего химическое превращение на электроде при пропускании единицы количества электричества при условии, что все электричество тратится, только, на превращение данного вещества!!!

  Теоретический расчет напряжения является сложной задачей. Это связано с многими факторами участвующими в электролизе. В общем случае напряжение формируется из трех составляющих – напряжение разложения воды, перенапряжение выделения кислорода и водорода, концентрационной поляризации, потерей в электролите и, если используется диафрагма разделяющая зоны катода и анода, то потери на диафрагме. Усложняет задачу то, что общее напряжение зависит от плотности тока, температуры, давления, концентрации электролита, потерь на проводниках ... Точный расчет, это скорее, повод для диссертации или научного исследования. Мы практики, поэтому возьмем промышленный электролизер и посмотрим при каких напряжениях он работает.

  В книге «Электролиз воды» под ред. Докт.Тех. Наук, Профессора Л.М.Якименко, рассматривается электролизер 500, серии ФВ, в котором на железных электродах производится электролиз 30 процентного раствора щелочи, К(ОН). Таблица показывает зависимость напряжения на ячейке электролизера в зависимости от плотности тока и температуры электролита.

Пл.тока, А/м2  (А/Дм2)                         500(5)   1000(10)    2000(20)   3000(30)

Напряжение на ячейке,  Вольт:

При 75 град.Цельсия                              1,86          1,99           2,20          2,40

При 95 град.Цельсия                              1,77          1,89           2,09          2,28

  Из таблицы можно сделать три вывода. Первый – напряжение на ячейке, при котором идет электролиз с выделением водорода, начинается с 1,86 Вольт при малой плотности тока. Второе – зависимость напряжения от тока близка к линейной. Третье – напряжение зависит от температуры электролита. Последнее весьма важно, тк при температуре 80 градусов Цельсия наблюдается минимум напряжения на ячейке, что делает процесс наиболее энергетически выгодным.

  Теоретически рассчитать напряжение на ячейке достаточно сложно. Из четырех компонентов – напряжение разложения, перенапряжение, поляризация и потери в электролите / диафрагме, точно можно рассчитать только напряжение разложения.

  Теоретическое напряжение разложения, определяемое разностью термодинамически обратимых потенциалов анода и катода, можно рассчитать на основе стандартных термодинамических функций воды и ее составляющих (Н+, ОН-,Н2,О2). В результате разница составит 1,18 (1,23) Вольт.  При расчете, где за основу приняты тепловой эффект реакции и температурный коэффициент, через максимальную работу процесса, получим напряжение разложения 1,23 Вольт. Разные результаты расчета имеют хорошую сходимость в теор. напряжении разложения равном 1,23 Вольт.

  Это совсем не значит, что при достижении 1,23 Вольт начнется электролиз воды. Необходимо еще преодолеть перенапряжение, поляризацию и эдс кислородно водородного элемента. Здесь наиболее значительной составляющей является перенапряжение выделения водорода на катоде и кислорода на аноде. Обе составляющих зависят от материалов катода и анода. Рассматривая перенапряжение выделения кислорода и водорода из 16 процентного раствора гидрооксида натрия, можно прийти к выводу, что наиболее благоприятным материалом для катода является платина. В диапазоне реальных плотностей тока, перенапряжение на платиновом катоде будет лежать в диапазоне 0,04 – 0,095 Вольт при температуре электролита 18 градусов Цельсия и 0,01 – 0,055 Вольт при 80 градусах Цельсия. В реальных электролизерах в качестве катода могут применять материалы с относительно небольшим перенапряжением выделения водорода, такие как железо (сталь легированная и простая), никель, кобальт, медь. Материалы с высоким перенапряжением – цинк, свинец, ртуть. На катоде, выполненном из железа, перенапряжение выделения водорода находится в диапазоне от 0,26 – 0,45 Вольт при 18 градусах Цельсия,  и  0,18 – 0,27  Вольт при 80 градусах. Если в качестве анода применяется сталь легированная никелем, то перенапряжение выделения кислорода на ней, лежит в диапазоне 0,35 – 0,48 Вольт при 18 градусах Цельсия и 0,25 – 0,31 Вольт при 80 градусах. На стали легированной кобальтом, перенапряжения составляют 0,31 – 0,39 и 0,23 – 0,29 Вольт, соответственно. 

  Рассматривая практическую сторону вопроса, а именно небольшой электролизер с анодом и катодом выполненным из железа, при плотности тока до 20 Ампер на квадратный дециметр электрода, работающий при температуре 80 градусов Цельсия, то суммарное перенапряжение будет 0,58 Вольт. При уменьшении тока перенапряжение будет уменьшаться. Так, при уменьшении тока до 10 А/дм2, пренапряжение уменьшится до 0,51 Вольт. В режиме разогрева элекролизера, когда температура электролита будет 18 градусов Цельсия, суммарное напряжение выделения достигнет 0,93 Вольт, при 20 А/дм2

12.19.2010 SKootS                        ScE       Previous       Next              

   Прежде, чем приступать к экспериментам с водородом необходимо знать, что водород достаточно опасное вещество. Молекулы водорода при комнатной температуре малоактивны. Их реакционная способность увеличивается при нагревании, под действием ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, в присутствии катализаторов, искрового разряда. В присутствии платинового, никилевого, иногда железного катализатора, гремучая смесь взрывается при незначительном нагревании. Известно, из школьного курса, что при соотношении водорода и кислорода 2:1 образуется гремучая смесь, которая легко взрывается от искры или при поджигании. В школе не объяснили, что водород в смеси с кислородом или воздухом, взрывоопасен в широком диапазоне концентаций. К примеру, диапазон концентраций водорода в кислороде, сохраняет взрывоопасность в пределах 4,5 до 95 процентов, а смесь с воздухом в диапазоне 4,1 до 74 процентов. При этом смеси самовозгораются при температурах 450 и 510 градусов Цельсия соответсвенно. Скорость распределения пламени таких смесях 0,89 и 0,27 м/сек. (скорость звука в воздухе составляет 340 м/сек.) В гремучей смеси, скорость распространения пламени превышает скорость звука и составляет 2820 – 2860 метров в секунду, что позволяет говорить не о горении, а о детонации, т.е. распространении фронта пламени со сверхзвуковой скоростью.  На этом основан экспрес анализ, который произвдят по звуку згорания микропорций таких смесей. Они сгорают либо с хлопком либо с громким  щелчком, соответсвенно.

Make a free website with Yola