Nombre Parcourir:0 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2022-06-01 origine:Propulsé
1. Méthode de production industrielle d'hydrogène
Dans l'industrie, les méthodes suivantes sont généralement utilisées pour produire de l'hydrogène: l'une consiste à passer la vapeur d'eau par le coke chaud (appelé méthode de réduction du carbone) pour obtenir de l'hydrogène avec une pureté d'environ 75%; L'autre consiste à passer la vapeur d'eau à travers le fer chaud pour obtenir l'hydrogène hydrogène avec une pureté inférieure à 97%; La troisième consiste à extraire l'hydrogène du gaz d'eau, et la pureté de l'hydrogène obtenu est également faible; La quatrième méthode est l'électrolyse de l'eau, la pureté de l'hydrogène obtenu peut atteindre 99% ou plus, ce qui est la préparation industrielle de l'hydrogène une méthode importante. Pendant la solution d'électrolyse de la solution d'hydroxyde de sodium (potassium), l'oxygène est libéré à l'anode et l'hydrogène est libéré à la cathode. L'hydrogène peut également être obtenu en électrolysant la solution aqueuse de chlorure de sodium pour produire de l'hydroxyde de sodium.
La pureté de l'hydrogène utilisé pour refroidir le générateur est relativement élevée, elle est donc produite par la méthode d'électrolyse de l'eau.
2. Le principe de la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau
La soi-disant électrolyse est le processus de décomposition de l'électrolyte dissous dans l'eau en substances nouvelles au moyen de l'action du courant direct.
Lorsque le courant direct est appliqué à certaines solutions aqueuses d'électrolyte, les substances décomposées n'ont absolument rien à voir avec l'électrolyte d'origine. L'eau décomposée est le solvant et l'électrolyte d'origine reste dans l'eau. Par exemple, l'acide sulfurique, l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium, etc. appartiennent tous à ce type d'électrolyte.
Lors de l'électolyzer l'eau, l'eau pure est un électrolyte faible typique en raison de son petit degré d'ionisation et de sa faible conductivité. Par conséquent, l'électrolyte susmentionné doit être ajouté pour augmenter la conductivité de la solution, de sorte que l'eau peut être électrolysée en douceur dans l'hydrogène et l'oxygène.
Les électrolytes tels que l'hydroxyde de potassium ne seront pas électrolysés. Prenez maintenant l'hydroxyde de potassium comme exemple pour illustrer:
(1) L'hydroxyde de potassium est un électrolyte fort. Après la dissolution dans l'eau, le processus d'ionisation suivant se produit:
En conséquence, une grande quantité de K + et OH- sont produites dans la solution aqueuse.
(2) La réactivité des ions métalliques en solution aqueuse est différente, qui peut être organisée dans l'ordre de réactivité comme suit:
K> na> mg> al> mn> zn> fe> ni> sn> pb> h> cu> hg> ag> aU
Dans la disposition ci-dessus, le métal à l'avant est plus vivant que l'arrière.
(3) Dans l'ordre de l'activité du métal, plus le métal est actif, plus il est facile de perdre des électrons, sinon le contraire est vrai. Du point de vue de la théorie électrochimique, le potentiel d'électrode des ions métalliques faciles à obtenir des électrons est élevé, et les ions métalliques classés dans l'ordre d'activité sont difficiles à obtenir des électrons et à devenir des atomes en raison de leur faible potentiel d'électrode. Le potentiel d'électrode de H + = - 1,71 V et le potentiel d'électrode de K + = - 2,66V. Par conséquent, lorsque H + et K + existent dans la solution aqueuse en même temps, H + obtiendra d'abord des électrons sur la cathode et deviendra de l'hydrogène gazeux, tandis que K + restera en solution.
(4) L'eau est un électrolyte faible et est difficile à ioniser. Lorsque le KOH est dissous dans l'eau, les molécules d'eau polaires entourent le K + ionisé pour devenir des ions de potassium hydratés et les molécules d'eau ont une direction polaire en raison de l'action de K +. Sous l'action du courant direct, K + se déplace vers la cathode avec des molécules d'eau avec des directions polaires, puis H + obtiendra d'abord des électrons et deviendra de l'hydrogène.
Lorsqu'un courant direct est appliqué à une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium, les réactions de décharge suivantes se produisent respectivement à la cathode et à l'anode.
(1) réaction cathodique. Le H + dans l'électrolyte (produit après l'ionisation de l'eau) est attiré par la cathode et se déplace vers la cathode, accepte les électrons et libère de l'hydrogène, et la réaction de décharge est:
(2) réaction d'anode. L'OH- dans l'électrolyte est attiré par l'anode et se déplace vers l'anode, et libère finalement des électrons pour devenir de l'eau et de l'oxygène. La réaction de décharge est:
La formule de réaction totale de la cathode combinée et de l'anode est:
Électrolyse
Par conséquent, dans le processus d'électrolyse avec KOH comme électrolyte, l'eau est en fait électrolysée pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène, et KOH ne joue que le rôle des charges.
Lors de l'eau électrolysée, la tension en courant continu appliqué à la cellule électrolytique doit être supérieure à la tension de décomposition théorique de l'eau, afin de surmonter diverses gouttes de tension de résistance et la force électromotive de polarisation des électrodes dans la cellule électrolytique. La force d'électromotive de polarisation des électrodes est la somme de la surtension à l'évolution de l'hydrogène de la cathode et la surtension à l'évolution de l'oxygène de l'anode. Par conséquent, la tension d'électrolyse d'eau U peut être exprimée comme suit:
Dans la formule, U0— - la tension de décomposition théorique de l'eau, v;
I - Courant électrolytique, A;
R—— La résistance totale de la cellule électrolytique, ω;
—— Hydrogène Overopentiel, V;
— - Oxygène sur-potentiel, V.
Du point de vue de la consommation d'énergie, la tension d'électrolyse doit être réduite autant que possible. Plusieurs facteurs qui affectent la tension électrolytique sont discutés ci-dessous:
(1) La tension de décomposition théorique uo de l'eau. Des études thermodynamiques ont conclu que le travail électrique maximal effectué par la batterie primaire est égal à la réduction du changement d'énergie au site de réaction, à savoir:
Dans la formule —— Le changement d'énergie libre de Gibbs de la réaction de la batterie à l'état standard, J / mol;
n - le nombre de transfert d'électrons dans la réaction;
F - Faraday Constant, 96500c / mol; E0 - Force électromotive standard de réaction à l'état standard, V.
Dans la réaction chimique de la génération d'eau, l'énergie libre devient -474.4 kj / mol, c'est-à-dire
2H2 (g) + o2 (g) = 2H2O (1)
Il s'agit d'une réaction redox, et les demi-réactions aux deux électrodes sont:
O2 + 4H ++ 4E = 2H2O
2H2 = 4H ++ 4E
Le nombre de transfert d'électrons n = 4, obtenu par = -nfe0
—474,4 × 103 = - 4 × 96500E0
On peut voir qu'à 0,1 MPa et 25 ° C, U0 = 1,23 V; C'est la tension minimale qui doit être fournie pendant l'électrolyse de l'eau, qui diminue avec l'augmentation de la température et augmente avec l'augmentation de la pression, et la pression augmente toutes les 10 fois, la tension augmente d'environ 43 mV.
(2) Hydrogène, oxygène sur potentiel et. Il existe de nombreux facteurs qui affectent la surploitation excessive de l'hydrogène et de l'oxygène. Premièrement, le matériau de l'électrode et l'état de surface de l'électrode ont une grande influence sur celui-ci. Par exemple, la surploitation hydrogène du fer et du nickel est inférieure à celle du plomb, du zinc et du mercure, et la surploitation oxygène du fer et du nickel est également inférieure à celle du plomb. Plus la zone de contact avec l'électrolyte est grande ou plus la surface de l'électrode est plus grande, plus les surposcipes d'hydrogène et d'oxygène sont générés. Deuxièmement, lorsque la densité de courant augmente pendant l'électrolyse, le surploitation sur-lente augmentera en conséquence et l'augmentation de la température entraînera également une augmentation du surploit. De plus, la surploitation suremportée est également liée aux propriétés, à la concentration et aux impuretés de l'électrolyte et d'autres facteurs. Par exemple, sur l'électrode de nickel, la surtension oxygène de la solution diluée est supérieure à celle de la solution concentrée.
Afin de réduire la surploitation excessive de l'hydrogène et de l'oxygène, certaines méthodes peuvent être prises. Tels que l'augmentation de la température de travail et l'utilisation de matériaux d'électrode appropriés. De plus, augmenter de manière appropriée la surface réelle de l'électrode ou rendre la surface de l'électrode rugueuse peut réduire la résistance à l'électrode et la surtension à des degrés divers, atteignant ainsi le but de réduire la tension de travail.
(3) chute de tension de résistance. La résistance totale dans la cellule électrolytique comprend la résistance de l'électrolyte, la résistance du diaphragme, la résistance de l'électrode et la résistance de contact, parmi lesquelles les deux premiers sont les principaux facteurs. La chute de tension de résistance au diaphragme dépend de l'épaisseur et des propriétés du matériau. En utilisant un diaphragme d'amiante général, lorsque la densité de courant est de 2400a / m2, la chute de tension sur la résistance au diaphragme est d'environ 0,25 à 0,30 V. Lorsque la densité de courant augmente, la baisse de tension augmentera à environ 0,5 V. Plus la conductivité de l'électrolyte est élevée, plus la chute de tension est petite dans l'électrolyte. Pour l'électrolyte, en plus de sa petite valeur de résistance, il est également nécessaire de ne pas se décomposer sous la tension d'électrolyse; Il ne s'échappe pas avec l'hydrogène et l'oxygène en raison de la volatilisation; Il est non corrosif au matériau de la cellule électrolytique; Lorsque la valeur de pH de la solution est en train de changer, elle devrait avoir une certaine performance tampon.
La plupart des électrolytes sont facilement décomposés pendant l'électrolyse et ne doivent pas être utilisés pendant l'électrolyse de l'eau. L'acide sulfurique génère de l'acide persulfurique et de l'ozone à l'anode, qui est très corrosif et ne doit pas être utilisé. L'alcali fort peut répondre aux exigences ci-dessus, de sorte que la solution aqueuse KOH ou Naoh est généralement utilisée comme électrolyte dans l'industrie. La conductivité de KOH est meilleure que celle de NaOH, mais le prix est plus cher. À des températures plus élevées, l'effet de corrosion sur la cellule électrolytique est également plus fort que celui de NaOH. Dans le passé, Naoh était souvent utilisé comme électrolyte dans mon pays. Cependant, compte tenu du fait que le matériau de l'électrolyzer actuel a pu résister à la corrosion de KOH, afin d'économiser de l'électricité, la solution de KOH a généralement été utilisée comme électrolyte.
De plus, dans le processus d'électrolysant l'eau, l'électrolyte contiendra des bulles d'hydrogène et d'oxygène précipitées en continu, ce qui augmentera la résistance de l'électrolyte. Le pourcentage du volume de la bulle de cheval dans l'électrolyte au volume de l'électrolyte, y compris les bulles, est appelé la teneur en gaz de l'électrolyte. La teneur en gaz est liée à la densité de courant pendant l'électrolyse, la viscosité de l'électrolyte, la taille des bulles, la pression de travail et la structure de la cellule électrolytique. L'augmentation du taux de circulation et de la pression de travail de l'électrolyte réduiront la teneur en gaz; L'augmentation de la densité actuelle ou l'augmentation de la température de travail augmentera la teneur en gaz. Dans les situations pratiques, les bulles dans l'électrolyte sont inévitables, de sorte que la résistance de l'électrolyte sera beaucoup plus grande que sans bulles. Lorsque la teneur en gaz atteint 35%, la résistance de l'électrolyte est 2 fois sans bulles.
L'abaissement de la tension de travail est bénéfique pour réduire la consommation d'énergie, et des mesures efficaces doivent être prises pour réduire l'hydrogène, la surtension en oxygène et la chute de tension de résistance. En général, lorsque le courant est petit, le premier est le principal facteur; Et lorsque le courant est grand, ce dernier deviendra le principal facteur.
Lorsque la cellule électrolytique fonctionne sous une pression de travail élevée, la teneur en gaz de l'électrolyte diminue, réduisant ainsi la résistance de l'électrolyte. Pour cette raison, une cellule électrolytique qui peut fonctionner sous une pression de 3 MPa a été développée. Cependant, la pression de travail ne devrait pas être trop élevée, sinon la solubilité de l'hydrogène et de l'oxygène dans l'électrolyte augmentera, afin qu'ils puissent régénérer l'eau à travers le diaphragme, réduisant ainsi l'efficacité actuelle. L'augmentation de la température de travail peut également réduire la résistance de l'électrolyte, mais la corrosion de l'électrolyte à la cellule électrolytique augmentera également. Si la température est supérieure à 90 ℃, l'électrolyte causera de graves dommages au diaphragme de l'amiante et formera du silicate soluble sur le diaphragme de l'amiante. Pour cette raison, une variété de matériaux de diaphragme résistants à la corrosion à haute température ont été développés, tels que les flocons de métallurgie de la poudre de nickel et les matériaux de diaphragme liés à des fibres de titanate de potassium et à la polytétrafluoroéthylène, qui peuvent être utilisées dans le lye à 150 ° C. Afin de réduire la résistance de l'électrolyte, il est également possible de réduire la densité de courant de la cellule électrolytique, d'accélérer la vitesse de circulation de l'électrolyte et de réduire de manière appropriée la distance entre les électrodes.
