Александр Коняев Электролизеры: теория, нюансы, изготовление
Глава 1.
Что такое электролиз. Электролиз – это электрохимический процесс, во время которого молекулы электролита диссоциируют под действием электрического тока на ионы. Во время электролиза молекулы электролита распадаются на свои составляющие. Например, молекула серной кислоты (H2SO4) распадается на водород (H2), кислород (O2) и серный ангидрид (SO3). Чаще всего под электролизом принимают электролиз воды. Вода под действием электролиза распадается на водород и кислород.
Формула распада воды: H+ + e + Me = (H – Me) H3o + e + Me = H2o + (H – Me) 2(H – Me) = H2 + 2Me H3O+ + e + (H – Me) = H2 + H2O + Me 2H2O + 2e + Me = H2 + 2OH- + Me 2OH- – 2e = H2O + 1/2 O2 H2O – 2e = 1/2 O2 + H2 Следовательно, при электролизе воды из одной молекулы получается 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Таким образом, объем водорода будет в 2 раза больше, чем объем кислорода. Анодное и Катодное напряжение разложения воды равно 1.23 В. Получившаяся смесь газов (если они собирались вместе) зовется газом Брауна, или гремучим газом. Он обозначается HHO. Он взрывоопасен! Его можно использовать в различных двигателях как основное топливо или как добавочную присадку, можно и как топливо для газовой сварки и газового резака.
Глава 2. Электролит. При электролизе воды очень важно правильно подобрать электролит, так как от него зависит скорость и качество реакции. Вода сама по себе не проводит электрический ток. Чаще всего в качестве электролита используют водный раствор соли или щелочи металлов. Главное. чтобы электролитический потенциал металла, из которого состоит электролит, был меньше, чем у водорода. Вот металлы, которые используют: H2 (водород) = 0,00 Na (натрий) = -2,71 K(калий) = -2,91 Ca(кальций) = -2,87
Чаще всего используют гидроксиды калия (едкий кали – KOH) и натрия (едкий натр – NaOH). у каждого электролита разное сопротивление, оно зависит от концентрации вещества и от температуры нагрева электролита. Это проиллюстрированно в таблице 1. Минимальное сопротивление имеет 25-ти % раствор NaOH при температуре 800C (0.941). Но самым оптимальным выбором будет 20-ти % раствор NaOH. Он имеет минимальное удельное сопротивление при любой температуре по сравнению с остальными.
Глава 3. Электролизеры. Электролизеры – устройство, внутри которых происходит электролиз. Их подразделяют на 3 типа: 1. электролизер сырого типа. 2. электролизер сухого типа.
3. ячейка Стэнли Мейера. Электролизеры сырого типа являются самыми простыми по конструкции, и менее практичными. Но это только если не разбираться. При должной настройке сырой электролизер будет обладать достаточным КПД, не уступающим электролизерам сухого типа. В основном конструкция одна: это пара пластин, или больше, помещенные в герметичную емкость с водой. Главная проблема: просадки по напряжению. Но это решается правильной подготовкой электролизера и электролита к работе.
Электролизеры сухого типа являются более совершенными, чем предыдущие, но сложны в изготовлении. они являются набором пластин из электропроводного материала и прокладок, которые сами и составляют емкость с водой. главная проблема этого типа электролизеров – излишнее газозаполнение.
Ячейка Стэнли Мейера является самым совершенным электролизером, но одновременно трудно изготовляемым. Никто еще не смог воссоздать его электролизер. Он также является сырым электролизером, но главное отличие в том, что у него нет пластин, а имеется блок из двух трубок. Главная проблема – огромные просадки по напряжению. Но это решается точной подгонкой и созданием специальной схемы питания электролизера.
Глава 4.
Газозаполнение электролизера.
Одна из главных проблем электролизеров – это газозаполнение. При газозаполнении происходит уменьшение рабочей площади пластин электролизера, излишнее образование пены, которая отводится вместе с газом, нагрев электролизера и увеличение расхода электроэнергии.
Газозаполнение электролизера возрастает при увеличении плотности тока (j), высоты электродов и при уменьшении расстояния между электродами.
Чтобы уменьшить газозаполнение электролизера, необходимо уменьшить плотность тока, уменьшить нагрев электролизера (при этом будет выделятся меньше пены и водяного пара), уменьшить высоту электродов, расположить электроды на оптимальном расстоянии друг от друг, от 2 до 5 мм ( если больше, то уменьшится КПД, так как увеличится сопротивление.), и увеличить размер пузырьков газа и скорость их подъема. Это достигается уменьшение концентрации щелочи и увеличении тока (главное, не превысить предел плотности тока).
Глава 5. Перенапряжение пластин электролизера.
Перенапряжение пластин является острой проблемой в изготовлении электролизеров. Перенапряжение происходит от увеличения плотности тока, от увеличения удельного сопротивления электролита, увеличению расстояния между электродами, и увеличения газозаполнения. Зависимость перенапряжения электродов из железа, покрытого никелем , представлена в таблице 2.
зависимость перенапряжения раствора электролита NaOH при 80 о C от плотности тока илюстрованн а таблицей 3. Также на перенапряжение влияет увеличение удельного сопротивления электролита. Зависимость удельного сопротивления и коэффициента удельного сопротивления от плотности тока показана в таблице 4
перенапряжение в основном решается уменьшением плотности тока. Как видно, перенапряжение зависит от газозаполнения. Следовательно, при газозаполнении происходит перенапряжение пластин электролизера. чтобы решить перенапряжение, надо уменьшить газозаполнение, и наоборот.
Глава 6. Электролиз под