1. A hidrogén ipari előállítási módja
Az iparban általában a következő módszereket alkalmazzák a hidrogén előállítására; az egyik a vízgőz átengedése forró kokszon (szén-redukciós módszer), hogy körülbelül 75%-os tisztaságú hidrogént kapjunk; a másik az, hogy vízgőzt vezetnek át forró vason, hogy tisztaságot kapjanak. A harmadik módszer a hidrogén kinyerése a vízgázból, és a kapott hidrogén tisztasága is alacsony; a negyedik módszer a víz elektrolízise, és az előállított hidrogén tisztasága elérheti a 99%-ot vagy azt is. Ez a módszer a hidrogén előállítására az iparban. fontos módszer. A nátrium (kálium) hidroxid oldat elektrolízise során az anódon oxigén, a katódon hidrogén szabadul fel. A hidrogént nátrium-klorid vizes oldatának elektrolízisével is előállíthatjuk nátrium-hidroxid előállítására.
2. A víz elektrolízisével történő hidrogéntermelés kémiai elvei
Az úgynevezett elektrolízis az a folyamat, amikor a vízben oldott elektrolitokat egyenáram segítségével új anyagokká bontják. Amikor egyenáramot vezetnek egyes elektrolit vizes oldatokba, a lebomlott anyagoknak semmi közük az eredeti elektrolithoz. Ami lebomlik, az a víz, mint oldószer, és az eredeti elektrolit a vízben marad. Például a kénsav, a nátrium-hidroxid, a kálium-hidroxid stb. mind ehhez az elektrolittípushoz tartoznak.
A víz elektrolízisénél, mivel a tiszta víz nagyon csekély ionizációs és alacsony vezetőképességű, tipikus gyenge elektrolit. Ezért a fent említett elektrolitokat kell hozzáadni az oldat vezetőképességének növeléséhez, hogy a víz zökkenőmentesen hidrogénné és oxigénné elektrolizálódjon. Az elektrolitok, például a kálium-hidroxid nem elektrolizálódnak. Vegyük például a kálium-hidroxidot:
(1) A kálium-hidroxid erős elektrolit. Vízben oldva a következő ionizációs folyamat megy végbe:
KOH - K+tenOH-
Ennek eredményeként a vizes oldatban nagy mennyiségű K+ és OH- keletkezett.
(2) A fémionok reakcióképessége vizes oldatokban eltérő. Reaktivitásuk sorrendjében a következők szerint rendezhetők:
K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au
A fenti elrendezésben az elülső fém élénkebb, mint a hátulsó.
(3) A fémaktivitás sorrendjében minél aktívabb a fém, annál könnyebben veszít elektronokból, ellenkező esetben ennek az ellenkezője igaz. Elektrokémiai elméleti szempontból az elektronokat könnyen megszerző fémionok nagy elektródpotenciállal rendelkeznek, míg az aktivitási sorrendben első helyen álló fémionok kis elektródpotenciáljuk miatt nehezen szerezhetők elektronokká, és atomokká válnak. A hidrogénionok elektródpotenciálja -1,71 V, míg a káliumionok elektródpotenciálja -2,66 V. Ezért, ha a hidrogénionok és a káliumionok egyidejűleg vannak a vizes oldatban, a hidrogénionok először elektronokat szereznek a katódon, és hidrogéngázzá válnak, és a káliumionok oldatban maradnak.
(4) A víz gyenge elektrolit, és nehezen ionizálható. Amikor a kálium-hidroxidot vízben oldjuk, az ionizált káliumionokat poláris vízmolekulák veszik körül, és hidratált káliumionokká válnak. A káliumionok hatására a vízmolekulák poláris irányúak. Egyenáram hatására a káliumionok és a poláris irányú hidratált molekulák a katód felé mozognak. Ekkor a hidrogénionok először elektronokat nyernek és hidrogéngázzá válnak. Ezért a kálium-hidroxidot elektrolitként használó elektrolízis során a víz valójában hidrogént és oxigént termel, míg a kálium-hidroxid csak töltéshordozó szerepet tölt be.
3. Elektrolízis feszültség
A víz elektrolízise során az elektrolitikus cellára adott egyenfeszültségnek nagyobbnak kell lennie, mint a víz elméleti bomlási feszültsége, hogy leküzdjük az elektrolitikus cellában kialakuló különféle ellenállási feszültségeséseket és elektródapolarizációs elektromotoros erőt. Az elektróda polarizációs elektromotoros ereje a túlpotenciál összege, amikor a hidrogén kicsapódik a katódon, és a túlpotenciál összege, amikor az oxigén kicsapódik az anódon. Ezért a víz elektrolízis feszültsége U a következőképpen fejezhető ki: U=U0+IR+hidrogén túlpotenciál+oxigén túlpotenciál
A képletben U0--A víz elméleti bomlási feszültsége, V;
I--Elektrolízisáram, A
R--Az elektrolitikus cella teljes ellenállása, Ω
Az energiafogyasztás szempontjából az elektrolízis feszültséget a lehető legnagyobb mértékben csökkenteni kell. Az elektrolízis feszültségét befolyásoló tényezők főként a következő három szempontot foglalják magukban:
(1) Elméleti bomlási feszültség (körülbelül 1,23 V 0,1 MPa és 25 fok mellett), amely a hőmérséklet növekedésével csökken, és a nyomás növekedésével nő. Minden 10-szeres nyomásnövekedés esetén a feszültség körülbelül 43 mV-tal nő.
(2) Hidrogén és oxigén túlpotenciál. Számos tényező befolyásolja a hidrogén és az oxigén túlpotenciálját. Elsősorban az elektróda anyaga és az elektróda felületi állapota van rá nagyobb hatással. Például a vas és a nikkel hidrogén túlpotenciálja alacsonyabb, mint az ólomé, a cinké, a higanyé stb., a vas és a nikkel oxigén túlpotenciálja pedig meghaladja az ólom, a cink és a higanyét. A potenciál is alacsonyabb, mint az ólom. Minél nagyobb az érintkezési felület az elektrolittal vagy minél durvább az elektróda felülete, annál kisebb a keletkező hidrogén és oxigén túlpotenciál. Másodszor, az áramsűrűség növekedésével az elektrolízis során a túlfeszültség ennek megfelelően nő, és a hőmérséklet emelkedése a túlpotenciál növekedését is okozza. Ezenkívül a túlfeszültség olyan tényezőkkel is összefügg, mint az elektrolit természete, koncentrációja és az oldatban lévő szennyeződések. Például egy nikkelelektródon a híg oldat oxigén túlpotenciálja nagyobb, mint a koncentrált oldaté.
A hidrogén és oxigén túlpotenciáljának csökkentése érdekében néhány módszer alkalmazható. Ilyen például az üzemi hőmérséklet növelése és a megfelelő elektródaanyagok használata. Ezenkívül az elektróda tényleges felületének megfelelő növelése vagy az elektróda felületének érdesítése különböző mértékben csökkentheti az elektróda ellenállását és túlpotenciálját, ezáltal elérheti az üzemi feszültség csökkentésének célját.
(3) Az ellenállás feszültségesése. Az elektrolitikus cellában lévő teljes ellenállás magában foglalja az elektrolit ellenállását, a membrán ellenállását, az elektróda ellenállását és az érintkezési ellenállást, amelyek közül az első kettő a fő tényező. A membrán ellenállásának csökkenése az anyag vastagságától és tulajdonságaitól függ. Általános azbesztmembrán használatával, amikor az áramsűrűség 2400A/m2, a membránellenállás feszültségesése körülbelül 0.25-0.30 V. Amikor az áramsűrűség ismét növekszik, a feszültségesés körülbelül 0,5 V-ra nő. Minél nagyobb az elektrolit vezetőképessége, annál kisebb a feszültségesés az elektrolitban. Az elektrolithoz amellett, hogy kis ellenállásértéke van, az is szükséges, hogy az elektrolízis feszültség alatt ne bomlik le; az elpárolgás miatt nem távozik hidrogénnel és oxigénnel; nem korrozív az elektrolitikus cella anyagokra; amikor az oldat pH-értéke Változáskor bizonyos pufferelő képességgel kell rendelkeznie.
A legtöbb elektrolit könnyen lebomlik az elektrolízis során, és nem használható víz elektrolíziséhez. A kénsav perkénsavat és ózont fejleszt az anódon, ami nagyon korrozív, ezért nem szabad használni. Az erős lúgok megfelelnek a fenti követelményeknek, ezért az iparban általában KOH vagy NaOH vizes oldatot használnak elektrolitként. A KOH elektromos vezetőképessége jobb, mint a NaOH, de drágább. Magasabb hőmérsékleten az elektrolitikus cellára gyakorolt korrozív hatása erősebb, mint a NaOH-é. A múltban hazánkban gyakran használták a NaOH-t elektrolitként. Tekintettel azonban arra, hogy a jelenlegi elektrolitikus cellák anyagai már ellenállnak a KOH korróziójának, az elektromos energia megtakarítása érdekében általános tendencia volt a KOH-oldat elektrolitként való alkalmazása. A víz elektrolizálása során az elektrolit hidrogén- és oxigénbuborékokat tartalmaz, amelyek folyamatosan kicsapódnak, ami növeli az elektrolit ellenállását. Az elektrolitban lévő buborékok térfogatának százalékos arányát az elektrolit térfogatához viszonyítva, beleértve a buborékokat, az elektrolit gáztartalmának nevezzük. A gáztartalom az elektrolízis során fennálló áramsűrűségtől, az elektrolit viszkozitásától, a buborékmérettől, az üzemi nyomástól és az elektrolitikus cella szerkezetétől és egyéb tényezőktől függ. Az elektrolit keringési sebességének és üzemi nyomásának növelése csökkenti a gáztartalmat; az áramsűrűség növelése vagy a munkahőmérséklet növelése növeli a gáztartalmat. A tényleges helyzetekben elkerülhetetlenek a buborékok az elektrolitban, így az elektrolit ellenállása sokkal nagyobb lesz, mint buborékok nélkül. Amikor a gáztartalom eléri a 35%-ot, az elektrolit ellenállása kétszerese annak, mint amikor nincsenek buborékok. Az üzemi feszültség csökkentése elősegíti az energiafogyasztás csökkentését. Emiatt hatékony intézkedéseket kell tenni a hidrogén- és oxigéntúlpotenciálok és az ellenállási feszültségesések csökkentésére. Általában, ha az áram kicsi, az előbbi a fő tényező; ha az áram nagy, az utóbbi lesz a fő tényező.
Ha az elektrolit cella nagy üzemi nyomáson működik, az elektrolit gáztartalma csökken, ezáltal csökken az elektrolit ellenállása. Emiatt olyan elektrolit cellát fejlesztettek ki, amely 3 MPa nyomáson is képes működni. Az üzemi nyomásmérőnek azonban nem szabad túl magasnak lennie, különben megnöveli a hidrogén és az oxigén oldhatóságát az elektrolitban, aminek következtében a víz a membránon keresztül regenerálódik, így csökken az áram hatékonysága. Az üzemi hőmérséklet növelésével az elektrolit ellenállása is csökkenhet, de az elektrolit elektrolit általi korróziója is felerősödik. Ha a hőmérséklet meghaladja a 90 fokot, az elektrolit súlyosan károsítja az azbeszt membránt, és oldható szilikátokat képez az azbeszt membránban. Ebből a célból számos magas hőmérsékletű korróziós membránanyagot fejlesztettek ki, például nikkelporkohászati lemezeket és kálium-titanát szálakkal és politetrafluor-etilénnel kötött membránanyagokat, amelyek 150 fokos lúgos oldatokban használhatók. Az elektrolit ellenállásának csökkentése érdekében az elektrolit cella áramsűrűsége is átvehető, az elektrolit keringési sebessége felgyorsítható, és az elektródák közötti távolság megfelelően csökkenthető.