Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2022-06-01 Herkunft:Powered
1. Industrieproduktionsmethode von Wasserstoff
In der Industrie werden die folgenden Methoden normalerweise zur Herstellung von Wasserstoff verwendet: Einer besteht darin, Wasserdampf durch Hot Coke (als Kohlenstoffreduktionsmethode bezeichnet) zu bestehen, um Wasserstoff mit einer Reinheit von etwa 75%zu erhalten. Das andere besteht darin, Wasserdampf durch heißes Eisen zu führen, um Wasserstoffwasserstoff mit einer Reinheit von weniger als 97%zu erhalten. Die dritte besteht darin, Wasserstoff aus Wassergas zu extrahieren, und die Reinheit des erhaltenen Wasserstoffs ist ebenfalls niedrig; Die vierte Methode ist die Elektrolyse von Wasser, die Reinheit des erhaltenen Wasserstoffs kann bis zu 99% oder mehr betragen, was die industrielle Herstellung von Wasserstoff ist, eine wichtige Methode. Während der Elektrolyse von Natriumhydroxidlösung (Kalium) wird am Anode Sauerstoff freigesetzt und Wasserstoff wird an der Kathode freigesetzt. Wasserstoff kann auch durch elektrolysierende Natriumchlorid -wässrige Lösung zur Herstellung von Natriumhydroxid erhalten werden.
Die Reinheit des zum Abkühlens des Generators verwendeten Wasserstoff ist relativ hoch, so dass er durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt wird.
2. Das Prinzip der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser
Die sogenannte Elektrolyse ist der Prozess der Zersetzung des in Wasser gelösten Elektrolyts in neuen Substanzen mittels Gleichstrom.
Wenn ein Gleichstrom auf einige wässrige Elektrolyt -Lösungen angewendet wird, haben die zersetzten Substanzen absolut nichts mit dem ursprünglichen Elektrolyten zu tun. Das zersetzte Wasser ist das Lösungsmittel, und der ursprüngliche Elektrolyt bleibt im Wasser. Beispielsweise gehören Schwefelsäure, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid usw. alle gehören zu dieser Art von Elektrolyt.
Beim Elektrolysierungswasser ist reines Wasser aufgrund seines geringen Ionisationsgrades und seiner geringen Leitfähigkeit ein typischer schwacher Elektrolyt. Daher muss der oben genannte Elektrolyt zugesetzt werden, um die Leitfähigkeit der Lösung zu erhöhen, so dass Wasser glatt in Wasserstoff und Sauerstoff elektrolysiert werden kann.
Elektrolyte wie Kaliumhydroxid werden nicht elektrolysiert. Nehmen Sie nun Kaliumhydroxid als Beispiel, um zu veranschaulichen:
(1) Kaliumhydroxid ist ein starker Elektrolyt. Nach dem Auflösen in Wasser tritt der folgende Ionisationsprozess auf:
Infolgedessen werden in der wässrigen Lösung eine große Menge K+ und OH-Herstellung erzeugt.
(2) Die Reaktivität von Metallionen in wässriger Lösung ist unterschiedlich, was in der Reihenfolge der Reaktivität wie folgt angeordnet werden kann:
K> na> mg> AL> mn> Zn> Fe> ni> sn> pb> h> cu> hg> ag> au
In der obigen Anordnung ist das Metall vorne lebhafter als der Rücken.
(3) In der Größenordnung der Metallaktivität ist es umso einfacher, Elektronen zu verlieren, ansonsten ist das Gegenteil wahr. Aus der Sicht der elektrochemischen Theorie ist das Elektrodenpotential von Metallionen, die leicht zu Elektronen zu erhalten, hoch, und die in der Reihenfolge der Aktivität eingestuften Metallionen sind aufgrund ihres niedrigen Elektrodenpotentials schwer zu erhalten und werden zu Atomen. Das Elektrodenpotential von H+=-1,71 V und das Elektrodenpotential von k+=-2,66 V. Wenn H+ und K+ gleichzeitig in der wässrigen Lösung existieren, erhält H+ zuerst Elektronen an der Kathode und wird zu Wasserstoffgas, während K+ weiterhin in Lösung bleibt.
(4) Wasser ist ein schwacher Elektrolyt und schwer zu ionisieren. Wenn Koh in Wasser gelöst ist, umgeben polare Wassermoleküle das ionisierte K+, um hydratisierte Kaliumionen zu werden, und die Wassermoleküle haben aufgrund der Wirkung von K+ eine polare Richtung. Unter der Wirkung des Gleichstroms bewegt sich K+ mit Wassermolekülen mit polaren Richtungen in die Kathode, und dann erhält H+ zuerst Elektronen und wird zu Wasserstoff.
Wenn ein Gleichstrom auf eine wässrige Kaliumhydroxidlösung angewendet wird, treten die folgenden Entladungsreaktionen an der Kathode bzw. Anode auf.
(1) Kathodische Reaktion. Der H+ im Elektrolyten (erzeugt nach der Ionisation von Wasser) wird von der Kathode angezogen und bewegt sich in die Kathode, akzeptiert Elektronen und freisetzt Wasserstoff, und die Entladungsreaktion lautet:
(2) Anodenreaktion. Der OH- im Elektrolyten wird von der Anode angezogen und bewegt sich in die Anode und setzt schließlich Elektronen frei, um Wasser und Sauerstoff zu werden. Die Entladungsreaktion lautet:
Die Gesamtreaktionsformel der kombinierten Kathode und Anode lautet:
Elektrolyse
Daher wird im Elektrolyseprozess mit KOH als Elektrolyt Wasser tatsächlich elektrolysiert, um Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren, und KOH spielt nur die Rolle des Tragens.
Beim Elektrolysierungswasser muss die an die Elektrolytzelle angelegte Gleichspannung größer als die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser sein, um verschiedene Widerstandsspannung und Elektrodenpolarisationselektromotivkraft in der Elektrolytzelle zu überwinden. Elektrodenpolarisation Die elektromotive Kraft ist die Summe des Überpotentials an der Kathodenwasserstoffentwicklung und das Überpotential an der Anoden -Sauerstoffentwicklung. Daher kann die Wasserelektrolysespannung u ausgedrückt werden als:
In der Formel u0 - die theoretische Zersetzungspannung von Wasser, V;
I - Elektrolytstrom, a;
R - der Gesamtwiderstand der Elektrolytzelle, ω;
- Überpotentialhydrogen, V;
—— oxygen überpotential, V.
Aus Sicht des Energieverbrauchs sollte die Elektrolysespannung so weit wie möglich reduziert werden. Verschiedene Faktoren, die die Elektrolytspannung beeinflussen, werden nachstehend erörtert:
(1) Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser. Thermodynamische Studien haben zu dem Schluss gekommen, dass die maximale elektrische Arbeit, die durch die primäre Batterie durchgeführt wird, der Verringerung der Energieänderung an der Reaktionsstelle entspricht, nämlich:
In der Formel - - Die Gibbs -freie Energieänderung der Batteriereaktion im Standardzustand j/mol;
n - die Anzahl der Elektronentransfer in der Reaktion;
F-Faraday Constant, 96500c/mol; E0-standardmäßige elektromotive Reaktionskraft im Standardzustand, V.
Bei der chemischen Reaktion der Erzeugung von Wasser beträgt die freie Energie zu -474,4 kJ/mol, das heißt
2H2 (g)+o2 (g) = 2H2O (1)
Dies ist eine Redoxreaktion, und die Halbreaktionen an den beiden Elektroden sind:
O2+4H ++ 4E = 2H2O
2H2 = 4H ++ 4E
Die Anzahl der Elektronentransfer n = 4, erhalten durch = -nfe0
–474,4 × 103 =-4 × 96500E0
Es ist ersichtlich, dass bei 0,1 MPa und 25 ° C U0 = 1,23 V; Es ist die minimale Spannung, die während der Wasserelektrolyse bereitgestellt werden muss, die mit zunehmender Temperatur abnimmt und mit zunehmender Druckerhöhung zunimmt, und der Druck steigt alle 10 -fachen, die Spannung steigt um etwa 43 mV.
(2) Wasserstoff, Sauerstoffüberpotential und. Es gibt viele Faktoren, die das Überpotential von Wasserstoff und Sauerstoff beeinflussen. Erstens haben das Elektrodenmaterial und der Oberflächenzustand der Elektrode einen großen Einfluss darauf. Zum Beispiel ist der Wasserstoffüberpotential von Eisen und Nickel niedriger als der von Blei, Zink und Quecksilber, und der Sauerstoffüberpotential von Eisen und Nickel ist ebenfalls niedriger als der von Blei. Je größer die Kontaktfläche mit dem Elektrolyten oder dem raueren Elektrodenoberfläche, desto kleinerer Wasserstoff- und Sauerstoff -Überpotentiale erzeugten. Zweitens erhöht sich der Überpotential entsprechend, wenn die Stromdichte während der Elektrolyse zunimmt, und der Temperaturanstieg führt auch zu einem Anstieg des Überpotentials. Darüber hinaus hängt das Überpotential auch mit den Eigenschaften, Konzentration und Verunreinigungen des Elektrolyten und anderer Faktoren zusammen. Zum Beispiel ist bei der Nickelelektrode der Sauerstoffüberpotential der verdünnten Lösung größer als die der konzentrierten Lösung.
Um den Wasserstoff und den Sauerstoffüberpotential zu verringern, können einige Methoden eingenommen werden. Wie das Erhöhen der Arbeitstemperatur und die Verwendung geeigneter Elektrodenmaterialien. Darüber hinaus kann die angemessene Erhöhung der tatsächlichen Oberfläche der Elektrode oder das Erzeugen der Elektrodenoberfläche den Elektrodenwiderstand und den Überpotential auf unterschiedliche Grad reduzieren, wodurch der Zweck der Reduzierung der Arbeitsspannung erreicht wird.
(3) Widerstandsspannungsabfall. Der Gesamtwiderstand in der Elektrolytzelle umfasst den Widerstand des Elektrolyten, den Widerstand des Zwerchfells, den Widerstand der Elektrode und den Kontaktwiderstand, von dem die ersten beiden die Hauptfaktoren sind. Der Zwerchfellwiderstandsspannungsabfall hängt von der Dicke und den Eigenschaften des Materials ab. Unter Verwendung eines allgemeinen Asbestmembrans beträgt der Spannungsabfall des Zwerchfellwiderstands bei einer Stromdichte 2400a/m2 etwa 0,25 ~ 0,30 V. Wenn die Stromdichte zunimmt, steigt der Spannungsabfall auf etwa 0,5 V. Je höher die Leitfähigkeit des Elektrolyten, desto kleiner der Spannungsabfall des Elektrolyten. Für den Elektrolyten ist zusätzlich zu seinem geringen Widerstandswert auch erforderlich, dass er sich nicht unter der Elektrolysespannung zersetzt. Es entkommt nicht mit Wasserstoff und Sauerstoff aufgrund von Verflüchtigung; Es ist nicht korrosiv für das Material der elektrolytischen Zelle; Wenn der pH -Wert der Lösung bei der Änderung ist, sollte sie eine bestimmte Pufferleistung haben.
Die meisten Elektrolyte sind während der Elektrolyse leicht zersetzt und sollten während der Elektrolyse von Wasser nicht verwendet werden. Schwefelsäure erzeugt Perulfursäure und Ozon an der Anode, die stark ätzend ist und nicht verwendet werden sollte. Das starke Alkali kann die oben genannten Anforderungen erfüllen, so dass die wässrige Koh- oder NaOH -Lösung im Allgemeinen als Elektrolyt in der Industrie verwendet wird. Die Leitfähigkeit von KOH ist besser als die von NaOH, aber der Preis ist teurer. Bei höheren Temperaturen ist der Korrosionseffekt auf die Elektrolytzelle ebenfalls stärker als der von NaOH. In der Vergangenheit wurde Naoh oft als Elektrolyt in meinem Land eingesetzt. Angesichts der Tatsache, dass das Material des Stromelektrolyseers der Korrosion von KOH widerstehen konnte, um Strom zu sparen, wurde die KOH -Lösung im Allgemeinen als Elektrolyt verwendet.
Darüber hinaus enthält der Elektrolyt im Prozess des Elektrolysewassers kontinuierlich ausgefällte Wasserstoff- und Sauerstoffblasen, die den Widerstand des Elektrolyten erhöhen. Der Prozentsatz des Volumens der Pferdeblase im Elektrolyten zum Volumen des Elektrolyten einschließlich der Blasen wird als Gasgehalt des Elektrolyten bezeichnet. Der Gasgehalt hängt mit der Stromdichte während der Elektrolyse, der Viskosität des Elektrolyten, der Größe der Blasen, dem Arbeitsdruck und der Struktur der Elektrolytzelle zusammen. Durch Erhöhen der Zirkulationsrate und des Arbeitsdrucks des Elektrolyten wird der Gasgehalt verringert. Erhöhung der Stromdichte oder Erhöhung der Arbeitstemperatur erhöht den Gasgehalt. In praktischen Situationen sind Blasen im Elektrolyten unvermeidlich, so dass der Widerstand des Elektrolyten viel größer ist als ohne Blasen. Wenn der Gasgehalt 35%erreicht, beträgt der Widerstand des Elektrolyten 2 -mal so ohne Blasen.
Die Senkung der Arbeitsspannung ist vorteilhaft, um den Stromverbrauch zu verringern, und wirksame Maßnahmen sollten getroffen werden, um Wasserstoff, Sauerstoffüberpotential und Resistenzspannungsabfall zu verringern. Wenn der Strom klein ist, ist der erstere im Allgemeinen der Hauptfaktor; Und wenn der Strom groß ist, wird dieser zum Hauptfaktor.
Wenn die Elektrolytzelle unter hohem Arbeitsdruck arbeitet, nimmt der Gasgehalt des Elektrolyten ab, wodurch der Widerstand des Elektrolyten verringert wird. Aus diesem Grund wurde eine elektrolytische Zelle entwickelt, die unter einem Druck von 3 MPa arbeiten kann. Der Arbeitsdruck sollte jedoch nicht zu hoch sein, sonst nimmt die Löslichkeit von Wasserstoff und Sauerstoff im Elektrolyten zu, so dass sie Wasser durch das Zwerchfell regenerieren können, wodurch die Stromwirkungsgrad verringert wird. Eine Erhöhung der Arbeitstemperatur kann auch den Widerstand des Elektrolyten verringern, aber auch die Korrosion des Elektrolyten in die Elektrolytzelle steigt. Wenn die Temperatur höher als 90 ° C ist, verursacht der Elektrolyt das Asbestmembran schwerwiegend und bildet lösliches Silikat auf dem Asbestmembran. Aus diesem Grund wurde eine Vielzahl von korrosionsresistenten Membranmaterialien mit hoher Temperatur entwickelt, wie Nickelpulvermetallurgie-Flocken und Zwerchfellmaterialien, die mit Kaliumtitanatfasern und Polytetrafluorethylen gebunden sind, die in Lye bei 150 ° C verwendet werden können. Um den Widerstand des Elektrolyten zu verringern, ist es auch möglich, die Stromdichte der Elektrolytzelle zu verringern, die Zirkulationsgeschwindigkeit des Elektrolyts zu beschleunigen und den Abstand zwischen den Elektroden angemessen zu verringern.
