Электролизеры: теория, нюансы, изготовление - Александр Сергеевич Коняев

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 давлением и при нагревании.

При электролизе воды из молекул воды образуются молекулы газов: водорода и кислорода. При этом объем газов больше первоначального объема жидкости в 1868 раз. Это означает, что электролизер способен нагнетать давление, причем любое, которое может выдержать.

При этом происходит экономия энергии, так как электролиз под высоким давлением протекает с большим КПД. это иллюстрирует таблица 5.

Также при электролизе электролит нагревается. При этом уменьшается удельное сопротивление электролита, уменьшается перенапряжение, увеличивается КПД и уменьшается расход энергии. Зависимость удельного сопротивления от температуры иллюстрирует таблица 1, которая упоминалась ранее.

Глава 7.

Импульсный электролиз.

При импульсном электролизе