Получение водорода электролизом воды — технология и оборудование

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока вода разлагается на кислород и водород. Постоянное напряжение для ячейки получается, как правило, выпрямлением трехфазного переменного тока. В электролитической ячейке дистиллированная вода подвергается электролизу, при этом химическая реакция идет по следующей известной схеме: 2Н2O + энергия —> 2H2+O2.

В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше чем кислорода. Перед использованием газы в установке обезвоживаются и охлаждаются. Выходные трубопроводы установки всегда защищены возвратными клапанами для предотвращения возгораний.

Непосредственно каркас конструкции изготавливается из стальных труб и толстых листов стали, что придает всей конструкции высокую жесткость и механическую прочность. Газовые резервуары обязательно тестируются под давлением.

Электронный блок устройства контролирует все стадии процесса производства, и позволяет оператору следить за параметрами на панели и на манометрах, чем обеспечивает безопасность. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт.

Поэтому электролизные установки и получаемый на них водород, находят сегодня применение во многих отраслях: в химическом синтезе, в термической обработке металлов, в производстве растительных масел, в стекольной промышленности, в электронике, в системах охлаждения в энергетике и т. д.

Установка для электролиза устроена следующим образом. Снаружи расположена панель управления генератором водорода. Далее установлены выпрямитель, трансформатор, распределительное устройство, система деминерализованной воды и блок для ее пополнения.

В электролитической ячейке на стороне катодной пластины получается водород, а на стороне анодной — кислород. Здесь газы покидают ячейку. Они разделяются и подаются в сепаратор, затем охлаждаются деминерализованной водой, после чего отделяются под действием гравитации от жидкой фазы. Водород направляется в промыватель, где из газа удаляются капли щелока и происходит охлаждение в змеевике.

Наконец, водород проходит фильтрацию (фильтр на верху сепаратора), где капельки воды полностью устраняются, и поступает в сушильную камеру. Кислород обычно направляется в атмосферу. Деминерализованная вода подается в промыватель насосом.

Щелок используют здесь для повышения электропроводности воды. Если эксплуатация электролизера идет штатно, то щелок пополняют единожды в год в небольшом количестве. Твердое едкое кали кладется в резервуар для щелока, заполненный на две трети деминерализованной водой, после чего насос перемешивает его в раствор.

Система водяного охлаждения электролизера служит двум целям: охлаждает щелок до 80-90°C и охлаждает полученные газы до 40°C.

Система анализа газа принимает пробы водорода. Капли щелока в сепараторе отделяются, газ подается к анализатору, давление понижается, проверяется содержание в водороде кислорода. Прежде чем водород будет направлен в резервуар, во влагомере будет измерена точка росы. Сигнал будет подан оператору или на ПК, чтобы решить, подходит ли полученный водород для направления в накопительный резервуар, соответствует ли газ условиям приема.

Рабочее давление установки регулируется при помощи системы автоматического контроля. Датчик получает информацию о давлении внутри электролизера, затем данные направляются на ПК, где сравниваются с заданными параметрами. Далее результат преобразуется в сигнал порядка 10 мА, и рабочее давление удерживается на заданном уровне.

Рабочая температура установки регулируется пневматическим мембранным клапаном. Компьютер аналогичным образом сравнит температуру с заданной, и разница будет преобразована в соответствующий сигнал для ПЛК.

Безопасность работы электролизера обеспечивается системой блокировки и сигнализации. В случае утечки водорода, обнаружение происходит автоматически детекторами. Программа при этом сразу отключает генерацию и запускает вентилятор для проветривания помещения. Переносной детектор утечки находится обязательно у оператора. Все эти меры позволяют достичь высокой степени безопасности при эксплуатации электролизеров.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Водород. Получение водорода.

Водород – широко распространенный элемент. Благодаря своей уникальности он может выступать в качестве окислителя и в качестве восстановителя. Существует несколько методов получения водорода.

Промышленный метод получения водорода .

1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl).

2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

3. Получение из природного газа. Основа – конверсия метана (основной компонент природного газа, СН₄) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:

Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).

4. Крекинг нефтяных продуктов.

Лабораторный метод получения водорода.

1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.

2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.

Добыча водорода из воды: методы и получение в домашних условиях

Наука настолько быстро развивается, что ученые уже научились разными способами получать такой химический элемент как водород. В первую очередь, это делается для хорошей альтернативы в топливе для машин в будущем, чтобы автомобили больше не заправлять бензином. «H» станет отличной альтернативой для всего, если эта сфера поднимется на более высокий уровень. Его преимущество в экологичности!

На данный момент существует несколько способов по добыче этого элемента. Ниже будут рассмотрены все эти методы получения, а так же как добыть водород в домашних условиях.

Способы получения водорода

Методы получения веществ бывают промышленными и лабораторными. В промышленности их получают в больших объемах, а в лабораторных в небольших.

Электролизный метод

К промышленному методу относится электролиз воды. Электролиз, если объяснять просто — это разложение веществ под действием электрического тока. Сам процесс достаточно сложный.

Стоит знать, что такое электролиз, чтобы можно было разбираться дальше в этой теме. Это окислительно-восстановительный процесс, протекающий, который протекает на электродах (катиона и аниона), протекающий под действием электрического тока. Окислительно-восстановительный процесс предполагает, что после реакции несколько химических элементов из положительных станут отрицательными (анионами), и наоборот (катионами).

Разобравшись со значением названия, теперь нужно понять, как получают водород! Электролиз — 1 из самых простых способов.

Берется емкость. В нее заливается сода с водой. Внутрь кладутся 2 электрических элемента. 1 должен быть анодом (плюс), а второй (минус). Затем через содовый раствор пропускается электрический ток. Под действием тока водород отправляется к катоду, а вода (Н2О) к аноду.

Восстановление водяного пара металлами

Что происходит в этом случае? Металл взаимодействует с водой при нагревании. Чтобы жидкость превратилась в пар ее нужно нагреть минимум до 100 градусов. Металл+вода = реакция замещения. Образуется оксид и газообразный водород. Но вступать в такие реакции для образования впоследствии водорода могут далеко не все элементы металлов. Существует химическая таблица, в которой химические вещества расположены друг за другом в порядке уменьшения концентрации (слева направо). Все вещества, находящиеся после водорода (Н) не могут вступать в реакции замещения и, соответственно, не имеют возможности впоследствии образовывать газообразный водород.

Как получить нужный элемент?

Выделение водорода происходит следующим образом (с научной точки зрения):

Zn + H2O = ZnO + H2.

В начале был цинк и вода. Этот металл может участвовать в реакциях, т.к. он активнее водорода (находится левее). В результате Zn вытеснил Н из Н2О, встав на его место. Водород же остался «одиноким», простым веществом, выделившись в газообразном состоянии.

Точно такой же пример можно привести с магнием:

Mg + H2O = MgO + H2.

Из метана

Метан — органическое соединение (главный компонент природного газа). При окислении метана при наличии кислорода и воды при нагревании образуется углекислый газ(2СО2) и газ-водород (6Н2). Оба газа на выходе бесцветные, не имеющие вкуса и запаха.

Такую смесь необходимо разделить на отдельные компоненты (очистить водород от примесей углекислого газа). Для этого 2СО2 пропускают через известковую воду Са(ОН)2. Углекислый газ пропускают через бесцветную жидкость. В результате образуется нерастворимый остаток карбоната кальция. Н пройдет через воду без изменений. После пропускания известковая жидкость мутнеет. Это происходит из-за остаточных явления после 2СО2.

Восстановление водяного пара коксом

Кокс — это уголь (С). При взаимодействии кокса с водяным паром (с водой при нагревании) образуется оксид угарного газа и газообразный водород. Этот метод, в первую очередь, используется для получения Н. Этот способ используется для синтеза многих других веществ. Такую реакцию называют синтез-газ, т.е. получение 2-х газообразных элементов.

Мембранная сепарация

Тоже очень интересный метод выведения газообразного неметалла. Процесс довольно простой в описании.

СО (угарный газ), Н2О(воду) и СО2 (углекислый газ) пропускают через палладиевые решетки. Они состоят палладиево-серебряного сплава. Только 3 элемента могут пройти сквозь решетку. На выходе ученые получают 99% долгожданный водород.

Способ адсорбции

Для него в работу берутся твердые вещества (всем привычный активированный уголь). Его задача поглотить собой газовые смеси, чтобы на выходе получить Н2. Конечно, в работе также используют циклические адсорбенты (молекулярные сита), позволяющие в дальнейшем выделиться нужному веществу.

Свое название метод получил из-за адсорбентов — тех самых твердых веществ.

Взаимодействие металлов с разбавленными кислотами

Данный метод уже относится к лабораторному, т.е. на выходе уже не получится такого большого количества водорода.

Все та же реакция замещения. Металл может вступать в реакцию замещения, образуя соль кислоты и образуется газообразный Н. Отличия в том, что на место воды в химической формуле стоят кислоты (разбавленные):

Zn +HCl = ZnCl + H2

Mg + H2SO4 (серная кислота разбавленная) = MgSO4 + H2

Чаще всего в лаборатории используют цинк и магний, поэтому именно эта химическая формула наиболее популярна.

Электролиз воды

Последний способ, которым добывают водород — электролиз воды. Реакция происходит очень просто. Вода под действием электрического тока расщепляется на отдельные простые элементы воды и водорода. Отсюда и название (электролиз):

Это все способы получения водорода! Далее вы узнаете, как можно самостоятельно, своими руками создать настоящий прибор-генератор для получения Н2.

Добыча водорода в условиях домашнего хозяйства

Хоть получение водорода и кажется чем-то нереальным, его можно получить у себя дома на кухне. Но для этого вам понадобится электролизер. Без него никак! Ниже представлена инструкция, как его сделать!

P.S. В самом конце, когда вы уже запустите свое устройство — водород будет выделяться в воде в виде пузырьков, скапливающихся на ее поверхности!

Выбор электролизера

Электролизер — это емкость, в которую заливается содовый раствор и помещаются 2 электрода. Т.е. это основа, где в будущем будут получать водород. Для домашнего эксперимента нет смысла рассматривать сложные конструкции, требующие наличие разных инструментов, у большинства людей которых просто нет.

Также, на кухне мало у кого найдутся колбы для перемещения воды по ним, металлические крюки и прочие материалы. Поэтому ниже будет представлен способ, как можно собрать настоящий электролизер из простых инструментов, продающихся в стройматериалах. Перед началом работы ознакомьтесь с техникой безопасности!

Изготовление аппарата своими руками

Самый легкий и примитивный способ, как можно получить водород в домашних условиях — это с помощью электролиза. Чтобы создать генератор — ничего особенного не понадобится.

Следуйте пошаговой инструкции.