Электрохимический метод получения водорода

 

Метод заключается в электролизе водный растворов кислот или щелочей с целью получения H₂ и O₂. Этот метод разработан в 1789 году и развит в тех странах, где дешёвая электроэнергия. Производство энергоёмкое, но сам способ самый дешёвый и простой.

Чистая вода имеет очень малую электропроводность вследствие того, что только ничтожное количество молекул воды диссоциирует на ионы

H₂O H⁺ + OH^-

Константа диссоциации воды KW = 10^-14 (при 25°C). Удельная электропроводность воды также мала æ = 10^-8 Ом^-1∙ см^-1. Поэтому электролиз ведут не чистой воды, а растворов кислот или щелочей.

Например:

1. Раствор H₂SO₄.

Диссоциация в растворе

H₂SO₄ 2H⁺ + SO полностью

H₂O H⁺ + OH^- очень мало

на К (–) 2H⁺ + 2ē = H₂↑

на А (+) Возможны реакции:

2OH^- – 2ē = H₂O + ½ O₂ E = 0, 41 В

SO – 2ē + H₂O = H₂SO₄ + ½ O₂ E = 1, 96 В

H₂O – 2ē = 2H⁺ + ½ O₂ E = 1, 23 В

Отсюда должны разряжаться ионы OH^-, но их очень мало, и идёт реакция 3.

2. Раствор NaOH.

Диссоциация в растворе

NaOH Na⁺ + OH^- полностью

H₂O H⁺ + OH^- очень мало

на А (+) 2OH^- – 2ē = H₂O + ½ O₂

на К (–) Возможны реакции:

2H⁺ + 2ē = H₂↑ E = 0, 41 В

Na⁺ + ē = Na E = –2, 7 В

H₂O + 2ē = H₂ + 2OH^- E = 1, 23 В

Также как и в случае раствора кислоты здесь идёт в основном реакция 3.

Но суммарная реакция в обоих случаях одна:

H₂O H₂ + ½ O₂

– идёт разложение воды, а ионы кислоты или щёлочи служат переносчиками электричества.

Характерной особенностью электролиза воды является также то, что разлагается только лёгкая вода – H₂O, в то время как тяжёлая вода – D₂O остаётся в растворе. В обычной воде содержание D₂O – 0, 02%. В процессе электролиза происходит накопление тяжёлой воды в растворе, затем её выделяют ректификацией (t_кип = 101, 4°C). Электролитическая установка мощностью 1 МВт может дать до 80-100 кг D₂O в год.

Количество полученных H₂ и O₂ определяется количеством пропущенного электричества. По закону Фарадея для разложения 1 г-экв любого вещества необходимо затратить 96500 Кл электричества. По уравнению электролиза

2F H₂O = H₂ + ½ O₂

для разложения 1 г-моля H2O необходимо затратить

96500∙ 2 = 193000 Кл (А∙ сек) или А∙ ч

При затрате 1 А∙ ч выделяется

V(H₂) = = 418 см³ и V(O₂) = = 209 см³

Производительность ванный по водороду составляет

W = 418Iτ

I – сила тока, τ – время электролиза.

Отсюда, для получения 1 м³ (10⁶ см³) H² и 0, 5 м³ O² необходимо теоретические затратить электроэнергии

Iτ = = 2390 А∙ ч

Теоретическая ЭДС ванны по уравнению Гиббса-Гельмгольца

Q – тепловой эффект для 1 г-моля H₂O, n – число г-экв разлагающегося вещества, 0, 239 – тепловой коэффициент электрической энергии, – температурный коэффициент ЭДС.

Получаем E = 1, 23 В. На практике E ~ 3 В.

Электролитами для электролиза воды могут служить H₂SO₄, NaOH, KOH, Na₂CO₃, но обычно KOH.

Выбор в качестве электролита KOH обусловлен тем, что в условиях электролиза электроды можно изготовлять из простой конструкционной стали. Концентрация электролита 29% KOH или 17% NaOH, так как у этих растворов максимальная æ.

Для получения 1 м³ H₂ и 0, 5 м³ O₂ необходимо затратить

H₂O

Практически же расходуется больше воды, так как при высоких температурах происходит испарение и унос воды с газом.

 

Типы ванн

Все конструкции электролизёров можно разделить на два типа: монополярные и биполярные.

1. Монополярные электролизёры.

Напряжение невелико и подводится к каждой ячейке, сила тока велика. Ванны простые по устройству, но занимают большую площадь.

 

2. Биполярные электролизёры фильтрпрессового типа.

Напряжение велико и подводится к крайним электродам, и, вследст­вие поляризации, одна сторона становится по­ложительно заряженной, а другая – отрицательно. Сила тока невелика. Ванны сложные по уст­ройству, но производительность их единицы площади велика.

Наиболее производительны ванны фильтрпрессового типа. Отечественный электролизёр ФВ-500 производит 500 м³ H₂ в час. Электролит – 29% KOH, t = 80°C, чистота водорода 99, 8%, V = 2, 3 В на ячейку, на электролизёр 368 В, i = 2500 а/м², W = 5, 6 кВт на 1 м².

 

Производство хлорида калия

 

Калийные соли применяются главным образом в качестве минеральных удобрений. Основной вид продукции калийной промышленности – КCl, около 95% которого идет на удобрения, остальное на производство KOH и других солей калия.

В настоящее время существует два основных метода получения KCl – флотационный и метод галлургии.

 

Флотационный метод

Этот метод по сравнению с химическим имеет следующие преимущества.

1. процесс легко поддается автоматизации
2. флотация происходит при нормальных температурах, что улучшает условия труда
3. значительно снижает расход исходных солей
4. уменьшает смешиваемость продукта
5. сокращаются капитальные затраты

Недостатки метода:

1. содержание KCl в продукте не больше 95%.
2. хвосты содержат примеси флотореагентов, что затрудняет их переработку на пищевую соль
3. высокое содержание глинистого шлама связано с перерасходом дорогостоящих флотореагентов

Однако этот метод широко применяют на производстве в Соликамске и Березниках.

 

Схема производства следующая

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: