Электролиз воды. Как происходит процесс и для чего он нужен

Электролизом называется особый физико-химический процесс, при котором жидкость или, иначе говоря, электролит, распадается на положительные и отрицательные ионы. Происходит это под воздействием электрического тока. Каким же образом протекает данный процесс?

Электролиз воды происходит из-за того, что электрический ток, проходя через электролит, вызывает реакцию на электродах, на которых и оседают положительные и отрицательные ионы. На отрицательно заряженном электроде (катоде) оседают катионы, соответственно, на положительном (аноде) – анионы. Электролит может состоять из воды, в которую добавлена кислота или же представляет собой раствор солей. Распад солей на металл и кислотный остаток возникает после того, как через электролит пропускается электрический ток. Заряженный положительным электричеством металл подходит к катоду (отрицательно заряженному электроду), именно этот металл и называется катионом. Кислотный остаток, отрицательно заряженный, стремится к аноду (положительно заряженному электроду), и называется анионом. Электролиз дает возможность получения из солей хорошо очищенных элементов, благодаря чему находит широкое применение в разнообразных отраслях современной промышленности.

Электролиз воды жизненно необходим сегодня, когда тысячи предприятий применяют воду для отдельных этапов своего производства. Объясняется это тем, что после большинства процессов, которые выполняются на предприятиях, вода после использования превращается в опасную для людей и живой природы жидкость. Электролиз воды служит для очистки сточных вод, которые не должны попадать в землю или же в источники чистой воды. Эти сточные воды необходимо очищать для того, чтобы не допустить экологическую катастрофу, риск которой и так уже достаточно высокий во многих регионах России.

Сегодня существует несколько методов электролиза воды. К ним относится электроэкстракция, электрокоагуляция и электрофлотация. Электролиз воды, применяемый для очистки сточных вод, производится в электролизерах. Это специальные сооружения, в которых органические вещества разлагаются на металлы, кислоты и другие вещества, относящиеся к категории неорганического происхождения. Особенно важно проводить очистку сточных вод на вредных производствах, таких как предприятия химической промышленности, там, где ведутся работы с медью и свинцом, а также на комбинатах, выпускающих краски, лаки, эмали. Безусловно, это далеко не дешевый способ очистки воды при помощи электролиза, но затраты, связанные с очисткой воды, не идут ни в какие сравнения со здоровьем человека и заботой об окружающей среде.

Интересный факт, но можно осуществить электролиз воды в домашних условиях. Этот процесс не займет много времени и средств и даст возможность для получения кислорода и водорода. В емкость с водой, в которой предварительно растворена соль, (соли необходимо взять не менее ¼ объема воды), опускаются два электрода. Их можно сделать из любого металла. Электроды подключаются к источнику питания с силой тока не менее 0,5 А. На одном из электродов образуются пузыри, что и говорит о том, что электролиз воды в домашних условиях проходит успешно. Данным способом можно получить едкий натрий, хлор и другие химические элементы, в зависимости от того, из чего состоит электролит. Плазменный электролиз воды применяют в плазмотеплолизерах. Это новейшее современное устройство, работающее в режимах плазменного электролиза воды и ее непосредственного нагрева до определенных температур. Плазменный электролиз воды дает возможность для получения новых видов энергии, в которой с каждым днем все больше нуждается человечество. Энергия, которую можно будет получать из воды, даст возможность для создания новых, безопасных и эффективных видов источников энергии. Явления плазменного электролиза воды еще не изучены до конца, но они имеют огромные перспективы и поэтому интенсивно изучаются современными учеными.

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

ТОМСК, 10 дек – РИА Томск. Исследователи лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают промышленную установку (электролизер) для получения водорода на АЭС; запуск ее в серийное производство позволит вывести экологически чистую водородную энергетику на новый уровень. Подробности – в материале РИА Томск.

Ранее сообщалось, что водородная энергетика – одно из ведущих направлений по разработке экологически чистых способов получения энергии. Рамочная конвенция ООН, подписанная Россией в 2015 году, предполагает кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии в ближайшее десятилетие. Основными «поставщиками» углекислоты в атмосферу являются объекты традиционной энергетики (ГРЭС и ТЭЦ).

По данным открытых источников, будучи самым распространенным элементом на Земле и в космосе, водород, тем не менее, остается почти невостребованным. Если в 2018 году в мире было добыто 4,4 миллиарда тонн нефти и 3,86 триллиона кубометров природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 миллионов тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз меньше, чем газа.

© пресс-служба Томского политехнического университета

Нужда заставляет: проректор ТПУ о реальности водородной энергетики

Водород, который сегодня используется в экономике, принято разделять на «серый» –  из угля, нефти и газа, «голубой» – на теплоэлектростанциях или АЭС с технологией CCS – и «зеленый» – выделенный из воды (ВИЭ).

Согласно недавним исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода являются «серым» и «голубым», его выработка создает огромный углеродный след, сопоставимый с половиной суммарных выбросов CO2 всей экономикой России, и только 1% водорода считается экологичным «зеленым».

Для масштабного перехода к получению энергии от сжигания водорода необходимо разработать технологии его производства, сопоставимые по объемам выпуска с традиционными источниками углеводородов. Однако самый дешевый способ его производства – паровой риформинг (каталитическая конверсия углеводородов – метана, пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля – в присутствии водяного пара) в ходе реакции создает огромные объемы СО2.

Альтернатива пиролизу

Альтернативным методом получения водорода в промышленных масштабах (а именно такие нужны для запуска водородных электростанций) является электролиз.

Электролиз – это процесс разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и водород.

Химическая реакция идет по схеме: 2Н2O + энергия —> 2h3+O2. Его преимущества: доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия; отсутствие загрязняющих выбросов; процесс автоматизирован; на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Главный недостаток – получение водорода дороже, чем при риформинге, в 1,5–3 раза.

В такой системе координат в выигрыше оказываются производители электроэнергии высокой мощности, которые могут «вложить» ее в производство высоколиквидного «зеленого» топлива. В России это главным образом атомщики, рассказал РИА Томск главный специалист лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ Виктор Дмитриенко.

© пресс-служба Томского политехнического университета

Бактерии+ток: в ТПУ вдвое удешевили получение водорода из отходов

«На атомных станциях себестоимость электроэнергии очень низкая. И мощности, как правило, избыточные. Потому мы сейчас предполагаем, что сможем заключить контракт с Росатомом, который хочет использовать свою дешевую электроэнергию для производства водорода. Это позволит корпорации стать крупнейшим производителем этого экологичного топлива в России», – сказал Дмитриенко.

Промышленные установки для получения водорода методом электролиза известны более 60 лет, поясняет ученый. В основном это электролизеры фильтр-прессного типа, которые на выходе позволяют получать водород и кислород.

Широкое распространение они получили в традиционной углеводородной энергетике – их устанавливают на ГРЭС и ТЭЦ, где водород используют для охлаждения турбинных подшипников, неизбежно раскаляющихся от трения. Еще один способ их использования – электролиз цветных металлов из измельченной руды. К примеру, золота. Но для выработки водорода как товарного продукта они не подходят.

«Наша цель – разработать электролизер, который бы обладал улучшенными характеристиками по сравнению с существующими. Соответственно, электролизер фильтр-прессного типа нам не подходит. Мы взяли за основу конструкцию мембранного типа, в которой катодное и анодное пространство разделены ионообменной мембраной», – рассказывает Дмитриенко.

Мембрана особого назначения

Казалось бы, электролиз – доступный и давно известный способ получения водорода из воды. Однако, если применять «школьную» конструкцию электролизера, вместо СО2 неизбежно будет вырабатываться не менее опасный побочный продукт – хлор (CI2), который появляется на аноде.

© предоставлено пресс-службой ТПУ

Энергия будущего: как в ТПУ получают водород из природных источников

«Представьте, в Красноярске завод «Красцветмет» находится в городской черте. Если применять там электролиз для осаждения цветмета из руды без применения мембраны, будут вырабатываться огромные объемы хлора. Это значит, нужно строить дорогую систему очистки, утилизации, вентиляции. И все равно в жилых районах это будет бомба замедленного действия. Лучше вовсе избежать появления опасных соединений», – утверждает ученый.

Большинство имеющихся на рынке мембранных электролизеров разделяют катодную и анодную камеры, в которых происходит электролитическая диссоциация (химическая реакция, вызванная электрическим напряжением в жидком растворе), прокладкой из асбеста. Мембрана, которую используют томские политехники, сложнее.

«На нашей установке, в ходе электролиза, мы будем получать три продукта – водород, чистый медицинский кислород и 40%-ный раствор щелочи (КОН  или NaОH). Все три составляющих – это товарные продукты. Но главная наша задача – разработать экономически выгодный электролизер для производства водорода в промышленных масштабах», – подчеркивает Дмитриенко.

От бумаги до железа

В настоящий момент исследователи ведут переговоры с Росатомом для включения своих исследований в программу водородной энергетики, запущенную в госкорпорации.

«У нас есть опыт работы с мембранными электролизерами. Мы уже выполняли работы по заказу «Трансгаза», там наш мембранный электролизер работал над изменением рН-среды. Есть опыт разработки и изготовления различных электролизеров с катионо- и анионообменными мембранами для осаждения золота из продуктивных растворов», – рассказывает Дмитриенко.

© предоставлено лабораторией импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ

Промышленный мембранный электролизер для осаждения золота. Разработка ТПУ

За свою историю сотрудники лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ изготовили порядка 20 установок для электролиза. Для нужд «Алданзолото ГРК» политехники изготовили электролизер с анионообменными мембранами, для Дальневосточного федерального университета – опытно-промышленную установку осаждения металлов с катионо- и анионообменными мембранами, а для ООО «Гелиос» – pH-корректор с биполярными мембранами.

Опытной установки для производства водорода, «заточенной» под потребности Росатома, «в железе» пока нет, признает Дмитриенко.

© с сайта ТПУ

ТПУ инициировал создание консорциума по развитию водородных технологий

«Предварительная конструкция у нас уже проработана. Все необходимые чертежи подготовлены. При наличии финансирования собрать опытную установку мы сможем быстро. Финансирование мы планируем получить от Росатома, если попадем в их водородную программу», – отмечает ученый.

Не в одиночку

Ранее также сообщалось, что в ноябре 2020 года ТПУ вошел в состав консорциума по развитию водородных технологий, который получил название «Технологическая водородная долина». Помимо ТПУ в консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

Участники консорциума будут вести совместные разработки технологий по всей «водородной цепочке»: от получения до использования водорода. Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ, заинтересованными в развитии водородной энергетики.

Самодельный генератор водорода HHO

ОПАСНОСТЬ: Этот проект включает в себя создание смеси водорода и кислорода, которая является очень ВЗРЫВООПАСНЫМ ГАЗОМ. При содержании в замкнутом пространстве детонация газа будет очень опасна и может привести к серьезным травмам.

Как это работает
Вода представляет собой соединение двух элементов: водорода и кислорода. Он имеет химический символ h3O, который указывает на то, что каждая молекула представляет собой комбинацию одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Все атомы могут образовывать «ионы». Это точно такой же атом, только с небольшим дополнительным зарядом. Атомы могут ионизироваться в присутствии электрического поля. Вы можете увидеть крайние примеры этого в проекте DIY Tesla Coil. Водород образует положительные ионы, а кислород образует отрицательные ионы. Мы используем это в своих интересах, используя электрическое поле, чтобы разделить молекулы воды.

Поместив два электрода (металлические пластины) в воду, мы можем создать электрическое поле между ними, подключив их к клеммам батареи или источника питания. Положительный электрод известен как анод, а отрицательный — как катод. Чистая вода на самом деле не проводит электричество, поэтому ее нельзя использовать без добавления чего-либо в воду. Водопроводная вода уже содержит много растворенных соединений, которые позволяют воде проводить ток. Ионы, образующиеся в воде, будут притягиваться к электроду противоположной полярности, т. е. положительные ионы водорода будут двигаться к катоду, а отрицательные ионы кислорода — к аноду. Как только ионы достигают поверхности электродов, заряды нейтрализуются за счет добавления или удаления электронов. Затем газ платно пузырится из оставшейся воды, которую необходимо собрать.

Электроды обычно изготавливаются из металла или графита (углерода), чтобы они могли передавать электричество в воду. Важно, чтобы выбранный материал не реагировал легко с кислородом или одним из растворенных соединений, иначе реакции будут происходить на поверхности катода (отрицательного электрода) и вода будет загрязнена продуктами реакций. Вы увидите пример этого ниже, когда используются медные электроды. Это также означает, что газообразный кислород не выделяется или выделяется очень мало, когда он соединяется с металлическим электродом и остается в контейнере.

Проект

Это простой проект, который используется для получения газообразного водорода и кислорода путем электролиза воды. Цель состояла в том, чтобы получить хорошую производительность газа без использования дополнительных химикатов или эрозии электродов.

Первые испробованные электроды остались от другого проекта. Они были сделаны из углеродных стержней с медным покрытием, которые не идеальны из-за того, что медь способна вступать в реакцию с водой. Идея заключалась в том, что в конечном итоге вся медь прореагирует, и останется только углерод, который не загрязнит воду.

Медь слишком долго реагировала, и было решено, что это вообще бесполезно. Ниже вы можете увидеть результат использования медного электрода для электролиза. Синий шлам, плавающий на поверхности воды, является некоторым реагентом меди и водопроводной воды.

Многие люди используют электроды, сделанные из кухонной посуды из нержавеющей стали или пластин переключателей, потому что нержавеющая сталь не так легко вступает в реакцию. Проблема в том, что марка стали, часто используемой в таких изделиях, невелика, и после нескольких минут работы у вас останется коричневый осадок. Они также довольно тонкие, обычно менее 1 мм, что означает, что они не служат очень долго, прежде чем полностью разрушатся. Эрозия электродов происходит намного быстрее при использовании больших токов или растворов (часто называемых катализаторами).

Объем произведенного газа пропорционален заряду, прошедшему через воду (току), и поэтому большой ток означает больше газа. Для этого расстояние между электродами должно быть как можно меньше, но при этом должно оставаться достаточно места для свободного выхода газа.

В качестве металла для пластин была выбрана специальная высококачественная нержавеющая сталь для снижения коррозии. Такой металл не такой проводящий, как другие, такие как, например, медь, поэтому эти пластины были сделаны из толстых листов толщиной 2 мм, чтобы противостоять этому потенциальному ограничивающему фактору. Был использован металл очень высокого качества, что означало, что его было слишком сложно разрезать обычными инструментами, поэтому эти пластины были вырезаны с помощью струи воды под высоким давлением.

 ИНФОРМАЦИЯ: даже нержавеющая сталь самого высокого качества вступает в реакцию с водой и может выделять токсичные химические вещества. Не прикасайтесь к воде после использования.

Пластины уложены друг на друга с нейлоновыми шайбами ​​между ними в качестве промежутка. Их располагают в чередующихся положениях так, чтобы тарелки были +-+-+-. Затем были использованы крепления из нержавеющей стали, чтобы соединить все это вместе. Важно, чтобы он был хорошо собран, иначе в зоне добычи газа могут возникнуть искры, что приведет к взрыву.

Всего было использовано 16 пластин с расстоянием между ними 1 мм. Большая общая площадь поверхности и толщина пластин и болтов означала, что они могли пропускать очень большие токи без значительного резистивного нагрева металла. Суммарная емкость электродов составила 1 нФ при измерении на воздухе, что указывает на большую близость поверхности для образования газа. Этот набор электродов будет потреблять около 25 А из обычной водопроводной воды. Чтобы собрать газ, электроды нужно поместить в какой-нибудь контейнер. Используемый контейнер был просто чем-то из супермаркета и изначально предназначался для хранения чего-то вроде чая!

В этом видео показан результат подачи 12В на электроды при погружении в обычную водопроводную воду. Никаких «катализаторов» в воду не добавляли, это просто вода из-под крана!

Чертеж около 25А. Питание ячейки контролируется с помощью схемы широтно-импульсной модуляции.

Контейнер был изготовлен из металла, поэтому было важно разместить электроды на пластиковой основе, чтобы предотвратить короткое замыкание. На этом изображении показано, как по обеим сторонам некоторых медных и латунных фитингов, используемых для извлечения газа, были установлены два гнезда типа «банан». Силовая и трубная арматура была плотно прикручена и загерметизирована силиконовым герметиком, чтобы закрытый контейнер был герметичен.

Образующийся газ представляет собой взрывоопасную смесь водорода и кислорода, и с ним следует обращаться с особой осторожностью. Внутри контейнера находится большой объем газа, который в случае воспламенения может взорваться и разрушить контейнер. Во избежание детонации газа труба от баллона вводится в основание другого контейнера, наполовину заполненного водой. Это позволяет газу барботировать через воду, а затем собираться через другую трубу, которая используется в качестве выхода газа. Теперь, если на выходе произойдет воспламенение, пламя не сможет вернуться через барботер в большой объем газа в электролизере. Это абсолютно необходимое устройство безопасности, и его нельзя пропускать.

Сейчас как раз решаю, что делать с газом! Хороший способ увидеть, насколько взрывоопасна газовая смесь, пропускать газ через другую емкость с водой, например кружку, и поджигать пузырьки, когда они достигают поверхности. Каждый пузырь взорвется очень громко и, вероятно, взорвет зажигалку.

Похожий проект, в котором используются взрывоопасные свойства газа, — это эксперимент водородной пушки.

 Вы должны знать, что детонация этой газовой смеси HHO ОЧЕНЬ ОЧЕНЬ громкая.

Новый способ сделать водородную энергию из воды намного дешевле

ТЕМЫ: EnergyHydrogenPopularUniversity of New South Wales

Университет Нового Южного Уэльса 1 января 2020 г.

Ученые показывают, как, используя только воду, железо, никель и электричество, можно получать водородную энергию намного дешевле, чем раньше.

Автомобили на водороде скоро могут стать чем-то большим, чем просто новинка после того, как группа ученых под руководством UNSW продемонстрировала гораздо более дешевый и устойчивый способ производства водорода, необходимого для их питания.

В исследовании, недавно опубликованном в Nature Communications, ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, Университета Гриффита и Технологического университета Суинберна показали, что улавливание водорода путем его отделения от кислорода в воде может быть достигнуто с использованием недорогих металлов, таких как железо и никель, в качестве катализаторов, которые ускорить эту химическую реакцию, требуя меньше энергии.

Железо и никель, которые в изобилии встречаются на Земле, заменят драгоценные металлы рутений, платину и иридий, которые до сих пор считались эталонными катализаторами в процессе «расщепления воды».

Профессор Школы химии UNSW Чуан Чжао говорит, что при расщеплении воды два электрода передают электрический заряд воде, что позволяет отделить водород от кислорода и использовать его в качестве энергии в топливном элементе.

«Что мы делаем, так это покрываем электроды нашим катализатором, чтобы снизить потребление энергии», — говорит он. «На этом катализаторе есть крошечный наноразмерный интерфейс, где железо и никель встречаются на атомном уровне, что становится активным центром для расщепления воды. Именно здесь водород можно отделить от кислорода и использовать в качестве топлива, а кислород можно выпустить в виде экологически чистых отходов».

В 2015 году группа профессора Чжао изобрела никель-железный электрод для получения кислорода с рекордно высокой эффективностью. Однако профессор Чжао говорит, что сами по себе железо и никель не являются хорошими катализаторами для генерации водорода, но там, где они объединяются в наномасштабе, «там и происходит волшебство».

«Наноразмерный интерфейс коренным образом меняет свойства этих материалов», — говорит он. «Наши результаты показывают, что никель-железный катализатор может быть столь же активным, как и платиновый, для производства водорода.

«Дополнительным преимуществом является то, что наш никель-железный электрод может катализировать выработку как водорода, так и кислорода, поэтому мы можем не только сократить производственные затраты за счет использования элементов, распространенных на Земле, но и снизить затраты на производство одного катализатора вместо двух. ”

Беглый взгляд на сегодняшние цены на металлы показывает, почему это может изменить правила игры, необходимые для ускорения перехода к так называемой водородной экономике. Железо и никель стоят 0,13 и 19,65 долларов за килограмм. Напротив, рутений, платина и иридий стоят 11,77, 42,13 и 69 долларов..58 за граммов — иными словами, в тысячи раз дороже.

«На данный момент в нашей экономике, основанной на ископаемом топливе, у нас есть огромный стимул для перехода к водородной экономике, чтобы мы могли использовать водород в качестве экологически чистого энергоносителя, которого много на Земле», — говорит профессор Чжао.

«Мы уже давно говорим о водородной экономике, но на этот раз похоже, что она действительно грядет».

Профессор Чжао говорит, что если технология разделения воды получит дальнейшее развитие, то однажды могут появиться водородные заправочные станции, очень похожие на сегодняшние заправочные станции, куда вы сможете заправить свой автомобиль на водородных топливных элементах газообразным водородом, произведенным из этой воды. реакция расщепления. Заправка может быть произведена за считанные минуты по сравнению с часами в случае электромобилей с литиевыми батареями.

«Мы надеемся, что наши исследования могут быть использованы станциями, подобными этой, для производства собственного водорода с использованием экологически чистых источников, таких как вода, солнечная энергия и эти недорогие, но эффективные катализаторы».

Ссылка: «Общее электрохимическое расщепление воды на гетерогенной границе раздела никеля и оксида железа», Брайан Х. Р. Сурьянто, Юн Ван, Розали К.