Во всем мире идет поиск экологически чистого источника энергии. Таким источником может быть водород, который применяется, прежде всего, в разных отраслях промышленности. В настоящее время все больше говорят о водороде как об экологически чистом виде топлива для автомобилей.
Существует множество различных способов получения водорода. Одни из них применяются уже давно, другие – это современные разработки. Сырьем для получения водорода является природный газ, уголь и нефть. И здесь возникает самая большая проблема из-за вредных выбросов при использовании этих ресурсов. Поэтому можно с уверенностью написать, что самый экологически чистый способ получения водорода – это электролиз воды.
Целью данной исследовательской работы было получение водорода методом электролиза воды.
Задачи, которые необходимо было решить во время исследований:
- Изучить условия необходимые для проведения электролиза;
- Сконструировать прибор – электролизер;
- Провести лабораторный опыт по электролизу воды и получить водород;
- Проверить, что выделился именно водород.
В процессе проведения опыта была изучена зависимость скорости протекания электролиза от чистоты воды в электролизере. Сделан вывод: электролиз проходит быстрее при наличии в воде катализатора, например поваренной соли.
При создании электролизера были испытаны электроды из различных металлов и разного размера. Выяснилось, что процесс электролиза зависит от использованных электродов (из какого материала они изготовлены, их размеров, расстояния между ними).
Для сбора водорода использовалась пробирка. Поскольку водород легче воздуха, он собирался вверху пробирки, постепенно вытесняя воздух. Чтобы проверить, собрался ли водород, нужно было поднести к краю пробирки огонь, например, зажженную спичку. Характерный хлопок означал сгорание водорода с одновременным выделением энергии, которую можно зафиксировать, если сжечь большее количество водорода. Также образовывалась вода (ее можно было наблюдать в пробирке в виде тумана).
Таким образом, получение водорода методом электролиза воды является доступным для проведения даже в домашних условиях. Однако у этого метода есть определенные недостатки. Во-первых, постоянно требуется электрическая энергия (в данной работе использовался источник постоянного тока). Во-вторых, при выделении водорода из электролита одновременно выделяется кислород. Смешиваясь, два этих газа образуют взрывоопасную смесь, поэтому метод довольно опасный. В-третьих, в процессе электролиза электроды также вступают в реакцию и быстро разрушаются.
При решении этих проблем получение водорода электролизом воды является простым и эффективным методом, поскольку основным источником водорода здесь служит вода, запасы которой на нашей планете огромны.
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ ⚡ электролиз воды
Получение водорода электролизом воды
Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.
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. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.
Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.
Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.
На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.
Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.
Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках
Преимущества электролиза воды
К основным преимуществам данного метода получения водорода относятся:
- Использование доступного и экологически чистого сырья — воды и электроэнергии;
- Отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
- Высокая степень автоматизации процесса;
- Получение водорода высокой чистоты (до 99,99%).
Кроме того, водород, полученный электролизом воды, может использоваться в качестве экологически чистого топлива в транспорте, энергетике и промышленности.
Недостатки метода
Однако у электролиза воды есть и существенные недостатки:
- Высокие затраты электроэнергии, что ведет к удорожанию получаемого водорода;
- Необходимость использования дорогостоящих катализаторов для повышения эффективности процесса;
- Высокие требования к чистоте используемой воды.
Эти факторы ограничивают широкое применение технологии водородного электролиза в настоящее время. Однако ведутся активные исследования по повышению эффективности и снижению стоимости данного метода.
XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2023
Электролиз воды одна из физико-химических реакций, в процессе которой под воздействием постоянной подачи электрического тока дистиллированная вода расщепляется на анионы кислорода и катионы водорода. После электрохимической поляризации молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода.
Для протекания процесса требуется поместить в ёмкость с дистиллированной водой два электрода и подвести напряжение к ним, под действием электричества электрод, присоединённый к отрицательному полюсу становится катодом, а электрод, присоединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду – отрицательно заряженные анионы.
Электролиз воды в общем виде:
Рис.1 Электролиз воды. Общий вид научного способа.
Промышленный электролиз воды
Дистиллированная вода, используемая в промышленных электролизных установках, является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, такие как: KOH или NaOH.
Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы, образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рис.2). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы, предназначенные для циркуляции электролита.
Рис.2 Принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.
Способ хранения при помощи водорода.
Водород рассматривают как один из эффективных способов хранения излишков электроэнергии. Когда электроэнергии больше, чем требуется, цены на нее снижаются. Эту дешевую энергию можно будет использовать для рентабельного производства водорода путем электролиза. Полученный водород будет храниться под землей в наземных резервуарах либо в подземных соляных кавернах. Также можно будет задействовать выработанные газовые или нефтяные пласты.
Одна из проблем заключается в том, что при низкой загрузке мощностей стоимость получения водорода посредством электролиза растет. Таким образом, необходимо провести тщательный анализ экономики производства, чтобы оценить экономическую целесообразность процесса. В подземных хранилищах можно размещать гораздо больше объемов на длительный период времени.
В этом отношении водород может конкурировать с аккумуляторами. Водород из хранилищ можно смешивать с природным газом для выработки энергии либо непосредственно сжигать его на электростанциях в периоды высоких цен на электроэнергию.
Коммерциализация твердооксидных топливных элементов, благодаря которым можно также получать пригодное для использования тепло, позволила бы эффективно использовать водород из хранилищ и облегчить работу систем распределенной электрогенерации. Помимо прочего, топливные элементы эффективнее газовых турбин комбинированного цикла (CCGT). Потери при выработке и использовании энергии, получаемой при сжигании водорода в CCGT, больше, чем в процессе потребления водорода топливными элементами.
Декарбонизация электростанций на природном газе с помощью водорода
Для декарбонизации действующих электростанций, использующих природный газ водород может создать подходящие условия. В прошлом году выработка энергии на электростанциях, работающих на газе, составила около 1 900 ГВт. Использовать смесь природного газа и водорода могут большинство существующих CCGT. Вместе с тем доля водорода, которую можно добавить в такую смесь, варьируется в зависимости от модели и даты выпуска турбины.
Для обеспечения надлежащего контроля над смесью водорода с газом, а также соблюдения требований безопасности водород, вероятно, придется поставлять на электростанцию отдельно от природного газа. В связи с этим возникает необходимость в создании системы смешивания топлива. Все эти условия могут увеличить стоимость выработки электроэнергии, зато будут способствовать декарбонизации электростанций.
Если на некоторых электростанциях декарбонизация возможна при помощи улавливания, использования и хранения соединений углерода (CCUS), то на других электростанциях использование смесей с водородом может оказаться единственным вариантом. Следовательно, установленная в нескольких странах задача по достижению нулевых выбросов может способствовать использованию водорода в электрогенерации.
Производители турбин разрабатывают проекты электростанций, полностью работающих на водороде, если такая электростанция будет получать зеленый водород. В таком случае выбросы будут нулевыми. Подобные турбины, как ожидается, поступят на рынок к концу этого десятилетия.
Новый дизайн турбин, а также материалы для их изготовления помогут решить проблемы, связанные с более высокой температурой горения водорода, более высокой скоростью ламинарного пламени и меньшей задержкой воспламенения по сравнению с природным газом. Власти могут сделать выбор в пользу строительства таких электростанций, поскольку они позволяют минимизировать выбросы парниковых газов, увеличивать диверсификацию топлива и стимулировать технологический прогресс.
Декарбонизация электростанций на угле при помощи водорода
Водород также может помочь в декарбонизации электростанций, использующих уголь. В Японии проводятся испытания, которые позволят оценить технико-экономическую целесообразность сжигания вместе с углем аммиака как носителя водорода. В 2020 г. генерирующие мощности, работающие на угле, составляли 2 150 ГВт. Сжигание угля вместе с аммиаком (до 20% по энергоемкости) позволило бы сократить выбросы углекислого газа на этих электростанциях примерно на 1,7 млрд т/год CO2 при условии использования зеленого аммиака. В принципе, благодаря спросу на зеленый аммиак с целью его сжигания вместе с углем мировая торговля аммиаком с перевозкой на морских танкерах увеличилась бы в разы с текущих 20 млн т/год. Однако для этого потребуются инвестиции в развитие соответствующей инфраструктуры.
Сжигание аммиака позволило бы сохранить генерирующие мощности, работающие на угле, поскольку выбросы здесь были бы уже ограниченны. В то же время такие электростанции во всем мире находятся под давлением либо со стороны рыночных факторов, либо со стороны правительства: возникает необходимость закрывать их раньше, чем предполагает срок их эксплуатации. Таким образом, аммиак с углем может стать переходным топливом.
Список литературы:
Ткачек, З. А. Электролиз воды / З.А. Ткачек. — М.: ЁЁ Медиа, 2012. — 291c.
Рассел, Джесси Электролиз / Джесси Рассел. — М.: VSD, 2012. -284c
ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод — анионы ОН — .
Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:
- Реакция на аноде: 2H2O → O2 + 4H + + 4e − — выделение кислорода;
- Реакция на катоде: 2H2O + 2e − → H2 + 2OH − — выделение водорода.
Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.
Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м 3 /час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н2м 3 /кВт-ч.
ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ
В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.
Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.
Голубой водород
Способ получения: паровая конверсия природного газа с улавливанием СО₂
Источники энергии: электричество, природный газ
Выбросы СО₂: низкие
Цена: 1,5–2,5 долл/кг
Для производства «голубого» водорода используется та же технология паровой конверсии природного газа, что и при получении «серого» водорода, но большую часть углекислого газа улавливают и захоранивают. Дополнительный процесс повышает себестоимость топлива в два раза, но благодаря экологической чистоте оно востребовано на мировом рынке. Россия планирует заменить «серый» водород «голубым» в ближайшие годы.
Еще один полезный продукт паровой конверсии — синтез-газ (смесь угарного газа с водородом). Он необходим для производства метанола и искусственных жидких углеводородов.
Бурый водород
Способ получения: газификация каменного угля, мазута, торфа, горючих сланцев
Источники энергии: электричество, уголь
Выбросы СО₂: очень высокие
Цена: от 1 долл/кг
В газогенераторах уголь, мазут, торф, горючие сланцы смешивают с водяным паром и воздухом, а затем нагревают до 1000–2000 °C. На выходе получается смесь из угарного газа и водорода, которую можно разделить на компоненты или сжигать целиком в тепловом двигателе.
В середине ХХ века выпускали даже тракторы и грузовики, работающие на дровах, торфе и угле: газогенератор в кузове превращал подручное топливо в горючее для двигателя внутреннего сгорания.
Сегодня газификация бурого угля считается экологически опасной технологией.
Время первого Водород как топливо будущего
Слишком горючий, легкий и взрывоопасный — водороду никогда не удавалось стать главным топливом человечества, хотя первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, крупнейшие дирижабли и лунные ракеты работали именно на нем. В XXI веке элемент номер один таблицы Менделеева снова может возглавить техническую революцию и на этот раз остаться лидером
876 Комментировать —>
Использованные источники: Материал опубликован в журнале «Цифровой океан» № 10, 2022, poplasen / iStock.com, zhongguo / iStock.com, KM6064 / iStock.com, sandsun / iStock.com, PATRICE LATRON / EURELIOS / LOOK AT SCIENCES / SPL / Legion-media, I, Nostrifikator (CC BY-SA)
Преимущества использования обратного осмоса
Для комплексной очистки воды от различных примесей и дальнейшего ее применения можно использовать установки обратного осмоса. Эти фильтры отличаются тем, что позволяют удалить из жидкости до 99,9% загрязнений. Таким образом можно упростить, ускорить и удешевить процесс водоподготовки на производстве.
Технически установка обратного осмоса представляет собой мембрану, через которую под определенным давлением просачивается вода. Мембрана имеет сетчатую структуру. Но размер ячеек настолько мал, что через них могут просочиться только молекулы воды. Остальные компоненты остаются и сбрасываются в канализацию.
Для создания обратноосмотического давления используются специальные насосы, которые являются частью промышленной установки водоочистки.
Обратный осмос может удалить из воды такие загрязнения:
- Любые микроскопические вещества, которые находятся в воде в коллоидном состоянии. Более крупные частицы обычно очищаются до подачи в обратный осмос с помощью седиментных фильтров. В противном случае ресурс мембраны быстро исчерпается.
- Любые растворенные вещества. Обратный осмос может умягчить воду и удалить из нее двухвалентное железо, марганец. Таким образом никакие вещества не будут мешать протеканию электролиза и выделению водорода с кислородом из воды.
Обратный осмос может иметь высокую производительность. Специалисты компании Экодар выполняют необходимые расчеты и собирают установки водоочистки, которые позволяют получать большие объемы воды для крупных предприятий.
Установки для очистки воды от компании Экодар
Производственное предприятие Экодар предлагает установки для очистки воды различного назначения и производительности. В каталоге на сайте можно найти устройства для индивидуального применения, для использования на общественных и производственных объектах.
Компания предлагает различные виды установок обратного осмоса. Они отличаются друг от друга производительностью, наличием дополнительных аксессуаров для комфортного использования, сферой применения.
Примеры доступных для заказа устройств:
- Осмос 400 – готовое к использованию решение для водоподготовки. Состоит из фильтра обратного осмоса и дополнительных модулей, обеспечивающих его работу. Оборудование имеет компактные размеры и легко интегрируются в систему водопровода. Производительность составляет до 1500 литров в сутки (400 галлонов). Подходит для производства водорода в небольших количествах.
- Осмос 800S — это фильтр обратного осмоса, собранный на компактной раме. Для подключения достаточно врезать систему в водопровод. Картридж предварительной фильтрации и угольный уже входят в комплект. Эту установку можно использовать для очистки воды с целью получения водорода. Одна из особенностей модели с индексом S — наличие накопительного бака, в котором хранится запас очищенной воды. Производительность модели — 3000 литров или 800 галлонов в сутки.
- Промышленная установка обратного осмоса — оборудование с высокой производительностью, длительным сроком службы и надежностью. С помощью промышленной системы можно максимально очистить воду от примесей в непрерывном режиме.
Для получения консультаций и оформления заказа обратитесь к менеджерам отдела по работе с клиентами.
О компании
за 5 минут
