Laikā elektrolīzes process notiek pie anoda. Elektrolīzes praktiskā pielietošana

Procesi elektrolīzes laikā

Elektrolīzi plaši izmanto krāsaino metālu metalurģijā un vairākās ķīmiskās rūpniecības nozarēs. Tādus metālus kā alumīnijs, cinks, magnijs iegūst galvenokārt elektrolīzes ceļā. Turklāt elektrolīzi izmanto vara, niķeļa, svina rafinēšanai (attīrīšanai), kā arī ūdeņraža, skābekļa, hlora un virknes citu ķīmisku vielu ražošanai.

Elektrolīzes būtība sastāv no vielas daļiņu atdalīšanas no elektrolīta, kad tiešā strāva plūst caur elektrolītisko vannu, un to nogulsnēšanās uz vannā iegremdētiem elektrodiem (elektroekstrakcija) vai vielu pārnešana no viena elektroda caur elektrolītu uz citu (elektrolītiskā attīrīšana). Abos gadījumos procesu mērķis ir iegūt pēc iespējas tīrākas vielas, kas nav piesārņotas ar piemaisījumiem.

Atšķirībā no metāliem elektrolītos (sāļu, skābju un bāzu šķīdumi ūdenī un dažos citos šķīdinātājos, kā arī izkausētos savienojumos) tiek novērota jonu vadītspēja.

Elektrolīti ir otrās klases vadītāji. Šajos šķīdumos un kausējumos notiek elektrolītiskā disociācija - sabrukšana pozitīvi un negatīvi lādētos jonos.

Ja elektrodi, kas savienoti ar elektrības avotu, tiek ievietoti traukā ar elektrolītu - elektrolizatoru, tad tajā sāks plūst jonu strāva, un pozitīvi lādēti joni - katjoni pārvietosies uz katodu (tie galvenokārt ir metāli un ūdeņradis), un negatīvi lādēti joni - anjoni ( hlors, skābeklis) - uz anodu.

Anodā anjoni atsakās no lādiņa un pārvēršas par neitrālām daļiņām, kas nosēžas uz elektroda. Katodā katijoni izvelk elektronus no elektroda un arī tiek neitralizēti, nosēžoties uz tā, un uz elektrodiem izdalītās gāzes burbuļu veidā paceļas uz augšu.

Attēls: 1. Procesi elektrolīzes laikā. Elektrolīzes vannas ķēde: 1 - vanna, 2 - elektrolīts, 3 - anods, 4 - katods, 5 - barošanas avots

Elektriskā strāva ārējā ķēdē ir elektronu kustība no anoda uz katodu (1. attēls). Šajā gadījumā šķīdums ir iztukšots, un, lai uzturētu elektrolīzes procesa nepārtrauktību, ir nepieciešams to bagātināt. Tā tiek veikta noteiktu vielu ekstrakcija no elektrolīta (elektroekstrakcija).

Ja anods var izšķīst elektrolītā, kad pēdējais ir noplicināts, tad tā daļiņas, izšķīdinot elektrolītā, iegūst pozitīvu lādiņu un tiek novirzītas uz katodu, uz kura tie tiek nogulsnēti, tādējādi pārnesot materiālu no anoda uz katodu. Tā kā process tiek veikts tā, lai anoda metālā esošie piemaisījumi netiktu pārnesti uz katodu, šo procesu sauc par elektrolītisko rafinēšanu.

Ja elektrodu ievieto šķīdumā ar tās pašas vielas joniem, no kura tas ir izgatavots, tad pie noteikta potenciāla starp elektrodu un šķīdumu uz tā nenotiek ne elektroda izšķīšana, ne vielas nogulsnēšanās no šķīduma.

Šo potenciālu sauc par vielas parasto potenciālu. Ja elektrodam tiek piemērots vairāk negatīvs potenciāls, tad uz tā sāksies vielas izdalīšanās (katoda process), bet, ja tā ir pozitīvāka, tad sāksies tās izšķīšana (anodiskais process).

Normālo potenciālu vērtība ir atkarīga no jonu koncentrācijas un temperatūras. Parasti tiek uzskatīts, ka ūdeņraža normālais potenciāls ir nulle. Tabula 1 parāda normālu elektrodu potenciālu dažiem vielu ūdens šķīdumiem + 25 ° C temperatūrā.

1. tabula. Normāli elektrodu potenciāls pie + 25 ° С

Ja elektrolīts satur dažādu metālu jonus, tad vispirms pie katoda izdalās joni ar zemāku negatīvo normālo potenciālu (varš, sudrabs, svins, niķelis); sārmu zemes metālus ir visgrūtāk izolēt. Turklāt ūdens šķīdumos vienmēr ir ūdeņraža joni, kas izdalīsies agrāk nekā visi metāli ar negatīvu normālu potenciālu, tāpēc pēdējo elektrolīzes laikā ievērojama vai pat lielākā enerģijas daļa tiek iztērēta ūdeņraža evolūcijai.

Ar īpašu pasākumu palīdzību ir iespējams novērst ūdeņraža attīstību noteiktās robežās, tomēr metālus, kuru normālais potenciāls ir mazāks par 1 V (piemēram, magniju, alumīniju, sārmzemju metālus), elektrolīzē no ūdens šķīduma nevar iegūt. Tos iegūst, sadalot šo metālu kausētos sāļus.

Tabulā norādīto vielu normālie elektrodu potenciāls. 1, ir minimālas, ar kurām sākas elektrolīzes process, praksē procesa attīstībai ir nepieciešamas lielas potenciālu vērtības.

Starpību starp elektroda faktisko potenciālu elektrolīzes laikā un tā normālo potenciālu sauc par pārspriegumu. Tas palielina enerģijas zudumus elektrolīzes laikā.

No otras puses, palielinot ūdeņraža jonu pārspriegumu, ir grūti to atbrīvot pie katoda, kas ļauj elektrolīzē no ūdens šķīdumiem iegūt vairākus metālus, kas ir negatīvāki par ūdeņradi, piemēram, svinu, alvu, niķeli, kobaltu, hromu un pat cinku. To panāk, veicot procesu ar lielu strāvas blīvumu uz elektrodiem, kā arī ievadot elektrolītā noteiktas vielas.

Katodisko un anodisko reakciju gaitu elektrolīzes laikā nosaka šādi divi Faradejas likumi.

1. Vielas m e, kas izdalās elektrolīzes laikā katodā vai tiek novadīta no anoda uz elektrolītu, ir proporcionāla elektrības daudzumam, kas izvadīts caur elektrolītu I τ : m e \u003d α / τ, šeit a ir vielas elektroķīmiskais ekvivalents g / C.

2. Vielas masa, kas izdalās elektrolīzes laikā ar tādu pašu elektroenerģijas daudzumu, ir tieši proporcionāla vielas A atomu masai un apgriezti proporcionāla tās valencei n: m e \u003d A / 96480n, šeit 96480 ir Faradeja skaitlis, C x mol -1.

Tādējādi vielas elektroķīmiskais ekvivalents α \u003d A / 96480n ir vielas masa gramos, ko atbrīvo elektrības vienība, kas iet caur elektrolītisko vannu, - kulons (ampēr sekundē).

Varš A \u003d 63,54, n \u003d 2, α \u003d 63,54 / 96480 -2 \u003d 0,000329 g / C, niķelim α \u003d 0,000304 g / C, cinkam α \u003d 0,00034 g / C

Patiesībā izdalītās vielas masa vienmēr ir mazāka par norādīto, kas izskaidrojams ar vairākiem vannā notiekošiem blakus procesiem (piemēram, ūdeņraža attīstība pie katoda), strāvas noplūdēm un īssavienojumiem starp elektrodiem.

Faktiski izdalītās vielas masas un tās masas attiecību, kurai vajadzēja izdalīties saskaņā ar Faradeja likumu, vielas izlaidi sauc par strāvu η1.

Tāpēc reālam procesam m e \u003d η1x ( A / 96480n) x Tas

Protams, vienmēr η1

Pašreizējā efektivitāte ir ievērojami atkarīga no strāvas blīvuma pie elektroda. Palielinoties strāvas blīvumam pie elektroda, palielinās strāvas efektivitāte un palielinās procesa efektivitāte.

spriegums U el, kas jāpievieno elektrolizatoram, sastāv no: sadalīšanās sprieguma Ep (anodisko un katodisko reakciju potenciālo starpību), anodisko un katodisko pārspriegumu summas, sprieguma krituma elektrolītā Ep, sprieguma krituma elektrolītā U e \u003d IR ep (R ep ir elektrolīta pretestība ), sprieguma kritums riepās, kontaktos, elektrodos U c \u003d I (R w + R līdz + R e). Mēs iegūstam: U el \u003d Ep + Ep + U e + U c.

Elektrolīzes laikā patērētā jauda ir vienāda ar: Rel \u003d IU el \u003d I (Ep + Ep + U e + U s)

No šīs jaudas reakciju veikšanai tiek tērēts tikai pirmais komponents, pārējie ir procesa siltuma zudumi. Tikai izkausēto sāļu elektrolīzē daļa no elektrolītā IU izdalītā siltuma tiek izmantota lietderīgi, jo tā tiek iztērēta elektrolizatorā ielādēto sāļu kausēšanai.

Elektrolīzes vannas efektivitāti var novērtēt pēc vielas masas gramos, kas izdalās uz 1 J patērētās elektroenerģijas. Šo vērtību sauc par vielas enerģijas ražu. To var atrast ar izteicienu q e \u003d (αη1) / U el100,šeit α ir vielas elektroķīmiskais ekvivalents, g / C, η1 ir pašreizējā efektivitāte, U e-pasts - elektrolizatora spriegums, V.

Elektrolizators ir īpaša ierīce, kas paredzēta savienojuma vai šķīduma sastāvdaļu atdalīšanai, izmantojot elektrisko strāvu. Šīs ierīces plaši izmanto rūpniecībā, piemēram, aktīvo metālu sastāvdaļu iegūšanai no rūdas, metālu attīrīšanai, metāla pārklājumu uzklāšanai uz izstrādājumiem. Ikdienā tos reti izmanto, taču tie arī tiek atrasti. Jo īpaši mājas lietošanai tiek piedāvātas ierīces, kas ļauj noteikt ūdens piesārņojumu vai iegūt tā saukto "dzīvo" ūdeni.

Ierīces darbības pamats ir elektrolīzes princips, kura atklājējs ir slavenais ārzemju zinātnieks Faradejs. Tomēr pirmo ūdens elektrolizatoru 30 gadus pirms Faradeja izveidoja krievu zinātnieks Petrovs. Viņš praksē pierādīja, ka ūdeni var bagātināt katodiskā vai anodiskā stāvoklī. Neskatoties uz šo netaisnību, viņa darbs nebija veltīgs un kalpoja tehnoloģiju attīstībai. Šobrīd ir izgudroti un veiksmīgi izmantoti daudzi ierīču veidi, kas darbojas pēc elektrolīzes principa.

Kas tas ir

Elektrolizatoru darbina ārējs barošanas avots, kas piegādā elektrisko strāvu. Vienkāršoti, iekārta ir izgatavota korpusa formā, kurā ir uzstādīti divi vai vairāki elektrodi. Korpusa iekšpusē ir elektrolīts. Pieliekot elektrisko strāvu, šķīdums sadalās vajadzīgajos komponentos. Pozitīvi uzlādēti vienas vielas joni tiek novirzīti uz negatīvi lādētu elektrodu un otrādi.

Šādu vienību galvenā iezīme ir veiktspēja. Tas ir, tas ir šķīduma vai vielas daudzums, ko iekārta var apstrādāt noteiktā laika periodā. Šis parametrs ir norādīts modeļa nosaukumā. Tomēr to var ietekmēt arī citi rādītāji: strāvas stiprums, spriegums, elektrolīta veids utt.

Veidi un veidi

Saskaņā ar anoda konstrukciju un strāvas svina atrašanās vietu elektrolizators var būt trīs veidu, tās ir vienības ar:

1. Presēti cepti anodi.
2. Nepārtraukts pašcepšanas anods, kā arī sānu vadītājs.
3. Nepārtraukts pašcepšanas anods un augšējais vadītājs.

Risinājumiem izmantoto elektrolizatoru atbilstoši tā konstrukcijas īpašībām var nosacīti iedalīt:

• Sauss.
• Plūstošs.
• Membrāna.
• Diafragma.

Ierīce

Vienību dizains var būt atšķirīgs, taču tie visi darbojas pēc elektrolīzes principa.

Ierīce vairumā gadījumu sastāv no šādiem elementiem:

• Elektriski vadošs korpuss.
• Katods.
• Anods.
• Nozaru caurules, kas paredzētas elektrolīta ievadīšanai, kā arī reakcijas laikā iegūto vielu izvadīšanai.

Elektrodi ir noslēgti. Parasti tos uzrāda cilindru veidā, kas sazinās ar ārējo vidi, izmantojot caurules. Elektrodi ir izgatavoti no īpašiem vadošiem materiāliem. Metāls tiek nogulsnēts uz katoda vai atdalītās gāzes joni tiek novirzīti uz to (ūdens sadalīšanas laikā).

Krāsaino krāsu nozarē bieži izmanto specializētas elektrolīzes vienības. Tās ir sarežģītākas instalācijas, kurām ir savas īpatnības. Tātad elektrolizatoram magnija un hlora atdalīšanai ir nepieciešama vanna, kas izgatavota no gala un gareniskā skata sienām. Tas ir izklāts ar ugunsizturīgiem ķieģeļiem un citiem materiāliem, kā arī ar starpsienu ir sadalīts elektrolīzes nodalījumā un kamerā, kurā tiek savākti galaprodukti.

Katra šāda veida aprīkojuma dizaina iezīmes ļauj mums atrisināt tikai īpašas problēmas, kas saistītas ar izdalīto vielu kvalitātes nodrošināšanu, reakcijas ātrumu, iekārtas enerģijas patēriņu utt.

Darbības princips

Elektrolīzes ierīcēs elektrisko strāvu vada tikai jonu savienojumi. Tāpēc, kad elektrodi tiek nolaisti elektrolītā un ieslēgta elektriskā strāva, tajā sāk plūst jonu strāva. Pozitīvās daļiņas katjonu veidā tiek novirzītas uz katodu, piemēram, tie ir ūdeņradis un dažādi metāli. Anjoni, tas ir, negatīvi lādēti joni plūst uz anodu (skābeklis, hlors).

Tuvojoties anodam, anjoni zaudē lādiņu un kļūst par neitrālām daļiņām. Rezultātā tie tiek nogulsnēti uz elektroda. Pie katoda notiek līdzīgas reakcijas: katjoni no elektroda izvelk elektronus, kas noved pie to neitralizācijas. Tā rezultātā katjoni tiek nogulsnēti uz elektroda. Piemēram, sadaloties ūdenim, rodas ūdeņradis, kas burbuļu veidā paceļas uz augšu. Lai savāktu šo gāzi, virs katoda tiek uzbūvētas īpašas caurules. Caur tiem ūdeņradis nonāk vajadzīgajā traukā, pēc kura to var izmantot paredzētajam mērķim.

Darbības princips dažādu ierīču dizainos parasti ir līdzīgs, taču dažos gadījumos var būt dažas īpatnības. Tātad membrānas vienībās cietu elektrolītu izmanto membrānas formā, kurai ir polimēra bāze. Šādu ierīču galvenā iezīme slēpjas membrānas divējādā nolūkā. Šis starpslānis var transportēt protonus un jonus, ieskaitot elektrodu un elektrolīzes galaproduktu atdalīšanu.

Diafragmas ierīces tiek izmantotas gadījumos, kad nav pieļaujama elektrolīzes procesa gala produktu difūzija. Šim nolūkam tiek izmantota poraina diafragma, kas izgatavota no stikla, azbesta vai keramikas. Dažos gadījumos kā šādu diafragmu var izmantot polimēra šķiedras vai stikla vati.

Pieteikums

Elektrolīzi plaši izmanto dažādās nozarēs. Neskatoties uz vienkāršo dizainu, tam ir dažādi modeļi un funkcijas. Šis aprīkojums tiek izmantots:

• Krāsaino metālu (magnija, alumīnija) ieguve.
• Kvīts ķīmiskie elementi (ūdens sadalīšanās skābeklī un ūdeņradī, iegūstot hloru).
• Tīrīšana notekūdeņi (atsāļošana, dezinfekcija, dezinfekcija no metāla joniem).
• Dažādu produktu pārstrāde (piena demineralizācija, gaļas sālīšana, pārtikas šķidrumu elektriskā aktivizēšana, nitrātu un nitrītu ekstrahēšana no augu produktiem, olbaltumvielu iegūšana no aļģēm, sēnēm un zivju atkritumiem).

Medicīnā ierīces intensīvajā terapijā izmanto cilvēka ķermeņa detoksikācijai, tas ir, augstas tīrības pakāpes nātrija hipohlorīta šķīdumu radīšanai. Tam tiek izmantota caurplūdes ierīce ar titāna elektrodiem.

Elektrolīzes un elektrodialīzes iekārtas tiek plaši izmantotas to risināšanai vides jautājumi un ūdens atsāļošana. Bet šīs vienības, ņemot vērā to trūkumus, tiek reti izmantotas: tā ir konstrukcijas un to darbības sarežģītība, trīsfāžu strāvas nepieciešamība un prasība periodiski nomainīt elektrodus to izšķīšanas dēļ.

Līdzīgas instalācijas tiek izmantotas ikdienas dzīvē, piemēram, "dzīvā" ūdens iegūšanai, kā arī tā attīrīšanai. Nākotnē ir iespējams izveidot miniatūras instalācijas, kuras automašīnās izmantos drošai ūdeņraža iegūšanai no ūdens. Ūdeņradis kļūs par enerģijas avotu, un automašīnu var piepildīt ar parasto ūdeni.

Ja divi elektrodi tiek pazemināti elektrolītā un savienoti ar strāvas avotu, tad negatīvi lādētos jonus (anjonus) elektrolītā sāks piesaistīt pozitīvais elektrods (anods), un pozitīvi lādētos jonus (katjonus) - negatīvais elektrods (katods) - ķēdē parādīsies līdzstrāva.

Katijoni, sasnieguši katoda virsmu, piesaistīs sev metāla elektronus (atgūsies); anjoni pie anoda ziedos savus elektronus (oksidēsies).

Iepriekš attēlā parādīts vienkāršākais elektrolīzes gadījums - kausētā veidā nātrija hlorīds disociējas nātrija katjonos un hlora anjonos. Elektriskās strāvas iedarbībā Na + tiek samazināti pie katoda, Cl - - oksidējas pie anoda.

Elektrolīzes vienādojums būs:

2Na + + Cl - \u003d 2Na 0 + Cl2 0 2NaCl \u003d 2Na + Cl

Elektrolīzes rezultātā anodā izdalīsies hlora gāze, bet katodā - metālisks nātrijs.

Redoksa reakcija, kas notiek elektrolīzes laikā, turpinās elektriskā enerģija - bez ārēja enerģijas avota tas būs neiespējami.

Jāatzīmē, ka elektrolīze gadā risinājums elektrolīts un elektrolīze izkausēt elektrolīts ir nedaudz atšķirīgas lietas.

Nianse slēpjas faktā, ka elektrolīta ūdens šķīdumā bez metāla joniem un skābes atlikumiem ir arī ūdens disociācijas produkti, kas jāņem vērā.

Elektrolīzes noteikumi ūdens šķīdumiem

• Elektrolīze katodā atkarīgs tikai no metāla pozīcijas elektroķīmiskajā spriegumu sērijā:
  • ja elektrolīta katjons atrodas pa kreisi no alumīnija (ieskaitot), katodā tiek samazināts ūdens daudzums, izdalot ūdeņradi, un metāla katjoni paliek šķīdumā:
    2H 2 O + 2e - \u003d H2 + 2OH - (Li ... Al)
  • ja elektrolīta katjons atrodas starp alumīniju un ūdeņradi, katodā tiek samazināti gan ūdens, gan metāla katjoni;
    Me n + + ne - \u003d Me 0; 2H 2 O + 2e - \u003d H2 + 2OH - (Mn ... Pb)
  • ja elektrolīta katjons atrodas pa labi no ūdeņraža, katodā tiek reducēti tikai metāla katjoni:
    Me n + + ne - \u003d Me 0 (Cu ... Au)
  • ja elektrolīta šķīdumā ir vairāki metāli, vispirms jāsamazina metāla katijoni, kas spriegumu virknē atrodas pa labi no pārējiem.
• Anoda elektrolīze atkarīgs tikai no materiālsno kura izgatavots anods:
  • šķīstoša anoda gadījumā (metāli, kas oksidējas elektrolīzes procesā - dzelzs, varš, cinks, sudrabs) - vienmēr notiek anoda metāla oksidēšanās process:
    Me 0 -ne - \u003d Me n +
  • nešķīstoša anoda gadījumā (zelts, platīns, grafīts):
    • anjonskābes sāļu, izņemot fluorīdus, šķīdumu elektrolīzes laikā anjonu oksidē:
      Ac m -me - \u003d Ac 0
    • citos gadījumos notiek ūdens oksidēšanās process (hidroksi skābju un fluorīdu elektrolīze) - anjons paliek šķīdumā:
      2H2O-4e - \u003d 4H + + O2
    • sārmu šķīdumu elektrolīzes laikā hidroksīda joni tiek oksidēti:
      4OH - -4e - \u003d 2H20 + O2
  • virknē samazinās anjonu reducējošā aktivitāte (attiecīgi palielinās spēja oksidēties): I -; Br -; S 2-; Cl -; OH -; SO4 2-; NO 3 -; F -

Rūpnieciska elektrolīzes pielietošana

• Metālu izolēšana un attīrīšana.
• Alumīnija, magnija, nātrija, kadmija iegūšana.
• Sārmu, hlora, ūdeņraža iegūšana.
• Vara, niķeļa, svina attīrīšana.
• Procesi aizsargpārklājumu izsmidzināšanai, lai pasargātu metālus no korozijas.

Elektrolīzes problēmu risināšanas piemēri

1. Uzrakstiet nešķīstoša anoda kālija hlorīda šķīduma elektrolīzes vienādojumu.

• KCl → K + + Cl -
• elektrolīze anodā (+):
  2Cl - -2e - \u003d Cl2 0
• katoda elektrolīze (-):
  2H 2O + 2e - \u003d H2 + 2OH -
• Kopējais jonu vienādojums:
  2H 2 O + 2Cl - \u003d H2 + Cl2 + 2OH -
• Molekulārais vienādojums:
  2KCl + 2H20 \u003d H2 + Cl2 + 2KOH

2. Uzrakstiet vara (šķīstošā) anoda kālija hlorīda šķīduma elektrolīzes vienādojumu.

• KCl → K + + Cl -
• anods (+):
  Cu 0 -2e - \u003d Cu 2+
• vara joni elektrolīzes laikā tiek pārnesti no anoda uz katodu (tīra vara atdalīšana pie katoda):
  Cu 2+ + 2e - \u003d Cu 0
• Kālija hlorīda koncentrācija šķīdumā paliek nemainīga, tāpēc šķīstošā anoda kopējo elektrolīzes vienādojumu nevar uzrakstīt.

3. Uzrakstiet nātrija hidroksīda šķīduma elektrolīzes vienādojumu.

• NaOH → Na + + OH -
• elektrolīze anodā (+):
  4OH - + 4e - \u003d O2 + 2H20
• katoda elektrolīze (-):
  2H 2O + 2e - \u003d H2 + 2OH -
• Summas vienādojumi:
  4H2O + 4OH - \u003d 2H2 + O2 + 4OH - + 2H2O
  2H20 \u003d 2H2 + O2

4. Uzrakstiet cinka hlorīda šķīduma ar oglekļa elektrodiem elektrolīzes vienādojumu.

• ZnCl 2 → Zn 2+ + 2Cl -
• elektrolīze anodā (+):
  2Cl - -2e - \u003d Cl2
• katods (-):
  Zn 2+ + 2e - \u003d Zn 0
  2H 2O + 2e - \u003d H2 + 2OH -
• Elektrolīzes kopējo vienādojumu nevar uzrakstīt, jo nav zināms, cik daudz elektrības tiek tērēts ūdens atgūšanai un cik daudz - cinka jonu reģenerācijai.

5. Uzrakstiet vara (II) un sudraba nitrātu ūdens šķīduma ar nešķīstošiem elektrodiem elektrolīzes vienādojumu.

• Cu (NO 3) 2 → Cu 2+ + 2NO 3 -
  AgNO 3 → Ag + + NO 3 -
• elektrolīze anodā (+):
  2H2O-4e - \u003d O2 + 4H +
• elektrolīze katodā (-):
  Cu 2+ + 2e - \u003d Cu 0
  Ag + + e - \u003d Ag 0
• Saskaņā ar metālu stāvokli spriegumu sērijā (skat. Iepriekš) sudraba katijoni tiks samazināti vispirms, vara katijoni - pēdējie.
• Jonu vienādojumi:
  4Ag + + 2H 2 O \u003d 4Ag 0 + O 2 + 4H +
  2Cu 2+ + 2H 2 O \u003d 2Cu 0 + O 2 + 4H +
• Molekulārie vienādojumi:
  4AgNO3 + 2H2O \u003d 4Ag + O2 + 4HNO3
  2Cu (NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O2 + 4HNO3

Elektrolīzi plaši izmanto rūpniecības jomā, piemēram, alumīnija (aparātu ar ceptiem anodiem RA-300, RA-400, RA-550 utt.) Vai hlora (rūpnieciskās rūpnīcas Asahi Kasei) ražošanai. Ikdienā šis elektroķīmiskais process tika izmantots daudz retāk, piemēram, elektrolizators baseinam Intellichlor vai plazmas metināšanas mašīnai Star 7000. Degvielas, gāzes tarifu un apkures izmaksu pieaugums radikāli mainīja situāciju, padarot ūdens elektrolīzes ideju populāru mājās. Apsveriet, kādas ir ierīces ūdens sadalīšanai (elektrolizatori) un kāds ir to dizains, kā arī to, kā ar savām rokām padarīt vienkāršu aparātu.

Kas ir elektrolizators, tā īpašības un pielietojums

Šis ir tā paša nosaukuma elektroķīmiskā procesa ierīces nosaukums, kas prasa ārējs avots uzturs. Strukturāli šis aparāts ir vanna, kas piepildīta ar elektrolītu, kurā ievietoti divi vai vairāki elektrodi.

Šādu ierīču galvenā iezīme ir veiktspēja, bieži šis parametrs tiek norādīts modeļa nosaukumā, piemēram, stacionārās elektrolīzes rūpnīcās SEU-10, SEU-20, SEU-40, MBE-125 (membrānu bloku elektrolizatori) utt. Šajos gadījumos skaitļi norāda ūdeņraža ražošanu (m 3 / h).

Attiecībā uz pārējiem raksturlielumiem tie ir atkarīgi no konkrētā ierīces veida un pielietojuma jomas, piemēram, veicot elektrolīzi ūdenī, šādi parametri ietekmē iekārtas efektivitāti:

Tādējādi, piemērojot 14 voltu izvadiem, mēs iegūsim 2 voltus katrai šūnai, savukārt uz plāksnēm katrā pusē būs atšķirīgi potenciāli. Elektrolizatorus, kas izmanto līdzīgu plākšņu savienojuma sistēmu, sauc par sausajām šūnām.

1. Attālums starp plāksnēm (starp katoda un anoda atstarpēm), jo mazāks tas ir, jo mazāka būs pretestība un tāpēc caur elektrolīta šķīdumu izies vairāk strāvas, kas izraisīs gāzes ražošanas pieaugumu.
2. Plāksnes izmēri (tas nozīmē elektrodu laukumu) ir tieši proporcionāli strāvai, kas plūst caur elektrolītu, un tāpēc arī ietekmē veiktspēju.
3. Elektrolītu koncentrācija un tās siltuma bilance.
4. Elektrodu izgatavošanai izmantotā materiāla raksturojums (zelts ir ideāls materiāls, bet pārāk dārgs, tāpēc mājās gatavotās ķēdēs tiek izmantots nerūsējošais tērauds).
5. Procesa katalizatoru izmantošana utt.

Kā minēts iepriekš, šāda veida augus var izmantot kā ūdeņraža ģeneratoru hlora, alumīnija vai citu vielu ražošanai. Tos izmanto arī kā ierīces ūdens attīrīšanai un dezinfekcijai (UPEV, VGE), kā arī salīdzinošu tā kvalitātes analīzi (Tesp 001).

Mūs galvenokārt interesē ierīces, kas ražo Brauna gāzi (ūdeņradi ar skābekli), jo tieši šim maisījumam ir visas iespējas izmantot kā alternatīvu enerģijas nesēju vai piedevas degvielai. Mēs tos apsvērsim nedaudz vēlāk, bet tagad mēs pievērsīsimies vienkāršākā elektrolizatora konstrukcijai un darbības principam, kas sadala ūdeni ūdeņradī un skābeklī.

Ierīce un detalizēts darbības princips

Ierīces skābekļa ūdeņraža gāzes ražošanai drošības apsvērumu dēļ nenozīmē tās uzkrāšanos, tas ir, gāzes maisījums tiek sadedzināts tūlīt pēc ražošanas. Tas nedaudz vienkāršo dizainu. Iepriekšējā sadaļā mēs apsvērām galvenos kritērijus, kas ietekmē ierīces veiktspēju un uzliek noteiktas veiktspējas prasības.

Ierīces darbības princips ir parādīts 4. attēlā, pastāvīga sprieguma avots ir savienots ar elektrodiem, kas iegremdēti elektrolīta šķīdumā. Tā rezultātā caur to sāk iet strāva, kuras spriegums ir augstāks par ūdens molekulu sadalīšanās punktu.

4. attēls. Vienkārša elektrolizētāja uzbūve

Šī elektroķīmiskā procesa rezultātā katods atbrīvo ūdeņradi un anoda skābekli proporcijā 2 pret 1.

Elektrolizatoru veidi

Īsi iepazīsimies ar ūdens sadalīšanas ierīču galveno veidu dizaina iezīmēm.

Sauss

Šāda veida ierīces dizains tika parādīts 2. attēlā, tā īpatnība slēpjas faktā, ka, manipulējot ar šūnu skaitu, ierīci var darbināt no avota, kura spriegums ievērojami pārsniedz minimālo elektroda potenciālu.

Plūstošs

Vienkāršota šāda veida ierīču ierīce ir atrodama 5. attēlā. Kā redzat, dizains ietver vannu ar elektrodiem "A", pilnībā piepildītu ar šķīdumu, un tvertni "D".

5. attēls Plūsmas šūnas dizains

Ierīces darbības princips ir šāds:

• elektroķīmiskā procesa ieplūdē gāze kopā ar elektrolītu tiek izspiesta traukā "D" caur cauruli "B";
• tvertnē "D" ir atdalījums no gāzes elektrolīta šķīduma, kas tiek noņemts caur izplūdes vārstu "C";
• elektrolīts tiek atgriezts hidrolīzes vannā caur cauruli “E”.

Membrāna

Šāda veida ierīču galvenā iezīme ir cieta elektrolīta (membrānas) izmantošana uz polimēra bāzes. Šāda veida ierīču dizains ir atrodams 6. attēlā.

6. attēls. Membrānas tipa elektrolizators

Šādu ierīču galvenā iezīme ir membrānas divkāršais mērķis, tā ne tikai pārnes protonus un jonus, bet arī fiziskā līmenī atdala gan elektrodus, gan elektroķīmiskā procesa produktus.

Diafragma

Tajos gadījumos, kad elektrolīzes produktu difūzija starp elektrodu kamerām nav pieļaujama, tiek izmantota poraina diafragma (kas šādām ierīcēm deva nosaukumu). Materiāls tam var būt keramika, azbests vai stikls. Dažos gadījumos šādas diafragmas izveidošanai var izmantot polimēru šķiedras vai stikla vati. 7. attēlā parādīta vienkāršākā diafragmas ierīces versija elektroķīmiskiem procesiem.

Paskaidrojums:

1. Skābekļa izeja.
2. U veida kolba.
3. Ūdeņraža izvads.
4. Anods.
5. Katods.
6. Diafragma.

Sārmains

Elektroķīmiskais process nav iespējams destilētā ūdenī; kā katalizatoru tiek izmantots koncentrēts sārma šķīdums (sāls lietošana nav vēlama, jo hlors tiek atbrīvots). Pamatojoties uz to, lielāko daļu elektroķīmisko ierīču ūdens sadalīšanai var saukt par sārmainu.

Tematiskajos forumos ieteicams izmantot nātrija hidroksīdu (NaOH), kas, atšķirībā no cepamās soda (NaHCO 3), nerūsē elektrodu. Ņemiet vērā, ka pēdējam ir divas būtiskas priekšrocības:

1. Var izmantot dzelzs elektrodus.
2. Netiek izdalītas kaitīgas vielas.

Bet viens būtisks trūkums noliedz visas cepamās soda kā katalizatora priekšrocības. Tā koncentrācija ūdenī nav lielāka par 80 gramiem litrā. Tas samazina elektrolīta sala izturību un tā pašreizējo vadītspēju. Ja siltajā sezonā jūs joprojām varat paciest pirmo, tad otrajā ir nepieciešams palielināt elektrodu plākšņu laukumu, kas savukārt palielina struktūras lielumu.

Elektrolizators ūdeņraža ražošanai: rasējumi, diagramma

Apsvērsim, kā jūs varat izveidot jaudīgu gāzes degli, kas darbojas ar ūdeņraža un skābekļa maisījumu. Šādas ierīces shēma ir redzama 8. attēlā.

Attēls: 8. Ūdeņraža degļa ierīce

Paskaidrojums:

1. Degļa sprausla.
2. Gumijas caurules.
3. Otrais ūdens blīvējums.
4. Pirmais ūdens blīvējums.
5. Anods.
6. Katods.
7. Elektrodi.
8. Elektrolizatora vanna.

9. attēlā parādīta mūsu degļa elektrolizatora strāvas padeves shēma.

Attēls: 9. Elektrolīzes degļa barošana

Spēcīgam taisngriezim mums ir nepieciešamas šādas daļas:

• Tranzistori: VT1 - MP26B; VT2 - P308.
• Tiristori: VS1 - KU202N.
• Diodes: VD1-VD4 - D232; VD5 - D226B; VD6, VD7 - D814B.
• Kondensatori: 0,5 uF.
• Maināmi rezistori: R3 -22 kOhm.
• Rezistori: R1 - 30 kOhm; R2 - 15 kΩ; R4 - 800 omi; R5 - 2,7 kOhm; R6 - 3 kOhm; R7 - 10 kOhm.
• PA1 - ampermetrs ar mērīšanas skalu vismaz 20 A.

Īsi norādījumi par elektrolizatora detaļām.

Vannu var izgatavot no vecas baterijas. Plātnes jānogriež 150x150 mm no jumta dzelzs (loksnes biezums 0,5 mm). Lai strādātu ar iepriekš aprakstīto barošanas avotu, jums būs jāsamontē elektrolizators 81 elementam. Zīmējums, saskaņā ar kuru tiek veikta uzstādīšana, parādīts 10. attēlā.

Attēls: 10. Ūdeņraža degļa elektrolizatora rasējums

Ņemiet vērā, ka šādas ierīces uzturēšana un pārvaldība nav grūta.

DIY elektrolizators automašīnai

Internetā var atrast daudzas HHO sistēmu shēmas, kuras, pēc autoru domām, var ietaupīt no 30% līdz 50% degvielas. Šādi apgalvojumi ir pārāk optimistiski un parasti tos neatbalsta nekādi pierādījumi. Šādas sistēmas vienkāršota shēma parādīta 11. attēlā.

Vienkāršota automašīnas elektrolizatora diagramma

Teorētiski šādai ierīcei vajadzētu samazināt degvielas patēriņu tās pilnīgas izdegšanas dēļ. Šim nolūkam Brauna maisījums tiek ievadīts degvielas sistēmas gaisa filtrā. Tas ir ūdeņradis un skābeklis, ko iegūst no elektrolizatora, ko darbina transportlīdzekļa iekšējais tīkls, un tas palielina degvielas patēriņu. Apburtais loks.

Protams, var izmantot strāvas regulatora PWM ķēdi, efektīvāku komutācijas barošanas avotu vai citus trikus, lai samazinātu enerģijas patēriņu. Dažreiz internetā jūs sastopaties ar piedāvājumiem iegādāties zema strāvas barošanas bloku elektrolizatoram, kas parasti ir absurds, jo procesa veiktspēja ir tieši atkarīga no pašreizējās stiprības.

Tas ir tāpat kā Kuzņecova sistēma, kuras ūdens aktivators ir zaudēts, bet trūkst patenta utt. Iepriekš minētajos video, kur viņi runā par šādu sistēmu neapstrīdamām priekšrocībām, praktiski nav argumentētu argumentu. Tas nenozīmē, ka idejai nav tiesību pastāvēt, taču apgalvotā ekonomika ir "nedaudz" pārspīlēta.

DIY elektrolizators mājas apkurei

Pašlaik nav jēgas izgatavot mājās gatavotu elektrolizatoru mājas apsildīšanai, jo elektrolīzē iegūtā ūdeņraža cena ir daudz dārgāka nekā dabasgāze vai citi siltumnesēji.

Jāpatur prātā arī tas, ka neviens metāls nevar izturēt ūdeņraža degšanas temperatūru. Tiesa, šīs problēmas novēršanai ir Stena Mārtina patentēts risinājums. Ir jāpievērš uzmanība galvenajam punktam, kas ļauj atšķirt cienīgu ideju no acīmredzamas maldināšanas. Atšķirība starp tām ir tā, ka pirmajam tiek izsniegts patents, bet otrajam ir atbalstītāji internetā.

Ar to varētu beigties raksts par mājsaimniecības un rūpniecības elektrolizatoriem, taču ir lietderīgi veikt nelielu pārskatu par uzņēmumiem, kas ražo šīs ierīces.

Elektrolizatoru ražotāju pārskats

Uzskaitīsim ražotājus, kas ražo kurināmā elementus, kuru pamatā ir elektrolizatori, daži uzņēmumi ražo arī sadzīves ierīces: NEL ūdeņradis (Norvēģija, tirgū kopš 1927. gada), hidrogenika (Beļģija), Teledyne Inc (ASV), Uralkhimmash (Krievija), RusAl (Krievija, ievērojami uzlaboja Soderberg tehnoloģiju), RutTech (Krievija).