Производство водорода электролизом воды. Водород в промышленности получают электролизом водного раствора
Лекция 7. Электролиз водных растворов без выделения металлов Производство водорода и кислорода
Водород является ценным сырьем, которое находит широкое и разнообразное применение. Большое количество водорода применяется как сырье для ряда важных процессов химической промышленности: синтез аммиака, бензола. В металлургии водород используется для селективного восстановления цветных металлов из аммиачных растворов и для восстановления руд. Водород применяют для создания необходимой атмосферы в печах, для резки и сварки металлов и т.д.
Промышленные способы получения водорода подразделяются на физические, химические и электрохимические.
Физические методыоснованы на фракционном выделении водорода из содержащей водород газовой смеси путем изменения физического состояния смеси (например, метод глубокого охлаждения коксового газа с конверсией всех компонентов, кроме водорода).Химические методыоснованы на термическом разложении углеводородов или на процессах конверсии углеродов и окиси углерода, например:
СН4+Н2О→СО+ 3Н2;СО+Н2О→СО2+Н2
и на восстановлении паров воды, например:
4Н2О+ 3Fe →Fe3О4+ 4Н2
Электрохимический способполучения водорода основан на электролитическом разложении воды. На долю электрохимических методов приходится примерно 3% получаемого в мире водорода, однако по существующим оценкам, доля электролитического водорода, получаемого электрохимическим методом, будет увеличиваться в связи с сокращением запасов природных газов и нефти. В последние годы широко обсуждается перспектива использования водорода в качестве топлива, при сжигании которого в топливных элементах практически не образуется экологически вредных веществ.
Чистую воду подвергать электролизу нецелесообразно вследствие ее малой удельной проводимости (4∙10-6См/м для дистиллированной воды и 1∙10-1См/м – для водопроводной). Электролиз воды ведется с добавками кислоты, щелочи, либо соли для повышения электропроводности электролита и снижения расхода электроэнергии. Электропроводность растворов серной кислоты выше, чем растворов щелочи, однако, в промышленности применяют щелочные растворы, т.к. в них обычные конструкционные материалы являются устойчивыми.
Основные электродные процессы при электролизе – выделение водорода на катоде и кислорода на аноде по суммарной реакции 2Н2О→ 2Н2+О2. Кислород является при электролизе попутным продуктом, самостоятельного значения этот продукт не имеет, поскольку получать кислород из воздуха экономичнее. Основы реакции в щелочной среде:
на катоде 2Н2О+ 2→Н2+ 2ОН-(7.а)
на аноде 4ОН-→ 4Н2О+ 2О2+ 4; (7.б)
в кислой среде:
на катоде 2Н++→Н2(7.в)
на аноде 2Н2О→ 4Н++О2(7.г)
В щелочном электролите нет катионов, которые могли бы разряжаться на катоде и приводить к появлению других электродных реакций, кроме реакции образования газообразного водорода.
Единственной побочной реакцией при значительно более положительных потенциалах, чем реакция катодного образования водорода является реакция электровосстановления растворенного кислорода
О2+ 2Н2О + 4→ 4ОН-(7.д)
Однако ее скорость ограничена малой растворимостью кислорода в щелочных растворах, особенно при больших температурах. Тратится лишь доля процента тока. Поэтому электролизные ванны все работают с очень высокими катодными выходами по току (порядка 97-98% с учетом утечек тока).
Процесс выделения кислорода на аноде сопровождается окислением материала анода с образованием поверхностных окислов типа МеО. Поэтому при длительном электролизе разряд анионов идет не на металле, а на окисленной поверхности. С течением времени перенапряжение выделения кислорода несколько повышается, пока не достигнет через длительный промежуток времени постоянного значения. Поэтому величина анодного потенциала в промышленной, длительно работающей ванне, более положительна, чем та, которую определяют в лабораторных условиях.
Электродные материалы. К материалам для электродов предъявляется требование – перенапряжение выделения водорода и кислорода на них должно быть по возможности мало. Выбор материалов электродов диктуется необходимостью снижения непроизводительного расхода электроэнергии на поляризацию электродов.
Рис.7.1 Поляризационные кривые выделения водорода на некоторых металлах из раствора NaОН (16 вес.%): при 25С; - - - при 80С.
Металлы группы железа устойчивы в щелочных растворах, обладают невысоким перенапряжением и пригодны в качестве материалов для катодов. Перенапряжение на железе и кобальте на несколько десятков милливольт меньше, чем на никеле. Другие металлы (Ti, Pb) характеризуются более высокими значениями перенапряжения на них водорода и на практике не применяются.
На рис. 7.2 приведены анодные поляризационные кривые выделения кислорода из щелочного раствора, из которых следует, что на металлах группы железа перенапряжение выделения кислорода также невелико. Следовательно, эта группа металлов вполне пригодна в качестве материалов не только для катодов, но и для анодов.
Для изготовления катодов используется обычная сталь. Катод иногда активируют путем осаждения на его поверхность никеля, содержащего серу, или металлов платиновой группы.
Рис.7.2 Поляризационные кривые выделения кислорода на некоторых металлах из раствора NaОН (16 вес.%) (Ni(S) – содержащее серу никелевое покрытие): при 25°С;- - - при 80°С
В качестве анодов при электролизе водных щелочных растворов используют углеродистую сталь, на которую электрохимически наносят никелевое покрытие толщиной 100 мкм. Такой анод сохраняет достаточную коррозионную устойчивость в щелочных растворах даже при наличии 1,5∙103пор на 1 м2. Малый износ такого анода даже при большей пористости гальванического покрытия объясняется забиванием пор продуктами коррозии стальной основы. Никелирование анода переводит его в пассивное состояние и делает нерастворимым в области потенциалов, при которых происходит выделение кислорода.
Во всех промышленных ваннах для разделения газов применяют диафрагмы, которые изготавливают из асбестовой ткани. Роль диафрагмы – воспрепятствовать смешению газов. Механическую прочность асбестовой ткани усиливают путем включения в пряжу никелевых проволок.
Состав раствора. Выбор состава и концентрации электролита, а также конструкция ванны и режимы ее эксплуатации диктуются целевым назначением электролизера и обусловлены необходимостью максимального снижения непроизводительного расхода электроэнергии на омические потери в электролите и контактах. В качестве электролита для электролиза воды применяют растворы едкого кали и растворы едкого натра. В электролит вводят 2 – 3 г/лК2Сr2О7для подавления коррозии стали. Пригодной для электролизера считается вода с удельной электрической проводимостью не выше 10-3См∙м-1, содержащая не более 10 мг/л хлоридов и до 3 мг/л железа. Однако для питания электролизеров рекомендуется применять более чистую воду; проводимость не выше 10-4См∙м-1, содержание железа не выше 1 мг/л, хлоридов 2 мг/л и сухого остатка 3 мг/л.
В процессе электролиза происходит накопление в электролите примесей – карбонатов, хлоридов, сульфатов, силикатов, а также железа, образующихся в результате разрушения деталей электролизера и диафрагмы. Посторонние анионы, накапливающиеся в растворе, не участвуют в электрохимических реакциях, за исключением ионов хлора, которые могут вызвать депассивацию анода.
Основной примесью в водороде является кислород, в кислороде – водород. Содержание щелочи в водороде обычно до 20 мг/м3, в кислороде до 100 мг/м3. Электролитический водород должен иметь следующий состав: не менее 99,7% (об.) водорода, не более 0,3%(об.) кислорода. Электролитический кислород должен содержать не более 0,7% (об.) водорода.
Очистку газов от щелочного тумана осуществляют в насадочных фильтрах, заполненных стеклянной ватой. Очистку водорода от примеси кислорода приводят в контактных аппаратах на никель-алюминиевом и никель-хромовом катализаторах при 100 - 130 С. Очистка кислорода от водорода происходит на катализаторах: платинированном асбесте, платине, нанесенной на оксид алюминия. После охлаждения газы осушаются сорбентами (силикагель, амомогель).
Для выбора оптимальной концентрации щелочи необходимо знать зависимость удельной электропроводности растворов от концентрации при различных температурах. Кривые, выражающие эту зависимость, при всех температурах проходят через максимум (рис. 7.3).
Рис.7.3. Зависимость удельной электропроводности растворов NаОН (а) и КОН (б) от концентрации при различных температурах
Максимальная электропроводность растворов КОНбольше, чемNаОН, но стоимость гидроксида натрия меньше. Поэтому, какКОН, так иNаОНодинаково могут быть использованы в электролизных ваннах. В промышленных ваннах максимальной электропроводностью обладают 21% растворNаОНи соответственно 32%КОН. На практике применяют 16 – 20% растворNаОНи 25 – 30% растворКОН.
Температура. Электролиз водных растворов щелочей проводится при повышенных температурах с целью снижения перенапряжения выделения газов и удельного сопротивления электролита. На рис. 7.4 представлена зависимость между температурой, удельным сопротивлением и оптимальной концентрацией растворов щелочей.
Рис. 7.4 Зависимость оптимальной концентрации (1, 2) и удельного сопротивления (3, 4) растворов КОН (1, 3) и NаОН (2, 4) от температуры.
Показатели процесса электролиза (Uр) Напряжение на клеммах электролизера состоит из напряжения разложения водыЕпр– разности равновесных потенциалов кислородаи водорода(Епр=-), перенапряжения водорода и кислородаина данных электродах и сумм омических потерь ΣIRОм, главные из которых – падение напряжения в электролитеIRЭл+ IRгаз, в диафрагмеIRдиафр.и в электродах и контактахIRОм, В:
Up= Епр + + +I(Rэл.+Rгаз+Rконт.), (7.1)
где I– рабочий ток на электролизере, А.
Перенапряжение водорода (кислорода) при данной рабочей плотности тока можно определить по уравнению Тафеля η=а+blgi, воспользовавшись справочными значениями коэффициентоваиb, соответствующих материалу электрода и раствору электролита.
Падение напряжения в электролите рассчитывают из площади электродов S, расстояния между ними lи удельной электропроводности электролита, значение которой можно взять из справочника (учитывая температуры электролита во время опыта).
Увеличение падения напряжения за счет газовыделения составляет примерно 10% падения напряжения в электролите. Падение напряжения в электродах и контактах принимают равным 0,1 – 0,5В.
Примерный баланс напряжения фильтпресной биполярной ванны, имеющей межэлектродное расстояние 3,6 см и работающей при давлении до 100 атм. с плотностью тока около 1000 А/дм2, приведено в таблице 7.1.
Таблица 7.1
Баланс напряжений фильтпрессной биполярной ванны
| Составляющие баланс напряжения | Величина составляющих, В | Распределение напряжения на ванне, % |
| Напряжение разложения при давлении газов 10 атм. и при 80°С Катодная поляризация Анодная поляризация Падение напряжения в электролите (с учетом газонаполнения при 10 атм.) Падение напряжения в диафрагме Падение напряжения в проводниках первого рода | 0,20 0,22 0,50 0,10 0,05 | 53 9 10 22 4 2 |
| Итого | 2,33 | 100 |
Электродные плотности тока. Значение электродных плотностей тока при электролитическом разложении воды колеблется в широких пределах в зависимости от конструкции электролизера. Успехи в области создания конструкций электролизеров с электродами, обеспечивающими быстрый отвод газов и снижение газонаполнения, активирование поверхности электродов, повышение температуры электролита и снижение вследствие этого перенапряжения газов позволили в новых конструкциях промышленных электролизеров повысить плотности тока до 2,5 - 3,7 кА/м2(0,25 – 0,37 А/см2)
Конструкции электролизеров. Все современные конструкции электролизеров относятся к фильтр-прессному типу с биполярным включением электродов. Схема фильтрпрессного биполярного электролизера для получения водорода и кислорода представлена на рис. 7.5
Рис. 7.5. Биполярный фильтр-прессный электролизер: 1 – выносной электрод; 2 – монополярный электрод – анод; 3 – биполярный электрод; 4 – монополярный электрод – катод; 5 – диафрагма; 6 – стяжная плита; 7 – стяжной болт; 8 – диафрагменная рама.
Фильтр-прессные биполярные электролизеры могут иметь эквивалентную нагрузку до 1200 – 1800 кА и состоять из 160 – 170 отдельных ячеек.
studfiles.net
Получение водорода при электролизе водных растворов хлорида натрия
В данной работе следует 1) ознакомиться с технологией электрохимического получения едкого натра, хлора и водорода электролизом водных растворов хлорида натрия (или калия) на лабораторных установках периодического и непрерывного действия 2) определить технологические показатели процесса выход по току продуктов электролиза и расходные коэффициенты по электроэнергии. [c.300]
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ХЛОРИДА НАТРИЯ [c.198]
Дл51 получения калия, бария, рубидия и цезия электролиз расплавов практически не применяется из-за высокой химической активности этих металлов и больиюй их растворимости в расплавленных солях. Метод электролиза широко используется для получения гидроксидов щелочных элементов. Рассмотрим электролиз водного раствора хлорида натрия с целью получения гидроксида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи катода накапливаются ионы натрия и гидроксид-ионы, т. е. получается гидроксид натрия на аноде выделяется хлор. Очень важно, чтобы продукты электролиза не смешивались, так как гидроксид натрия легко взаимодействует с хлором в результате образуются хлорид и гипохлорит натрия [c.678]
Промышленное получение хлора основано на электролизе водного раствора хлорида натрия. Побочными продуктами этого процесса являются едкий натр и водород. [c.368]
Для получения растворов гидроксидов щелочных металлов и хлора главным образом используют электролиз водных растворов хлоридов натрия или калия, при котором одновременно получают три продукта раствор гидроксида металла, газообразные хлор и водород. [c.44]
Основным способом получения гидроксида натрия является электролиз водного раствора хлорида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи катода накапливаются ионы натрня и гидроксид-ионы, т. е. полу-, чается гидроксид натрня на аноде выделяется хлор. Очень важно, чтобы продукты электролиза не смешивались, так как гидроксид натрня легко взаимодействует с хлором в результате образуются хлорид и гипохлорит натрия [c.566]
Основным способом получения гидроксида натрия является электролиз водного раствора хлорида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи [c.548]
Основным способом получения гидроксида натрия является электролиз водного раствора хлорида натрия. При пропускании через этот раствор электрического тока у катода разряжаются ионы водорода и одновременно происходит накопление ионов натрия и гидроксильных ионов, т. е. получается гидроксид натрия у анода выделяется хлор. Очень важно, чтобы продукты электролиза не смешивались, так как гидроксид натрия, взаимодействуя с хлором, образует хлорид и гипохлорит натрия [c.559]
Электролиз щироко используется в промышленности для выделения и очистки металлов, получения едких щелочей, хлора, водорода и других химических продуктов. Активные металлы, например, натрий, получают не электролизом водных растворов солей, а электролизом их расплавов. Так, при электролизе хлорида натрия на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде — хлор [c.232]
Получение хлора. В промышленности хлор получают из дешевого природного сырья — хлорида натрия, концентрированный водный раствор которого подвергают электролизу. В результате этого на аноде выделяется газообразный хлор, на катоде — водород (у катода — раствор едкого натра). Хлор пропускают через сушильные аппараты, сжижают, транспортируют в стальных баллонах ( бомбах ) под давлением 6 атм. [c.376]
В процессе электролиза водных растворов хлорида натрия в одном аппарате получают три целевых продукта щелочь, хлор и водород. В настоящее время есть предложения [5] по раздельному учету затрат на получение этих продуктов. Однако на производстве используют устоявшийся способ расчета в качестве основного продукта принимают щелочь, а вырабатываемые хлор и водород учитываются как побочные, и их стоимость из затрат на производство щелочи вычитается. Калькуляция себестоимости электролитической щелочи цеха электролиза, оборудованного электролизерами с графитовыми и ОРТА анодами в пересчете на 100% NaOH, приводится в табл. 12 [13]. Как показывает анализ себестоимости, часть составляющих затрат вносит незначительный вклад в ее величину, например, азот, природный газ, асбест, бязь и т. п. Другая часть затрат не меняется при изменении управляющих воздействий в отделении электролиза, например, расходы соли, кислоты и т. д. Поэтому рекомендуется [5, 116] в качестве обобщенного показателя производственных процессов применять не себестоимость продуктов в целом, а меняющуюся ее часть — технологическую составляющую себестоимости. При этом в каждом конкретном случае необходимо проводить тщательный анализ себестоимости с целью правильной оценки ее технологической составляющей. Статьи затрат, которые входят в технологическую составляющую, должны прямо или косвенно выражаться через варьируемые параметры. Поэтому В1месте с действием обобщенного критерия для всего технологического отделения, для отдельных управлений возможно применение частных критериев, которые являются конкретизацией общего показателя на отдельные управления или процессы. Например, при определении оптимального значения уровня анолита электролизера технологическая составляю- [c.94]
Во многих производствах прикладной электрохимии желательно иметь минимальное напряжение на ячейке и поэтому применять для анода и катода материальг с возможно более низким перенапряжением для процессов, протекающих па электродах. К таким процессам относятся электролиз водных растворов хлоридов с целью получения хлора и каустической соды,. хлоратов, гппохлорита натрия, электролиз водных растворов сульфата натрия для получения серной кислоты и щелочи, электролиз воды для получения водорода и кислорода и некоторые другие. [c.10]
Конструкции мембранных электролизеров. В промышленности используются разнообразные конструкции мембранных электролизеров для разложения водных растворов хлорида натрия с получением каустической соды, хлора и водорода. В начале развития мембранного электролиза применяли электролизеры с трех- и четырехкамерными электролитическими ячейками, проточными (асбестовыми или асбополимерными) диафрагмами, графитовыми анодами и ионообменными мембранами [98]. Электролизеры с трех- и четырехкамерными электролитическими ячейками и графитовыми анодами не получили широкого применения в производстве чистой каустической соды и хлора. [c.66]
Ярким примером этого типа деполяризации, называемой деполяризацией при выделении металла, является-изменение потенциала выделения при разряде ионов натрия или другого электроотрицательного металла на ртутном катоде в нейтральном или щелочном растворе. Обратимый потенциал выделения чистого натрия из раствора, содержащего 1 эквивалент соли натрия на 1 л, равен приблизительно—2,7 в (см. табл. 49), но вследствие образования растворимых в ртути соединений заметный разряд ионов натрия идет уже при —1,2 в. В нейтральном растворе натриевой соли, т. е. при pH = 7, обратимый потенциал ионов водорода равен —0,4 в, но на чистом ртутном катоде даже при малых плотностях ток а имеет место большое перенапряжение, примерно равное 0,8 в (см.табл. 78) следовательно, выделение водорода не начнется до тех пор, пока потенциал катода не достигнет —1,2 в. Поэтому очевидно, что благодаря высокому перенапряжению водорода на ртутном катоде и большой деполяризации при разряде ионов натрия выделение натрия из водных растворов при pH = 7 может итти одновременно с выделением водорода. Можно отметить, что даже если исходным электролитом служит нейтральный раствор, например раствор хлористого натрия, то из-за разряда ионов водорода раствор вблизи катода станет щелочным тогда потенциал заметного выделения водорода станет еще отрицательнее, а именно около —1,6 в, и, следовательно, будет итти преимущественно выделение натрия. Эти закономерности делают возможным приготовление разбавленных щелочных амальгам электролизом растворов щелочных хлоридов, что и используется при электролитическом получении гидратов окисей щелочных металлов. [c.646]
Производство порошкообразного алюминия электролитическим методом из водных растворов встречает известные трудности (из-за высокого электроотрицательного потенциала алюминия, в результате чего на катоде вместо металла выделяется водород). Известны" методы получения порошкообразного алюминия на платиновом катоде из бензольного раствора А1Вгз—КВг. Он может также быть получен электролизом расплавов (по аналогии с промышленным методом производства алюминия) хлорида аммония или смеси хлоридов натрия и аммония. Чем меньше содержание в ванне Na l, тем большей дисперсностью обладает осадок. Электролитический метод получения порошков алюминия, цинка и никеля не нашел большого распространения. [c.538]
chem21.info
Электролиз в промышленности
Важнейшее применение электролиз находит в металлургической, химической промышленности и в гальванотехнике.
В химической промышленности методом электролиза получают различные продукты; к числу их относятся фтор, хлор, едкий натр, водород высокой степени чистоты, многие окислители, в частности пероксид водорода, пероксодисерную кислоту. Развивается электросинтез органических соединений.
В металлургической промышленности электролизом расплавленных соединений и водных растворов получают металлы (Си, Bi, Sn, Pb, Ni, Cd, Zn), а также производят электролитическое рафинирование — очистку металлов от вредных примесей и извлечение ценных компонентов.
Электролизом расплавов получают металлы, имеющие сильно отрицательные электродные потенциалы, и некоторые их сплавы.
При высокой температуре электролит и продукты электролиза могут вступать во взаимодействие друг с другом, с воздухом, а также с материалами электродов и электролизера.
Электролитом обычно служат не индивидуальные расплавленные соединения, а их смеси. Важнейшим преимуществом смесей является их относительная легкоплавкость, позволяющая проводить электролиз при более низкой температуре.
В настоящее время электролизом расплавов получают алюминий, магний, натрий, литий, бериллий и кальций. Электролизом расплавленных сред получают некоторые тугоплавкие металлы.
Электролитическому рафинированию металлы подвергают для удаления из них примесей и для перевода содержащихся в них компонентов в удобные для переработки продукты. Из металла, подлежащего очистке, отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При прохождении тока металл подвергается анодному растворению — переходит в виде катионов в раствор. Далее катионы металла разряжаются на катоде, образуя осадок чистого металла. Содержащиеся в аноде примеси либо остаются нерастворенными, выпадая в виде анодного шлама, либо переходят в электролит, откуда периодически или непрерывно удаляются.
Электролитическому рафинированию подвергают медь, никель, свинец, олово, серебро, золото.
К гальванотехнике относятся гальваностегия и гальванопластика. Процессы гальваностегии представляют собой нанесение путем электролиза на поверхность металлических изделий слоев других металлов для предохранения этих изделий от коррозии, для придания их поверхности твердости, а также в декоративных целях. Из многочисленных применяемых в технике гальванотехнических процессов важнейшими являются хромирование, цинкование, кадмирование, никелирование, меднение и др.
Сущность гальванического нанесения покрытий состоит в следующем. Хорошо очищенную и обезжиренную деталь, подлежащую защите, погружают в раствор, содержащий соль того металла, которым ее необходимо покрыть, и присоединяют в качестве катода к цепи постоянного тока; при пропускании тока на детали осаждается слой защищающего металла. Наилучшая защита обеспечивается мелкокристаллическими плотными осадками. Такие осадки обладают, кроме того, лучшими механическими свойствами.
Гальванопластикой называются процессы получения точных металлических копий с рельефных предметов электроосаждением металла. Путем гальванопластики изготовляют матрицы для прессования различных изделий, матрицы для тиснения кожи и бумаги, печатные радиотехнические схемы. К гальванотехнике относятся также другие виды электрохимической обработки поверхности металлов: электрополирование стали, оксидирование алюминия, магния. Последнее представляет собой анодную обработку металла, в ходе которой определенным образом изменяется структура оксидной пленки на его поверхности. Это приводит к повышению коррозионной стойкости металла. Кроме того, металл приобретает при этом красивый внешний вид.
studfiles.net
Способы получения водорода | Сварка и сварщик
Технический водород получают в промышленности:
- электролизом воды;
- методом глубокого охлаждения газовых смесей, содержащих водород;
- железо-паровым способом;
- из водяного газа путем окисления содержащейся в нем окиси углерода водяным паром в присутствии катализатора;
- в специальных водородных генераторах воздействием серной кислоты на железную стружку и цинк.
На первых порах источником для получения водорода служили кислоты. Так и в наше время в лабораториях часто получают его средневековым способом - действием цинка на серную кислоту. Реакция протекает по уравнению:
Zn + h3SO4 = ZnSO4 + h3
Вместо цинка можно взять железо в виде стружек или алюминий. Водород получается, загрязненный побочными продуктами разложения серной кислоты, и, если это требуется, его приходится очищать.
Огромные количества водорода, необходимые современной промышленности, получают сейчас электролизом раствора щелочи и извлекают из промышленных газов - коксовальных печей, газов, получаемых при переработке нефти и др.
При переработке каменного угля на кокс дополнительно получается деготь и коксовый газ. В состав газа входит до 50-60% водорода (h3), 20-25% метана (СН4), окись углерода (СО), азот (N) и др.
В статье «Гелий - солнечный газ» описан процесс получения гелия методом фракционной конденсации. Так же поступают и с коксовым газом. Но чтобы отделить водород от других составных частей, требуется очень глубокое охлаждение из-за низкой критической температуры водорода.
Наиболее широко распространенным способом получения водорода является - электролиз дистиллированной воды. В результате чего получают водород, кислород и некоторые примеси.
Единственным исходным сырьем для получения водорода электролитическим методом служит вода. Чистая, дистиллированная вода обладает огромным сопротивлением и почти совершенно не проводит электрический ток. Вот почему для того чтобы сделать воду электропроводной, в ней нужно растворить какую-нибудь соль, кислоту или основание, которые дают ионы.
Через водный раствор щелочи (например: каустическая сода) пропускают постоянный электрический ток. При этом вода разлагается, и на отрицательном электроде (катоде) выделяется водород, а на положительном электроде (аноде) - кислород, также являющийся важным промышленным продуктом. В результате получения 2 м3 водорода, как побочный продукт получается 1 м3 кислорода. Большой расход электроэнергии является главным недостатком данного способа, поэтому применение водорода полученного при помощи электролиза целесообразно при одновременном использовании вместе с кислородом. В связи с этим в последнее время портативные водородные сварочные аппараты для газовой сварки и пайки пользуются все большей популярностью.
weldering.com
Производство водорода электролизом воды
Производство глинозема
Основная задача подготовки алюминийсодержащих руд - выделение из них глинозема (оксида алюминия). С этой целью применяют различные способы.
Сущность производства глинозема заключается в отделении гидроокиси алюминия от других минералов. Это достигается применением ряда сложных технологических приемов:
- перевод глинозема в растворимую соль (алюминат натрия),
- отделение алюмината натрия от остальных компонентов руды,
- осаждение из растворов алюмината натрия гидроксида алюминия,
- кальцинация гидроксида алюминия.
Метод выделения глинозема из руды зависит от ее состава.
Процесс выделения глинозема состоит из следующих операций:
1) Дробление боксита и мокрый размол;
2) Выщелачивание оксида алюминия раствором гидроксида натрия с образованием нерастворимого гидратированного алюмината натрия:
Al2O3*nh3O + 2NaOH 
2Na[Al(OH)4]
3) Отделение раствора алюмината натрия;
4) «Выкручивание» (постепенное охлаждение при непрерывном перемешивании в течение 60-90 часов) раствора алюмината натрия, приводящее к образованию гидроксида алюминия:
Na[Al(OH)4] Аl(OH)3 + NaOH
5) Кальцинация (обезвоживание) гидроксида алюминия при 1200 0С:
2Аl(OH)3
Al2O3 + 3h3O
Производство алюминия
Производство алюминия осуществляется из глинозема, растворенного в криолите («ледяной камень») Na3А1F6. Получают криолит из фторида кальция и гидроксида алюминия.
Криолит, как растворитель глинозема, удобен потому, что он:
- достаточно хорошо растворяет А12О3,
- не содержит более положительных, чем алюминий, ионов;
- достаточно электропроводен, но в то же время обеспечивает выделение тепла, необходимого для плавления электролита;
- дает с глиноземом сплавы, температура плавления которых много ниже температуры плавления глинозема (2050 0С).
Практически электролиз ведут при содержании в электролите около 10 % А12О3 при температуре 950-1000 0С.
Схематически процесс электролиза сводится к выделению на катоде расплавленного алюминия и сгоранию угольного анода за счет выделившегося на нем кислорода:
Катод: А1+3 + 3е 
А1о
Анод: 2О-2 - 4е О2
Выделяющийся кислород реагирует с угольным анодом с образованием оксидов углерода. Образующийся на катоде жидкий алюминий собирается на дне электролизера, выложенном угольными блоками (рисунок 27) и выводится из ванны с помощью вакуума через сифонное устройство.
 |
Рисунок 27 - Электролизер для выплавки алюминия:
1 - корпус; 2- горелка для дожигания СО; 3 - стальные штыри;
4- анодный кожух; 5 - угольные блоки; 6 - катодный стержень
Анодом служит затвердевшая под действием повышенных температур масса из беззольного или пекового кокса, помещенная в анодный кожух 4. Кожух с помощью системы домкратов способен менять свое положение относительно расплавленного слоя металла, обеспечивая заданное расстояние между электродами. Выделяющиеся при электролизе газы (СО, СО2, НF) собираются в колоколе. Оксид углерода дожигается в горелке 2, превращаясь в диоксид, а фторсодержащие газы улавливаются и выводятся из системы.
Производство водорода электролизом воды
Производство водорода электролизом воды из-за значительного расхода электроэнергии пока не может конкурировать с другими способами получения, основанными на использовании нефти и природного газа. Однако с удорожанием источников углеводородного сырья и расширением сфер применения водорода, в особенности в качестве экологически чистого топлива, электролиз воды уже в недалеком будущем получит значительно большее распространение. Для питания водородных электролизеров предполагается использовать альтернативные виды энергии, и также избыточную энергию АЭС в периоды их неполной нагрузки (например, в ночные часы).
В настоящее время мировое производство водорода превышает 30 млн т в год. Более половины его расходуется при получении аммиака. Значительное количество водорода используется в органическом и нефтехимическом синтезе (синтез спиртов и углеводородов, гидрокрекинг, гидроочистка и другие процессы), в пищевой промышленности и металлургии (гидрирование жиров, восстановление металлов), в производстве минеральных и органических кислот, при сварочных работах и т. д.
В промышленности электролитическое разложение воды из-за ее низкой электропроводности обычно проводят в присутствии фоновых электролитов, в качестве которых могут быть использованы водные растворы кислот и щелочей. Растворы минеральных кислот имеют более высокую удельную электропроводность, однако, из-за своей агрессивности используются реже. Чаще всего применяют в качестве фонового электролита не корродирующие стальных электродов растворы щелочей (16-20 % NaOH или 20-30 % КОН) в свободной от примесей дистиллированной или обессоленной воде. В процессе электролиза протекают реакции:
Катод: 2Н2О + 2е 
Н2 + 2ОН-
Анод: 2ОН- - 2е 
0,5О2 + Н2О
Н2О 0,5О2 + Н2
В качестве основного аппарата используются электролизеры с биполярными стальными электродами (рисунок 28). Только крайние электроды, на которые подается напряжение, работают монополярно. Остальные электроды, разделенные пористой диафрагмой, поляризуются: с одной стороны - катод, с другой - анод. Диафрагма препятствует смешению газов, образующихся на электродах, но допускает циркуляцию электролита между электродами и сепаратором.
 |
Рисунок 28 -Схема биполярного электролизера для электролиза воды:
1 - монополярный электрод; 2 - биполярные электроды;
3- катод; 4 - диафрагма; 5 - анод
Образующиеся водород и кислород отводятся раздельно в коллекторы и собираются в газгольдерах либо закачиваются в баллоны. Полученные при электролизе газы отличаются достаточно высокой чистотой (99,5 % - по водороду).
stydopedia.ru
Получение водорода
I. Взаимодействие металлов до водорода с растворами:
1) Zn + 2HCl ® ZnCl2 + h3↑ (в лаборатории)
2) Al + 2NaOH + 10 h3O ® 2Na[Al(OH)4 · (h3O)2] + 3h3↑
3) Ca + 2h3O ® Ca(OH)2 + h3 ↑ не реален синтез
II. Получение водорода из металлического лома:
2Fe + 3h3O t=800ºС 4h3↑ + Fe3O4 железо-паровой метод
III. С + Н2О 800ºС СО + Н2↑
водяной газ
IV. Наиболее чистый водород получают электролизом воды и водного раствора КОН:
+A Ox 4OH- - 4e ® 4H+ + 2O2↑ 2h3O – 4e ® 4H+ + O2↑
- K Red 2H+ + 2e ® h3↑ 2h3O + 2e ® 2OH- + h3↑
Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2h3O электролиз h3↑ + Cl2↑ + 2NaOH
V. В промышленности водород в больших количествах получают из природного газа конверсией:
СН4 + Н2О Кt, t=800ºC СО↑ + 3Н2↑ ∆ Н0298 = 206 кДж
VI. Разложение и гидролиз гидридов
СаН2 + Н2О → Са(ОН)2 + Н2↑
Водородная энергетика – это наше будущее.
2Н2 + О2 ® 2Н2О на выхлопе, а на самом деле
Н2 + воздух ® NO, NO2, CO – букет загрязнителей
N2, O2, CO2
Атомные станции дают средне температурное тепло, его используют для разложения воды, но после Чернобыля атомные станции стали сворачиваться.
Водородное топливо в двигателях – не безопасно. Лишь Zr или Pd насыщаются водородом, и при работе двигателя водород не выделяется и двигатель работает.
Реакция Н2 + С (уголь) ® получение углеводородного топлива.
В Сибири стали строить гигантские заводы по получению углеводородного топлива. Но были вскоре открыты природные запасы нефти в Башкирии, Сибири и заводы по получению углеводородного топлива стали не нужны.
Реакция: Н2 + S ® h3S - получение
Нагревание: h3S ® h3 + S
Al2O3 + h3 ® MnО + h3 ® MgO + h3 ® CaO + h3 ®
Активные металлы восстановить водородом не удается
mykonspekts.ru
Электролитическое получение - водород - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Электролитическое получение - водород
Cтраница 1
Электролитическое получение водорода и кислорода является вторым по величине потребляемой им энергии электрохимическим процессом в химической промышленности. [1]
Что касается электролитического получения водорода, то, несмотря на чистоту этого водорода, а также на эффективность процесса и другие его достоинства, большие расходы на оборудование завода, а также на электроэнергию являются серьезными препятствиями к внедрению этого способа получения водорода в промышленности. [2]
Обычно для электролитического получения водорода используется дистиллированная вода или конденсат пара. При применении конденсата пара необходимо иметь в виду, что он иногда содержит примеси масла ( как, например, конденсат отработанного пара после паровых машин или насосов), делающие его непригодным для электролиза. [3]
Из каких стадий складывается процесс электролитического получения водорода из кислых и щелочных растворов. Что вызывает перенапряжение водорода на катоде при электролизе. [4]
Одним из путей интенсификации процессов электролитического получения водорода является электролиз воды под давлением. [5]
В книге изложены теория и практика электролитического получения водорода и кислорода; особое внимание обращено на рассмотрение принципов, положенных в основу конструкции и эксплоатации электролизеров. [6]
В других случаях, например при электролитическом получении водорода, перенапряжение, наоборот, является нежелательным, так как приводит к повышенному расходу электроэнергии. [7]
В других случаях, например при электролитическом получении водорода, перенапряжение, наоборот, является нежелательным; так как приводит к повышенному расходу электроэнергии. [9]
В других случаях, например при электролитическом получении водорода, перенапряжение, наоборот, является нежелательным, так как приводит к повышенному расходу электроэнергии. [10]
Вода, идущая на приготовление электролита и используемая для электролитического получения водорода и кислорода, должна быть предварительно очищена от механических примесей и не содержать растворенных минеральных солей, а также масел и органических веществ. Примеси масел и органических веществ в воде нежелательны, так как присутствие их в щелочной среде приводит к ценообразованию. [11]
В 1888 г. русским ученым, профессором Д. А. Лачиновым, был сконструирован первый аппарат для электролитического получения водорода и кислорода. [12]
В технических электролизах в одних случаях приходится принимать меры для уменьшения химической и концентрационной поляризации, например при электролитическом получении водорода ( так как высокая поляризация при электролизе вызывает дополнительный расход электрической энергии на протекание процесса), в других, наоборот, стремятся увеличить поляризацию, например при электроосаждении металлов в гальванотехнике, так как это позволяет получить более высокого качества осадки металлов. Величина концентрационной поляризации может быть уменьшена перемешиванием раствора. Вредное действие химической поляризации устраняется добавлением окислителей или восстановителей, которые называются деполяризаторами. Деполяризаторы широко применяются для проведения различных электрохимических реакций органического синтеза, а также в различных гальванических элементах. [13]
Кислородное перенапряжение составляет значительную долю общего напряжения на ванне по электролизу воды и влияет на расход электроэнергии при промышленном электролитическом получении водорода и кислорода. Реакция образования кислорода играет важную роль практически во всех анодных процессах при электролизе водных растворов и, в первую очередь, в реакциях электроокисления неорганических и органических веществ. Однако механизм анодного выделения кислорода до сих пор остается далеко не выясненным. [14]
Кислородное перенапряжение составляет значительную долю общего напряжения на ванне по электролизу воды и влияет на расход электроэнергии при промышленном электролитическом получении водорода и кислорода. Реакция образования кислорода играет важную роль практически во всех анодных процессах при электролизе водных растворов и в первую очередь в реакциях электроокисления неорганических и органических веществ. Однако механизм анодного выделения кислорода до сих пор не совсем ясен. [15]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
