1. Индустријски начин производње водоника
У индустрији се за производњу водоника обично користе следеће методе; један је пропуштање водене паре кроз врући кокс (метод редукције угљеника) да би се добио водоник чистоће од око 75%; други је пропуштање водене паре кроз вруће гвожђе да би се добила чистоћа. Трећи метод је екстракција водоника из воденог гаса, а чистоћа добијеног водоника је такође ниска; четврти метод је метода електролизе воде, а чистоћа произведеног водоника може бити чак 99% или више. Ово је метода за припрему водоника у индустрији. важан метод. Током електролизе раствора натријум (калијум) хидроксида, кисеоник се ослобађа на аноди, а водоник на катоди. Водоник се такође може добити електролизом воденог раствора натријум хлорида да би се добио натријум хидроксид.
2. Хемијски принципи производње водоника електролизом воде
Такозвана електролиза је процес разлагања електролита растворених у води у нове супстанце уз помоћ једносмерне струје. Када се једносмерна струја пропушта у неке водене растворе електролита, разложене супстанце немају никакве везе са оригиналним електролитом. Оно што се разлаже је вода као растварач, а оригинални електролит остаје у води. На пример, сумпорна киселина, натријум хидроксид, калијум хидроксид итд. припадају овој врсти електролита.
Када се врши електролиза воде, пошто чиста вода има врло мало јонизације и ниску проводљивост, то је типичан слаб електролит. Због тога је потребно додати горе поменуте електролите да би се повећала проводљивост раствора тако да се вода може глатко електролизовати у водоник и кисеоник. Електролити као што је калијум хидроксид неће бити електролизовани. Узмимо калијум хидроксид као пример:
(1) Калијум хидроксид је јак електролит. Када се раствори у води, долази до следећег процеса јонизације:
КОХ - К+тенОХ-
Као резултат, велика количина К+ и ОХ- настала је у воденом раствору.
(2) Реактивност металних јона у воденим растворима је различита. Могу се распоредити по реактивности на следећи начин:
K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Ау
У горњем распореду, метал напред је живљи од оног позади.
(3) По редоследу активности метала, што је метал активнији, лакше се губе електрони, иначе је супротно. Са становишта електрохемијске теорије, јони метала који могу лако да добију електроне имају висок електродни потенцијал, док метални јони који су на првом месту по редоследу активности тешко добијају електроне и постају атоми због њиховог ниског електродног потенцијала. Електродни потенцијал јона водоника је -1.71В, док је електродни потенцијал калијумових јона -2.66В. Стога, када јони водоника и јони калијума истовремено постоје у воденом раствору, јони водоника ће прво добити електроне на катоди и постати водоник, а јони калијума остају у раствору.
(4) Вода је слаб електролит и тешко се јонизује. Када се калијум хидроксид раствори у води, јонизовани калијумови јони су окружени поларним молекулима воде и постају хидратисани калијумови јони. Деловање калијумових јона чини молекуле воде поларним смером. Под дејством једносмерне струје, јони калијума и хидратисани молекули са поларним правцима крећу се ка катоди. У овом тренутку, јони водоника прво добијају електроне и постају водоник. Стога, у процесу електролизе користећи калијум хидроксид као електролит, вода се заправо електролизује да би се произвео водоник и кисеоник, док калијум хидроксид игра само улогу ношења наелектрисања.
3.Напон електролизе
Приликом електролизе воде, једносмерни напон који се примењује на електролитичку ћелију мора бити већи од теоретског напона разлагања воде како би се превазишли различити падови напона отпора и електромоторна сила поларизације електроде у електролитичкој ћелији. Електромоторна сила поларизације електроде је збир превеликог потенцијала када се водоник исталожи на катоди и препотенцијала када се кисеоник исталожи на аноди. Према томе, напон електролизе воде У може се изразити као: У=У0+ИР+прекомерни потенцијал водоника+прекомерни потенцијал кисеоника
У формули, У0--Теоријски напон разлагања воде, В;
И--Струја електролизе, А
Р--Укупни отпор електролитичке ћелије, Ω
Из перспективе потрошње енергије, напон електролизе треба смањити што је више могуће. Фактори који утичу на напон електролизе углавном укључују следећа три аспекта:
(1) Теоретски напон разлагања (приближно 1.23В на 0.1МПа и 25 степени), који опада са порастом температуре и расте са повећањем притиска. За сваких 10 пута повећања притиска, напон се повећава за приближно 43мВ.
(2) Прекомерни потенцијал водоника и кисеоника. Постоји много фактора који утичу на превелики потенцијал водоника и кисеоника. Пре свега, материјал електроде и стање површине електроде имају већи утицај на њега. На пример, препотенцијал водоника гвожђа и никла је мањи од препотенцијала олова, цинка, живе итд., а препотенцијал кисеоника гвожђа и никла је већи од олова, цинка и живе. Потенцијал је такође мањи од олова. Што је већа површина контакта са електролитом или грубља површина електроде, то је мањи потенцијал водоника и кисеоника. Друго, како се густина струје повећава током електролизе, препотенцијал ће се у складу с тим повећати, а пораст температуре ће такође изазвати повећање препотенцијала. Поред тога, превелики потенцијал је такође повезан са факторима као што су природа, концентрација електролита и нечистоће у раствору. На пример, на електроди од никла, препотенцијал кисеоника у разблаженом раствору је већи него у концентрованом раствору.
Да би се смањио превелики потенцијал водоника и кисеоника, могу се усвојити неке методе. Као што је повећање радне температуре и коришћење одговарајућих електродних материјала. Поред тога, одговарајуће повећање стварне површине електроде или храпавост површине електроде може смањити отпор електроде и пренапона у различитим степенима, чиме се постиже сврха смањења радног напона.
(3) Пад напона отпорника. Укупни отпор у електролитичкој ћелији укључује отпор електролита, отпор дијафрагме, отпор електроде и контактни отпор, међу којима су прва два главна фактора. Пад напона отпора дијафрагме зависи од дебљине и својстава материјала. Коришћењем опште азбестне дијафрагме, када је густина струје 2400А/м2, пад напона на отпорнику дијафрагме је око 0.25-0.30В. Када се густина струје поново повећа, пад напона ће се повећати на око 0,5В. Што је већа проводљивост електролита, мањи је пад напона у електролиту. За електролит, осим што има малу вредност отпора, потребно је и да се не распада под напоном електролизе; не излази са водоником и кисеоником због испарења; није корозиван за материјале електролитичке ћелије; када пХ вредност раствора Приликом промене треба да има одређене пуферске перформансе.
Већина електролита се лако разлаже током електролизе и не треба их користити приликом електролизе воде. Сумпорна киселина ствара персулфурну киселину и озон на аноди, што је веома корозивно и не би требало да се користи. Јака алкалија може испунити горе наведене захтеве, тако да се водени раствор КОХ или НаОХ углавном користи као електролит у индустрији. КОХ има бољу електричну проводљивост од НаОХ, али је скупљи. На вишим температурама, његов корозивни ефекат на електролитичку ћелију је јачи од НаОХ. У прошлости се у нашој земљи често користио НаОХ као електролит. Међутим, с обзиром на чињеницу да су постојећи материјали електролитских ћелија већ отпорни на корозију КОХ, у циљу уштеде електричне енергије, постојао је општи тренд да се као електролит користи раствор КОХ. Поред тога, током процеса електролизом воде, електролит ће садржати мехуриће водоника и кисеоника који се непрекидно таложе, што повећава отпор електролита. Проценат запремине мехурића у електролиту према запремини електролита укључујући мехуриће назива се садржај гаса у електролиту. Садржај гаса је повезан са густином струје током електролизе, вискозитетом електролита, величином мехурића, радним притиском и структуром електролитичке ћелије и другим факторима. Повећање брзине циркулације и радног притиска електролита ће смањити садржај гаса; повећањем густине струје или повећањем радне температуре повећаће се садржај гаса. У стварним ситуацијама мехурићи у електролиту су неизбежни, па ће отпор електролита бити много већи него без мехурића. Када садржај гаса достигне 35%, отпор електролита је двоструко већи од отпора када нема мехурића. Смањење радног напона доприноси смањењу потрошње енергије. Из тог разлога, треба предузети ефикасне мере за смањење пренапона водоника и кисеоника и падова напона отпора. Генерално, када је струја мала, први је главни фактор; када је струја велика, ово друго ће постати главни фактор.
Када електролитичка ћелија ради под високим радним притиском, садржај гаса у електролиту се смањује, чиме се смањује отпор електролита. Из тог разлога је развијена електролитичка ћелија која може да ради под притиском од 3МПа. Међутим, радни манометар не би требало да буде превисок, иначе ће повећати растворљивост водоника и кисеоника у електролиту, узрокујући да регенеришу воду кроз дијафрагму, чиме се смањује тренутна ефикасност. Повећање радне температуре такође може смањити отпор електролита, али ће се корозија електролита од стране електролита такође интензивирати. Ако је температура већа од 90 степени, електролит ће изазвати озбиљно оштећење азбестне дијафрагме и формирати растворљиве силикате у азбестној дијафрагми. У ту сврху развијени су различити материјали дијафрагме за високотемпературну корозију, као што су металуршки листови никла у праху и материјали дијафрагме везани влакнима калијум титаната и политетрафлуороетилена, који се могу користити у алкалним растворима на 150 степени. Да би се смањио отпор електролита, може се усвојити и густина струје електролитичке ћелије, брзина циркулације електролита може се убрзати, а растојање између електрода може се на одговарајући начин смањити.