Electroliza apei

1. Introducere

Electroliza apei este singura tehnologie validata industrial pentru producerea hidrogenului. Celelalte metode, cum sunt ciclurile termodinamice, fotoelectrochimice sau biochimice sunt în stadiu de cercetare, iar, din punct de vedere ingineresc si economic, pentru acestea se întrevad, în viit 14414s1824o orul apropiat, putine sanse de producere a hidrogenului în conditii industriale.

Electroliza se efectueaza cu o solutie apoasa de KOH sau NaOH (25 - 30 %). Aceste solutii prezinta o conductibilitate buna si sunt mai putin corozive decât cele acide. Reactiile care au loc la interfata conductor electronic/ conductor ionic, în mediu bazic, sunt:

la catod: ; (1)

la anod: ; (2)

iar reactia globala este:

(3)

Reactoarele folosite la electroliza apei sunt compartimentate pentru a permite obtinerea de produsi cât mai puri si pentru a optimiza conditiile de desfasurare a proceselor pentru fiecare electrod în parte. Separarea spatiului catodic de cel anodic aduce însa si dezavantajul cresterii tensiunii la borne, datorita rezistentei ohmice a separatorului interpolar.

Deoarece în conditiile unui electrolit alcalin, singurele procese de electrod sunt degajarea de hidrogen si respectiv de oxigen, randamentul de curent este practic de 100 %. În aceasta situatie, calea pentru a scadea consumul specific energetic consta în diminuarea tensiuni la borne E_B, care depinde de componentele exprimate în relatia:

(4)

unde: E_e este tensiunea de echilibru (egala cu FEM);

si suprapotentialul anodic, respectiv catodic;

- caderea ohmica de tensiune, prin electrolit;

- caderea de tensiune datorata separatorului interpolar.

Suprapotentialele si sunt determinate, în principal, de proprietatile electrocataliticeale celor doi electrozi si de densitatea de curent, depinde de structura si proprietatile separatorului interpolar, iar este determinat de proprietatile ionic conductoare ale solutiei apoase de KOH.

2. Scopul lucrarii

Lucrarea de laborator are ca scop evaluarea experimentala a componentelor care alcatuiesc tensiunea la bornele reactorului (potentialul anodic, , potentialul catodic, , caderea ohmica de tensiune prin electriolit si pe separatorul interpolar) precum si dependenta lor de densitatea de curent. De asemenea se evalueaza consumul specific de energie.

3. Principiul lucrarii

Lucrarea consta din teste de electroliza în regim galvanostatic, la diferite densitati de curent; din volumul de H₂ degajat se calculeaza randamentul de curent, iar cu ajutorul valorilor masurate ale potentialelor de electrod si tensiunii la borne se calculeaza consumul specific de energie pentru fiecare determinare.

4. Aparatura si materiale necesare

sursa de curent continuu, stabilizata si reglabila;

ampermetru digital

voltmetru digital;

celula de electroliza compartimentata

separator interpolar (membrana schimbatoare de ioni Nafion);

electrozi de Pt sau Ni;

solutie apoasa de KOH 25 % (% masa).

5. Modul de lucru

În celula de electroliza se introduce o solutia apoasa de KOH 25% si se realizeaza montajul din Figura 1. Se umple coloana de lichid a eudiometrului si se conecteaza sursa de curent si aparatele de masura. Ampermetrul digital (7) se fixeaza pe domeniul 200 mA (DC) iar voltmetrul digital (6) se fixeaza domeniul 2000 mV (DC) când se masoara potentialele anodice si catodice, respectiv pe domeniul de 20 V când se masoara tensiunea la bornele reactorului. Se efectueaza 2-4 teste cu o durata de 10 - 30 min, la densitati de curent cuprinse între 1 si 5 A/dm² (50 - 200 mA). Se mentine constanta intensitatea de curent si se citesc din 5 în 5 min. potentialele celor doi electrozi si tensiunea la borne. La sfârsitul fiecarui test se masoara, dupa cca. 5 minute, volumul de hidrogen acumulat în eudiometru.

6. Interpretarea rezultatelor

Pentru fiecare test în parte se calculeaza valorile medii ale potentialelor celor doi electrozi si ale tensiunii la borne. De asemenea se calculeaza randamentul de curent catodic si consumul specific de energie. Se evalueaza caderea de tensiune prin electrolit si separatorul interpolar. Datele obtinute se trec într-un tabel.

Se analizeaza dependenta dintre densitatea de curent si ceilalti parametri ai procesului (potential de electrod, randament de curent, etc.).

7. Sectiunea finala

a). Este posibila evaluarea caderii de tensiune prin electrolit cunoscând doar densitatea de curent si rezistivitatea solutiei de KOH 25%?

b). Care ar fi justificarea recircularii electrolitului în conditiile operarii la densitati de curent mari în celule compartimentate?

c). Ce proprietati permselective ar trebui sa posede separatorul interpolar pentru a favoriza procesul de electrod?