Elektroliza wody w celu wytworzenia H2 i O2
Anody tytanowe, kluczowe części sprzętu do elektrolitycznego wodoru i tlenu, mają stabilną jakość, są przyjazne dla środowiska i nie zawierają wtórnych zanieczyszczeń, mają niskie nadpotencjał, zapewniają dobry efekt oszczędzania energii i mogą zaoszczędzić 15-20% energii. Istnieją płyty, siatki, kształty rur i części o specjalnych kształtach.
1. Postęp badań nad produkcją wodoru w drodze elektrolizy wody Produkcja wodoru w drodze elektrolizy wody jest ważnym środkiem umożliwiającym przemysłowe i tanie przygotowanie H2, umożliwiającym wytwarzanie produktów o czystości od 99% do 99,9%. Każdego roku zużycie energii elektrycznej w moim kraju do produkcji wodoru metodą elektrolizy wody osiąga ponad (1,5×107) kW·h. Podczas przepływu prądu między elektrodami na katodzie wytwarzany jest wodór, na anodzie tlen, a woda ulega elektrolizie [2]. Podstawową częścią sprzętu do produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody jest ogniwo elektrolityczne, a materiał elektrody jest kluczem do ogniwa elektrolitycznego. Jakość działania elektrody w dużej mierze determinuje napięcie ogniwa i zużycie energii podczas elektrolizy wody, a także bezpośrednio wpływa na koszt. Wydajność dostarczania energii elektrycznej do rozkładu wody w celu wytworzenia wodoru wynosi zazwyczaj od 75% do 85%. Proces jest prosty i pozbawiony zanieczyszczeń, jednak zużycie energii jest duże, dlatego jego zastosowanie podlega pewnym ograniczeniom. Elektroliza wody odbywa się w ogniwie elektrolitycznym, które jest wypełnione elektrolitem i podzielone membraną na komorę anodową i komorę katodową. Elektrody umieszczone są w każdej komorze. Ponieważ woda ma bardzo niską przewodność, stosuje się roztwór wodny (stężenie około 15%) z elektrolitem. Kiedy między elektrodami przepływa prąd o określonym napięciu, na katodzie wytwarza się wodór, a na anodzie tlen, co powoduje elektrolizę wody. Teoretycznie platynowce są najbardziej idealnymi metalami na elektrody do elektrolizy wody, ale w praktyce często stosuje się niklowane elektrody żelazne w celu zmniejszenia kosztów sprzętu i produkcji. W przypadku elektrolizy wody wzór reakcji elektrody jest następujący [3]. W roztworze kwaśnym reakcja katodowa: 4H++4e=2H2∏=0V Reakcja anodowa: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V W roztworze zasadowym reakcja katodowa: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Reakcja anodowa: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Jak widać z powyższego wzoru, ogólna reakcja elektrolizy wody jest następująca, czy to w roztworze kwaśnym, czy zasadowym. 2H2O=2H2+O2 Teoretyczne napięcie rozkładu wody nie ma nic wspólnego z wartością pH, dlatego jako elektrolity można stosować roztwory kwaśne lub zasadowe. Jednak z punktu widzenia budowy ogniwa elektrolitycznego i doboru materiału, stosowanie roztworów kwasowych jest podatne na różne wady. Dlatego w przemyśle stosuje się obecnie roztwory alkaliczne.
(1) Tradycyjna technologia elektrolizy alkalicznej Elektroliza wody alkalicznej jest obecnie powszechną i dojrzałą metodą wytwarzania wodoru. Metoda ta nie wymaga dużego sprzętu, a inwestycje skupiają się głównie na sprzęcie; wytwarzany wodór ma wysoką czystość, ale wydajność nie jest zbyt wysoka. Proces jest również stosunkowo przyjazny dla środowiska i wolny od zanieczyszczeń, ale zużywa dużo energii elektrycznej i dlatego podlega pewnym ograniczeniom. Ciśnienie elektrolizy wody w przemyśle wynosi zazwyczaj od 1,65 do 2,2 V. Żywotność materiału elektrody i zużycie energii podczas elektrolizy wody są kluczowymi czynnikami przy ocenie jakości materiałów elektrod do elektrolizy wody alkalicznej. Gdy gęstość prądu nie jest duża, głównym czynnikiem wpływającym jest nadpotencjał; gdy gęstość prądu wzrasta, nadpotencjał i spadek napięcia na rezystancji stają się głównymi czynnikami zużycia energii. W zastosowaniach praktycznych elektrody przemysłowe powinny charakteryzować się następującymi cechami [3]: (1) dużą powierzchnią; (2) wysoka przewodność; (3) dobra aktywność elektrokatalityczna; (4) długoterminowa stabilność mechaniczna i chemiczna; (5) opady małych pęcherzyków; (6) wysoka selektywność; (7) łatwy do uzyskania i niski koszt; (8) bezpieczeństwo. Elektroliza wody często wymaga większej gęstości prądu (powyżej 4000 A/m2), dlatego punkty 2 i 4 są ważniejsze. Ponieważ wysoka przewodność może zmniejszyć straty energii spowodowane polaryzacją omową, wysoka stabilność zapewnia długą żywotność materiałów elektrod. 1 i 3 to wymagania dotyczące zmniejszenia nadpotencjału wydzielania się wodoru i tlenu, a także są ważnymi wskaźnikami oceny wydajności elektrody.
(2) Technologia elektrolizy wody w postaci stałego polimeru SPE Ponieważ elektrolizer z cieczą jako elektrolitem ma niską wydajność, jest niewygodny w przemieszczaniu i często wymaga konserwacji, ludzie aktywnie poszukują nowych elektrolitów, co stało się bodźcem do opracowania i badań nad zastosowaniem stałego polimeru elektrolit (SPE), znany również jako membrana do wymiany protonów (PEM). Obecnie elektrolizer wykorzystuje jako elektrolit stałą membranę z kwasu perfluorosulfonowego Nafion. W elektrodzie wykorzystuje się metale szlachetne lub ich tlenki o wysokiej wydajności katalitycznej, które są przetwarzane w postać proszku o dużej powierzchni właściwej, a następnie są łączone i prasowane po obu stronach membrany Nafion za pomocą teflonu, tworząc stabilną kombinację membrany i elektrody.
(3) Proces elektrolizy parowej w wysokiej temperaturze Inną metodą wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wody jest elektroliza parowa w wysokiej temperaturze. Jest to metoda wywodząca się z ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem. W komorze elektrolizy jako elektrolit zazwyczaj wykorzystuje się ZrO2 stabilizowany Y2O3-. Im wyższa temperatura, tym niższy opór. Jednakże z punktu widzenia odporności cieplnej materiału górna granica temperatury wynosi korzystnie 1000 stopni. Zwykle jako katodę stosuje się mieszany spiek niklu i ceramiki, a jako anodę stosuje się przewodzący tlenek kompozytowy wapniowo-tytanowy.
2. Rozwój biologicznej produkcji wodoru Temat wykorzystania mikroorganizmów do produkcji wodoru jest badany od kilkudziesięciu lat. W latach trzydziestych XX wieku odnotowano pierwsze doniesienia o ciemnej fermentacji bakteryjnej prowadzącej do produkcji wodoru. Następnie w 1942 r. Gaffron i Rubin donieśli, że algi zielone wykorzystują energię świetlną do produkcji wodoru, a w 1949 r. Gest i Kamen odkryli fototroficzne bakterie wytwarzające wodór. Spruit potwierdził w 1958 r., że algi mogą wytwarzać wodór w drodze bezpośredniej fotolizy, bez konieczności wiązania dwutlenku węgla. Badania Healy'ego (1970) wykazały, że gdy natężenie światła jest zbyt wysokie, proces produkcji wodoru przez Chlamydomonas moewsuii zostanie zahamowany z powodu produkcji tlenu. Podczas kryzysu energetycznego w latach 70. XX w. na całym świecie przeprowadzono wiele badań nad produkcją biowodoru. Thauer zauważył w 1976 roku, że ciemna fermentacja jest trudna do zastosowania w rzeczywistej produkcji, ponieważ z 1 mola glukozy można uzyskać jedynie 4 mole wodoru i 2 mole kwasu octowego. Bakterie fototroficzne potrafią całkowicie przekształcić substraty, takie jak kwasy organiczne, w wodór, dlatego od tego czasu badania nad produkcją biowodoru skupiają się głównie na fotofermentacji. Na początku lat 80. XX w. wsparcie dla energii odnawialnej w programach badawczo-rozwojowych (B+R) na całym świecie stopniowo malało. Na początku lat 90. problemy środowiskowe stawały się coraz poważniejsze, a uwaga ludzi skupiała się na alternatywnych źródłach energii. Przy wsparciu badań i rozwoju w zakresie produkcji biowodoru w Niemczech, Japonii i Stanach Zjednoczonych szeroko zbadano dziedzinę wykorzystania alg wykorzystujących energię świetlną do produkcji wodoru z wody. Jednakże ogólna wydajność konwersji energii słonecznej w tym procesie jest nadal bardzo niska. Z drugiej strony bakterie ciemnej fermentacji i fototroficzne mogą wytwarzać wodór z tanich substratów lub odpadów organicznych. Ponieważ może zarówno wytwarzać czystą energię, jak i przetwarzać odpady organiczne, rządy Stanów Zjednoczonych i Japonii wsparły kilka długoterminowych programów badawczych. Oczekuje się, że praktyczne zastosowanie technologii produkcji biowodoru nastąpi w połowie XXI wieku. Od odkrycia mikrobiologicznej produkcji wodoru minęło ponad pół wieku, a produkcja biowodoru nie znalazła jeszcze zastosowania w praktyce. Wiele problemów technicznych, takich jak badanie przesiewowe mikroorganizmów, konstrukcja reaktorów i optymalizacja warunków pracy, pozostaje do rozwiązania, zwrócono także uwagę na koszty tej technologii. Z ekonomicznego punktu widzenia technologia produkcji biowodoru nie może w najbliższej przyszłości konkurować z tradycyjną technologią chemicznej produkcji wodoru. Jednak z punktu widzenia ochrony środowiska perspektywy produkcji biowodoru będą bardzo szerokie. Produkcja biowodoru obejmuje: fotosyntetyczny system produkcji biowodoru (znany również jako system produkcji wodoru z bezpośrednią biofotolizą); system produkcji biowodoru w wyniku fotolizy (znany również jako system produkcji wodoru w drodze pośredniej biofotolizy); fotosyntetyczne bakterie heterotroficzne, reakcja konwersji gazu wodnego, system produkcji wodoru; fotofermentacyjny system produkcji biowodoru; system produkcji biowodoru przez fermentację beztlenową (znany również jako system produkcji biowodoru przez fermentację ciemną); hybrydowy system produkcji biowodoru metodą fotosyntezy i fermentacji; system produkcji biowodoru wodorazy in vitro itp. Energia wodorowa jest czystym i wysokokalorycznym źródłem energii. Wykorzystanie odnawialnych zasobów wody występujących w przyrodzie do produkcji wodoru jest niewątpliwie preferowaną metodą przyszłości ludzkości.
Po ponad pół wieku badań, mimo że technologia produkcji wodoru poprzez elektrolizę wody i produkcja biowodoru poczyniła ogromny postęp, to w zasadzie nadal znajdują się one w fazie rozwoju i nie zostały jeszcze wprowadzone do praktycznego zastosowania. Różne czynniki ograniczające, takie jak niska efektywność konwersji energii słonecznej, wysokie zużycie energii podczas produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody, hamowanie produktu, warunki operacyjne itp., powodują, że tempo produkcji wodoru w istniejących systemach produkcji wodoru jest niewystarczająco wysokie lub nieekonomiczne, a ponadto istnieje wiele innych wąskich gardeł do dalszego przełamania. Aby jeszcze bardziej obniżyć koszty produkcji i zwiększyć efektywność produkcji, będziemy przygotowywać się do przyszłej działalności komercyjnej.
Firma: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Kraj: Chiny
Dodaj: droga Baoti, Jintai, miasto Baoji, Shaanxi, Chiny
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Strona internetowa: www.jm-titanium.com
